西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8产品信息

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正确的连接是保证PLC正常工作的前提条件。连接的错误或不良不仅影响到PLC工作的可靠性与稳定性，而且还可能引起机械设备和PLC硬件的误动作一故障甚至损坏，引发火灾等安全性事故，必须予以重视。
    1．连接的基本要求
    由于PLC控制对象与PLC模块规格、型号的不同，PLC的连接可能有所区别，但总体说来，PLC的连接应遵循如下的共同原则：
    ①PLC的全部连接必须正确无误，尤其对于电源电压、控制电压的种类、电压、极性等，必须仔细检查，确保正确。
    ②PLC的连接必须保证牢固、可靠、符合规范。
    ③连接导线的绝缘等级、线径必须与负载的电压、电流相匹配；导线的颜色必须符合标准的规定。
    ④PLC的连接作业必须在断电的情况下，由具备相应资格的人员负责实施。
    ⑤PLC模块、连接电缆的插、拔应在PLC断电的情况下，按照规定的方法与步骤进行。
    ⑥接触PLC前，应通过接触接地金属部件放掉人身体上的静电。
    2．连接线的布置
    合理布置PLC连接线，可以减少、消除线路中的干扰，提高可靠性。PLC的连接线、电缆等好根据电压等级与信号的类型进行分类敷设。
    图7-5.1所示为推荐的较合理的PLC电缆敷设方式，可以供设计者参考。
    
    图7-5.1中的电缆敷设采用了“分层敷设”方式，在“走线槽”内部采用了图7-5.2所示的隔离措施；在“走线槽”外部，通过金属屏蔽外壳予以密封，这样可以起到有效防止电磁干扰的作用。

