MM440變頻器在USS通信下的控制研究

0 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益發(fā)展，電動(dòng)機的調速已不再是單一調速系統的概念。發(fā)展到今天的變頻器調速控制，在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應用，在現代的工業(yè)自動(dòng)化控制系統中，如在紡織、輕工業(yè)、建材等領(lǐng)域，一種常見(jiàn)調速系統的是由PLC控制變頻器實(shí)現多臺電動(dòng)機的調速控制，這種調速系統可以在PLC與變頻器網(wǎng)絡(luò )通信的基礎上實(shí)現多臺電機的變頻調速[1]。

　　控制系統可以把觸摸屏、PLC和變頻器用總線(xiàn)連接起來(lái)，通過(guò)下載到觸摸屏中的項目組件和PLC中的程序實(shí)現電機的變頻控制，包括啟停、正反轉、多段調速、無(wú)級調速和參數讀寫(xiě)等。這里以S7-200系列PLC為控制核心，通過(guò)對TP270-6型觸摸屏的操作改變PLC中的參數，實(shí)現對MM440變頻器工作狀態(tài)的控制。本文設計的變頻調速系統，主要針對電機的變頻調速及變頻器網(wǎng)絡(luò )與PLC的通信問(wèn)題進(jìn)行了研究。

　　1調速系統構成

　　1.1系統設備介紹

　　整個(gè)調速系統的設備包括：上位計算機1臺（安裝有WinCCflexible和STEP7-MicroWIN軟件）、TP270觸摸屏1塊、西門(mén)子224PLC、MM440變頻器3臺及配套電機，整個(gè)系統的結構如圖1所示。

　　上位機使用編程軟件設計觸摸屏控制畫(huà)面及PLC中USS通信和控制程序，并使用RS-232串行通信的方式下載到觸摸屏，使用PC/PPI的通信方式下載到PLC中，上位機在完成編輯后將與系統斷開(kāi)，不參與電機調速的過(guò)程。西門(mén)子觸摸屏與PLC的Port1串口相連，使用MPI串行總線(xiàn)方式進(jìn)行數據交換；S7-200PLC的Port0串口以RS-485串行總線(xiàn)方式連接3臺變頻器，MM440變頻器的通信端口為29（P+）、30（N-）。



　　圖1調速系統構成

　　1.2USS通信協(xié)議

　　USS協(xié)議是由SIEMENSAG定義的串行數據通訊協(xié)議，SIEMENS所有傳動(dòng)產(chǎn)品都支持這個(gè)通用協(xié)議。它與Profibus及其它協(xié)議相比，USS協(xié)議無(wú)須購置通訊附件，是一種低成本、高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )組態(tài)連接方案[2]。

　　USS協(xié)議采用主一從結構，總線(xiàn)上可以連接1個(gè)主站和最多31個(gè)從站，在主站沒(méi)有要求從站通信時(shí)，從站不能首先發(fā)送數據，各個(gè)從站之間也不能直接進(jìn)行數據傳輸。主站一般為PLC或者PC機，從站可以是變頻器或者直流調速器.

　　在其他一些串行通訊場(chǎng)合，例如PC機與智能終端或嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )之間的通信，由于缺乏現成的標準協(xié)議，用戶(hù)不得不自己制定一些協(xié)議，而USS協(xié)議由于其簡(jiǎn)單、高效、靈活和易于實(shí)現，也被廣泛的應用在這些場(chǎng)合。

　　2 USS通信程序與TP270的畫(huà)面設計

　　2.1USS通信程序編寫(xiě)

　　STEP7-MicroWIN編程軟件有實(shí)現USS通信協(xié)議的庫指令，需要進(jìn)行添加及分配相應的庫存儲區，共包括14個(gè)子程序、3個(gè)中斷程序和8條指令，編寫(xiě)通信程序時(shí)需要在主程序中進(jìn)行指令塊調用，如圖2所示[3]。



　　圖2USS通信指令的調用

　　如圖2左邊為初始化指令，USS_INIT中的Mode為1表示將Port0通信口用于USS協(xié)議并使能該協(xié)議；Baud為波特率的大小，可根據需要進(jìn)行設置（包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200）；Acitive指示驅動(dòng)激活的編號，所有被激活的驅動(dòng)都會(huì )在后臺被自動(dòng)的輪詢(xún)，控制驅動(dòng)的搜索狀態(tài)，防止驅動(dòng)的串行鏈接超時(shí)；Done位表示輸出接通；Error的字節中存放指令的執行結果[4]。

　　圖2右邊為變頻器驅動(dòng)控制指令USS_CTRL，EN位為使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驅動(dòng)接通或斷開(kāi)；OFF2位用來(lái)允許MicroMaster驅動(dòng)斜坡減至停止；OFF3位用來(lái)命令MicroMaster驅動(dòng)快速停止；F_ACK（故障應答）位用于應答驅動(dòng)的故障，當F_ACK從0變1時(shí)，驅動(dòng)清除該故障（Fault）；DIR（方向）位指示驅動(dòng)應向哪個(gè)方向運動(dòng)；Drive（驅動(dòng)地址）是MicroMaster驅動(dòng)的地址，USS_CTRL命令發(fā)送到該地址，有效地址為0到31；Type（驅動(dòng)類(lèi)型）選擇驅動(dòng)的類(lèi)型，對于4系列的MicroMaster驅動(dòng)，類(lèi)型為1；Speed_SP（速度設定值）是驅動(dòng)的速度，是滿(mǎn)速度的百分比；Speed_SP的負值使驅動(dòng)反向旋轉，范圍是從-200.0%至200.0%；Error是錯誤字節，包含最近一次向驅動(dòng)發(fā)出的通訊請求的執行結果；Status是驅動(dòng)返回的狀態(tài)字的原始值；Speed是驅動(dòng)速度，是滿(mǎn)速度的百分比，范圍是從-200.0%至200.0%；Run_EN（RUN使能）指示驅動(dòng)是運行（1）還是停止（0）；D_Dir指示驅動(dòng)轉動(dòng)的方向；Inhibit指示驅動(dòng)上禁止位的狀態(tài)（0--未禁止，1--禁止），要清除禁止位，Fault（故障）位必須為零，而且RUN、OFF2和OFF3輸入必須斷開(kāi)；Fault指示故障位的狀態(tài)(0--無(wú)故障，1--有故障)，要清除Fault，必須排除故障并接通F_ACK位[4]。