    当然，在实际使用时，考虑成本等方面的因素，要完全按照PLC生产厂家的要求布置可能会有一定的困难。即使如此，对于动力电缆与控制电缆、信号电缆还是以分开敷设为宜，在电气柜内，也尽可能予以“分槽”布置。
    3．电源线布置
    PLC对输入电源的要求相对较低，通常较容易满足要求，但是，当供电线路存在干扰或电网波动剧烈时，为了保证PLC的正常工作，应考虑在电源输入回路加隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。
    在PLC的外部电源连接方面，应考虑如下几点:
    ①PLC的输入电源、I/O电源与设备的其他电源，原则上也应分开布线，各电源回路应具有独立的保护电路。
    ②采用隔离变压器时，隔离变压器到PLC电源之间的连线尽可能短，以减小线路中的干扰。
    ③PLC的电源连接线应有足够的线径，以减小线路的压降。
    ④DC回路与AC回路应尽可能分开布线。
    ⑤当输入／输出连线无法与动力线分开敷设时，输入／输出尽可能采用屏蔽电缆，并在PLC侧将屏蔽层接地；输入信号与输出信号也不宣布置在同一电缆内，应采用单独的连接电缆。
    ⑥当输入电源可能存在较大的干扰时，应采取必要的抗干扰措施（详见下述）。
    ⑦原则上，PLC的I/O连接线不应超过20m，当大于此长度时，应采取必要的措施，防止干扰与线路压降的增大。
    ⑧扩展单元的电缆是容易受到干扰的部位，连接时应保证它与动力线的距离在30～50mm。
    4．干扰及其预防
    为了防止线路中的干扰对PLC系统可靠性的影响，可以根据如下不同情况，采取相应的措施。
    ①电源干扰。电源干扰主要来自外部线路中的雷击、设备内部的大功率负载的启动／停止、接触器等的通／断等。
    防止电源干扰的对策是在PLC电源的进线安装隔离变压器、浪涌吸收器，以吸收线路的干扰电
压：同时将PLC与设备的连线利用接地良好的金属软管等予以保护。
    ②高频干扰。高频干扰主要来自控制系统或其他设备中的高频装置。防止高频干扰的措施是在电源进线安装高频滤波器，并对电源线进行绞接处理。
    ③接地干扰。接地干扰主要是由不正确的地线或接地不良引起的。使用PLC控制的设备进线应有接地良好的地线，并且对于设备的备控制部分应采用独立的接地方式，不能使用公共地线。
    ④感性负载通断干扰。解决感性负载通断引起的干扰的方法是在感性负载的两端安装过电压吸收器。对于交流感性负载，可以采用RC抑制器与压敏电阻；对于直流感性负载，可以安装二极管、压敏电阻、RC抑制器等。
    ⑤电磁干扰。对于大功率负载的启／停、开关引起的电弧所产生的电磁干扰，应通过对开关安装金属屏蔽罩等措施进行磁屏蔽 1、安装环境的基本要求
不同厂家生产的PLC，其安装环境的要求有所区别，但总体来说，PLC的安装都应遵循如下的共同原则：
    ①安装必须牢固，避免在设备使用与运输过程中的跌落与振动。
    ②安装有PLC的电气柜，应尽量避免布置在有强烈振动与冲击的场所（PLC对振动与冲击的要求可见表7-5.1）。
    ③避免在周围有腐蚀性气体、可燃气体的场所安装。
    ④避免在周围有灰尘、导电粉尘、油雾、烟雾、盐雾的场所安装。
    ⑤避免在高温、多湿的场所或者低温的环境安装（PLC对温度与湿度的要求可见表7-5.1）。
    ⑥尽量避免PLC与高压电器设备（3000V以上）布置于同一电气柜内。
    ⑦尽量避免PLC与容易产生干扰的电气设备布置于同一电气柜内，以及使用同一电源，在不可避免时，应采取必要的措施。
    ⑧避免在周围有强磁场、强电场的场所安装PLC。    
    2．温度、湿度、振动、冲击的要求
    PLC对使用环境的温度、湿度、振动、冲击方面的基本要求一般如下：
    (1)温度  
    PLC使用时的环境温度一般应在0～55℃的范围内（保存时的温度为-20～70℃），同时应防止在阳光直接照射的场合使用。
    当环境温度无法满足以上要求时，应采取相应的措施，如在电气柜上安装空调等，保证PLC的环境温度在允许的范围。
  (2)湿度
  PLC使用的环境相对湿度一般允许为20%～90%，应避免温度变化过快所造成的结露。
  当环境湿度无法满足以上要求时，应采取安装自动除湿装置等措施。特别是冬天，在供暖装置有可能出现停止的场合，应采取必要的措施，防止温度变化造成的结露。
    (3)振动
    PLC对安装环境的振动有一定的要求，而且抗振动性能与PLC的型号（结构形式）与安装方式等因素有关。
    在结构上，一般来说I/O点固定的一体化PLC，或是基本单元加扩展型PLC的基本单元，其抗振动的性能要优于模块化结构的PLC。在安装方式上，利用螺钉安装的PLC，其抗振动的性能要优于导轨安装的PLC。
    通常情况下，利用螺钉安装的I/O点固定的一体化PLC，或是基本单元加扩展型PLC的基本单元，允许的振动强度为l9.6m/s2 (2G)左右，采用导轨安装时为9.8m/s2 (1G)左右。利用螺钉安装的模块化PLC，允许的振动强度为9.8nr/s2(lG)左右，采用35mm标准导轨安装时为4.9m/s2( 0.5G)左右。
  (4)冲击
  PLC对安装环境的冲击同样有一定的要求，而且冲击性能与安装方式等因素有关。
  通常情况下，利用螺钉安装的安装PLC，允许的冲击强度为15～30G(147～294m/s2)，采用导轨安装时为147m/s2左右。
    在具有强烈振动与冲击的场合，应采取必要的防震措施。
    对于SIEMENS公司生产的S7系列PLC，环境的具体要求如表7-5.1所示。
    3．安装空间的要求

    PLC安装空间直接影响到PLC的散热。PLC对安装空间的一般要求如下：
    ①PLC与其他电器间一般应保证垂直方向大于lOOmm、水平方向大于50mm的空间距离，并保证通风良好。
  ②PLC与其他电器或者电气柜门间的前后空间距离，一般应保证在50mm以上，并保证通风良好。
  ③在PLC的下部，应避免直接布置强发热元件（如加热器、变压器、能耗电阻等）。
  ④尽量采用垂直安装的方式安装PLC，水平布置直接影响到PLC的散热。
  ⑤PLC不应安装在电气柜的门、顶面、底面、侧面等部位。
  ⑥必须保持PLC通风窗的畅通，在使用前一定要取下通风窗的保护纸。

1 引言
　　　计算机及通讯技术已成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在系统中的比重正在迅速增加。在一个自动化系统中，交、直流调速器不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，它们相互之间及同控制系统之间可以通过各种通讯方式结合成一个有机的整体。西门子变频器USS自由口通信以其通信质量高、成本低廉在自动化系统得到了广泛的应用。本文以USS自由口通信在石油钻机电气传动系统中的实际应用为例，对自由口使用的地址分配，通信程序实现进行了较详细的分析，该思路不仅用于PLC来保证通信质量，对于用语言在PC实现的通信程序编制、提高通信的可靠性都具有一定的借鉴意义。

2 USS通信
2.1 USS概况
　　　西门子交、直流调速器采用的USS通讯协议是西门子公司为传动系统开发的通讯协议，可支持交直流驱动器同PC或PLC之间建立通讯联接，适用于规模较小的自动化系统。有以下特点:
(1) 用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子交、直流驱动器都可采用USS协议作为通信链路，原先的驱动器间是孤立的，仅有极少量通过硬件电路反馈信号。
(2) 数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。
(3) 其通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，远可达1000m，因此可有效地减少控制电缆的数量，原系统中需要20芯控制电缆一般在4根以上，现在只需工作电源就可以，从而可以大大减少开发和工程费用，提高可靠性。
(4) 通讯速率较高，可达187.5kbps。对于有5个变频器，每个调速器有六个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒。
(5) 它采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单主站、主从存取方式。报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动停止、逻辑锁定、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性与可靠性。
2.2 西门子USS通信协议 [1]
(1) 协议概况
●Siemens驱动器所定义的USS协议，是Profibus通信协议的简化，通过其总线可以连接31个节点，传输速率可以达到19.2k比特率，通过主站(PC、PLC)进行控制。
●USS总线上的每个传动装置都有一个站号，主站通过它识别每个传动装置。
●USS可以是主从结构:从站回应主站发来的报文并发送报文。也可以是广播通讯方式:报文同时发送给所有的传动装置。
(2) 协议说明
所有数据报文都由14个字节组成，是标准的异步报文格式:1个起始位，8个数据位，一个偶校验位和一个停止位。数据报文的结构如下:
主站到从站的报文格式:

从站到主站的报文格式:

(3) USS协议报文描述
●STX STX是单字节的ASCⅡ STX字符(值为02),表示报文的开始。
●LGE LAE是单字节区域，表示报文中LAE区域后的字节数。
●ADR ADR是单字节区域，包含从站传动装置的地址::

　　　其中位5是广播位。选择是否将这报文以广播方式发送给总线上的所有驱动器，位0~4是驱动器总线地址。
●BCC BCC是单字节区域，对报文中该区域以前所有的字节进行异或校验。
●IND IND是16位的区域，通用传动装置应设为0。
●PKE PKE是16位的区域，用来控制传动装置的参数读写，定义如下:位0~10为参数号，位12~15为参数读写控制，如2038H，2代表读参数，38H表示十进制ID为56的参数。
●VAL VAL是16位的区域，通过读写参数命令将参数值写到对应的参数ID中。
STW是16位的控制字区域，控制传动装置的运行，如047F表控制电机正向运行。
ZSW是16位的状态字区域，表示传动装置不同的运行状态。
●HSW/HIW HSW是设定电机速度的16位的区域。如4000H对应额定速度的
HIW是读取电机速度的16位区域，可以读出电机速度。如当前转速=(HIW×额定速度)/4000H。

3 自由口设定
3.1 钻机传动系统设备配置
　　　多年来，我国钻机市场一直以机械钻机为主，通过柴油发电机带动变速齿轮箱来调节绞车和泥浆泵的转速，效率低下，耗能高，故障率高。随着国际钻机市场电驱动钻机的推广与普及，我国的钻机经历了购买二手旧钻机，进口新钻机到自主生产的过程，在此基础上，钻机也进行了一次大的更新，从模拟电路控制直流传动到数字化的直流传动设备，再到到高性能的具有通信功能的传动设备;在钻机实现自动化过程也经历了由继电器到开关量PLC再到高性能PLC(模拟量+总线通讯)的过程，现阶段钻机设备配置以高性能PLC控制为主，通过通讯功能读取数据和并根据工况改写驱动器的相关数据，这样先进的控制理论(模糊控制、神经网络控制等)就很容易的通过上位机实现，从而控制交直流驱动器实现调速的智能化。该系统通过S7-200 CPU226作为主站，五台6SE71系列变频器作为从站，其中650kW的变频器带动绞车/钻机，500kW的变频器两两同步工作，带动1300系列的泥浆泵，参见图1。