　　2.2TP270畫(huà)面設計

　　在界面設計之前，要對系統進(jìn)行整體分析，以便對設計的結構、功能和控制要求有較好的把握。完成觸摸屏的硬件連接和軟件的通信調試之后，就可以進(jìn)行控制界面的設計。

　　TP270-6型觸摸屏的界面由WinCCflexible軟件進(jìn)行設計，用戶(hù)主界面1個(gè)，用于顯示控制原理圖和進(jìn)入監控界面可管理員和用戶(hù)進(jìn)入（需要密碼），數據對象界面4個(gè)，分別是監控界面（圖3）、無(wú)級變速界面（圖4）、參數讀界面（圖5）、參數寫(xiě)界面（圖6）。



　　設計控制畫(huà)面可按以下步驟進(jìn)行[5]：

　?、俅蜷_(kāi)WinCCflexible軟件，建立新的“項目”。

　?、谠?ldquo;項目”窗口中，點(diǎn)擊“對象”選項，對畫(huà)面進(jìn)行編輯。返回“項目”窗口中，雙擊“畫(huà)面”選項，完成對畫(huà)面的添加。在畫(huà)面窗口中的菜單欄里選中“對象”選項，選擇所需的圖形或選件插入，然后對它們進(jìn)行編輯。

　?、鄯祷?ldquo;項目”窗口，點(diǎn)擊“變量”選項，對變量進(jìn)行添加和編輯。在“項目”窗口中雙擊“變量”選項，這里需創(chuàng )建多個(gè)變量，完成對變量的添加。在“變量”對話(huà)框中完成對變量的編輯。變量名稱(chēng)、PLC、類(lèi)型、范圍、采集周期和組件數目都可根據實(shí)際需要進(jìn)行設置和修改。在“對象”選項中選中按鈕，然后在界面空白處左鍵拖拽，即生成按鈕圖標。在“常規”選項卡中的文本中可更改按鈕的顯示文本內容，在主界面的下方有關(guān)于此圖標的操作設置，進(jìn)行相應的修改和選擇最終達到控制要求。

　?、軐?huà)面與變量連接，然后依次點(diǎn)擊工具欄中的“編譯”和“下載”選項，完成項目的編譯和到觸摸屏的下載。

　　3 MM440變頻器的參數設置

　　西門(mén)子變頻器共有三種面板供用戶(hù)選擇，其中狀態(tài)顯示面板SDP有兩個(gè)LED指示燈，用于指示變頻器的運行狀態(tài)；基本操作面板(BOP)用于設定各種參數的數值，數值大小和單位用5位數字顯示；高級操作面板(AOP)可讀出變頻器的參數設定值，也可將參數設定值寫(xiě)入變頻器，AOP最多可存儲10組參數設定值。本文中選擇了最常用的BOP進(jìn)行變頻器的參數設置。

　　西門(mén)子MM440變頻器要實(shí)現USS通信，需要分三步進(jìn)行具體的參數設置，第一步設置P0010=30、P0970=1將變頻器參數還原為出廠(chǎng)設置，第二步修改與電機相關(guān)的各個(gè)參數，包括電機銘牌參數、斜坡上升時(shí)間和斜坡下降時(shí)間等，第三步確定通信方式和通信地址，該步的參數設置如表1所示[6]。

　　表1MM440變頻器參數設置



　　USS主站（S7-200PLC）與USS從站（傳動(dòng)裝置，即變頻器）之間的通訊是異步方式的，通訊的工作程序為后臺工作方式，發(fā)送接收數據與控制邏輯無(wú)關(guān)。用戶(hù)程序通過(guò)改變USS報文中的STW及HSW的值，來(lái)控制變頻器的啟停及改變設定頻率值。USS報文通過(guò)發(fā)送指令發(fā)送至傳動(dòng)裝置，利用接收指令接收變頻器返回的USS報文，同一時(shí)刻只能有一個(gè)發(fā)送指令或接收指令被激活。

　　1 結語(yǔ)

　　能源短缺隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展而日益嚴重，節能減排和環(huán)境保護成為當務(wù)之急。電機作為工業(yè)現場(chǎng)最為常見(jiàn)的用電設備，其節能措施，即變頻調速技術(shù)，受到技術(shù)專(zhuān)家的廣泛關(guān)注。本文中使用市場(chǎng)上流行的西門(mén)子MM440變頻器，實(shí)現了單主站和多從站的USS通信，簡(jiǎn)化了系統布線(xiàn)，提高了電機的工作性能，節省了電力并增加了可靠性，為冶金、制造、紡織等各個(gè)不同的工業(yè)現場(chǎng)提供了較好的控制方案。