图1 USS通讯系统配置

3.2 自由口用户数据存储器[3]

在USS协议中，用户数据存储器分配如附表:

附表

驱动器参数设定区 VB0-VB39共40个字节
发送/接受缓冲区 从VB40开始，用户自由分配
系统数据区 VB4022-VB4095共74个字节
　　　其中驱动器参数设定区主要完成从站数目(VB0)、每个从站LAE长度设定(VB1-VB31)、广播传送方式LAE(VB33)长度、传送时间(VW34)，初始化发送/接受缓冲区首地址(VD36)(设定值为VB40-VB4021)，其中V表示可变、B为字节、W为字、D为双字。
3.3 用户数据区设定
　　　在USS协议中每个从站需要44个字节，发送/接受缓冲区各占22个字节(对应从站+USS协议(发送+接受)+状态位)，其中状态位表示数据发送状态，在该系统中发送/接收首地址设为VB2000，用户数据区以循环方式传送数据时分配如下:
绞车:从站1，地址 VB2000-2043
泥浆泵1的A变频器:从站2，地址 VB2044-2087
泥浆泵1的B变频器:从站3，地址 VB2088-2131
泥浆泵2的A变频器:从站4，地址 VB2132-2175
泥浆泵1的B变频器:从站5，地址 VB2176-2219
以广播方式发送数据时地址如下:
只有发送缓冲区:VB2220-2263，接受缓冲区同上
　　　定义完数据区后，就可以根据每个地址的功能，在PLC编程时写入相应的控制字就可以完成控制功能。
3.4 通信功能设定
　　　CPU处于STOP模式时，自由端口模式为禁止，建立与其它协议的通讯，只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由口模式，这时通过自由口控制字SMB30来完成设置，如:MOVB16#49，SMB30就将自由口0设为自由端口协议，波特率9600kbps，数据位为8，偶校验。

4 程序编制[2][3]
　　　系统功能由主程序OB1和三个子程序SBR0、SBR1和SBR2组成。图2列出主要程序段的工作流程。

图2 主要程序段的工作流程图

(1) OB1:完成循环调用子程序功能
(2) SBR0:系统初始化
(3) SBR1:通讯中断/事件调用(中断0~中断7，根据通信协议完成数据的传送和接收功能)
(4) SBR2:按照前面的分配地址和要实现的功能编写功能程序，实现要求的输入输出信号间的逻辑功能、数字滤波、PI调节，以及变频器参数的读写，控制字和速度给定的发送，变频器工作状态的读取等功能。
(5) 中断0:完成发送/广播的初始化，监视发送过程、监视发送延时、发送错误
(6) 中断2:发送完成
(7) 中断3~6:接收到基本接收缓冲区后，进行校验，校验数后翼数据块的方式将数据发到当前站的数据接收缓冲区。
(8) 中断7:接受任何一个字符超过时间，执行中断7，进行状态复位，结束中断。

5 变频器设定[4]
　　　变频器选用MASTERDRIVER 6SE71系列工程型变频器，工作电机为永济电机厂生产风冷方式的鼠笼式三相异步交流变频电机，变频器控制方式采用矢量控制控制，负载模式选为标准，通过变频器进行电机识别后即可使用，通信接口对应接口板CUVC上的X101端子10(RS485P)，11(RS-485N)，电机起停控制位P554.1=6100，其余控制位(停车方式、旋转方向等)依次类推。P734.1~16读取需要采集的电机参数在变频器中的连接字地址编号;P918.0/从站地址和PLC设定保持一致;P053=34(PMU+SST2);同时控制字的第十位必须为1来激活通信;再将通信所发控制字及给定发到接口地址……;同时在总线起端和末端接终端电阻。
同时为了降低电磁干扰，采用屏蔽的双绞线，其中屏蔽线单端接地。