西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0技术数据
西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0技术数据
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。在工业控制中，交流电机的拖动越来越多的采用变频器完成，不仅作为一个单独的执行机构，而是随着不断的智能化，同远程计算机之间可以通过各种通讯方式结合成一个有机的整体。在实际工程实施时，变频器的启动、停止、方向、告警、故障指示以及故障复位等控制通常为端子排开关信号控制方式，速度控制采用模拟量给定值控制方式来完成。由于变频器的输出端会产生强烈的干扰信号，控制器有时会造成误动作的情况。当控制距离遥远时，还存在敷线工程量过大的问题。随着现场总线的底层控制网络的发展，变频器生产厂家推出了具有数据通信功能的产品，采用RS-485通信接口用于系统配置和监控是一种低成本的连接方案。
2 西门子变频器的USS控制协议
2.1 USS协议的特点
USS是西门子公司为变频器开发的通信协议，可以支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，常适合于规模较小的自动化系统。它以主从方式构成工业监控网站，在网络内有一个主站，1～31个从站，各站点有唯一的标识码识别。
这种结构的特点是:用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子变频器都可以采用USS协议作为通信链路。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。通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，远可达1000m，因此可有效地减少电缆的数量，从而可以大大减少开发和工程费用，并极大地降低客户的启动和维护成本;通信效率较高，可达187.5kbit/s。对于有10个调速器，每个调速器有6个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒，采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单位站、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、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性和可靠性。利用西门子变频器的主机上提供的USS接口，仅在终端机中插入一RS-485通信板，就可实现变频器的全部远程控制。
2.2 USS协议的通信数据格式
USS协议的通信字符格式为一位起始位、一位停止位、一位偶校验位和八位数据位。数据报文大长度位256个字节，包括3字节的头部、1字节的校验码和主数据块，数据块按照字的方式组织，高字节在前。通信数据报文格式如表1所示。
表1 USS协议的通信数据报文格式
表中:STX—起始字符，为02Hex;LGE—报文长度，为n+2，3≤n≤254;ADR—从站地址码，其中bit0～bit4表示从站地址，bit5为1表示广播发送，bit6为1表示镜像发送，用于网络测试，bit7为1表示特殊报文;BCC—校验字符，为从STX开始所有字节的异或和。
在一帧内完成过程控制数据的同时，可以通过指定参数号完成设备控制参数的读写。数据快由参数值域(PKW)和过程数据域(PZD)组成，二者均为变长数据，其格式如表2所示。
表2 数据快的格式
表中:PKW域—参数值域，由参数识别码、子参数号和参数值构成，参数个数可根据设备的定义值大可有124个字;PZD域—过程控制数据域，包括控制字/状态字，设定值/实际值，多16个字;PKE参数识别码;IND用来指定某些数组型设备参数的子参数号。
对于SIEMENS的MMV/MDV变频器，协议有所简化:
IND固定为0;PKW为3字格式，即只有PWE1;PZD域的PZD1是控制字/状态字，用来设置和监测变频器的工作状态;PZD域的PZD2设定频率。
3 PLC控制变频器的程序设计
PLC通讯程序采用子程序方式编制，主控程序对变频器的控制通过调用有关子程序发送命令完成。数据接受由后台中断程序完成。发送命令子程序将变频器目标速度值和命令参数加工为USS协议格式，发送出去，并设置发送标志，复位接受完成标志，并开允许接受中断和定时中断。
当变频器发送响应报文时，激活后台中断程序接受变频器的状态值和当前速度值，存入接受缓冲区，并复位发送标志，设置接受完成标志。
3.1 主控程序
按照采样时间间隔，主控程序根据发送标志和接受完成标志，检查变频器接受缓冲区内容，并进行相应的处理。通讯程序由通信口初始化、运行、停止、速度设定等5个子程序和一系列中断服务子程序构成，主控程序的流程如图1所示。
3.2 通讯子程序
通讯子程序如下:
SBR0
//通讯初始化程序
MOVB 16#49，SMB30
//初始化P0为9600kb，8bit，偶校验
MOVB 14，“P0－ST-LEN”
//设置发送缓冲区，发送字符数
MOVB 16＃2，“P0－ST-STX” //STX
MOVB 12，“P0－ST-LGE” //LGE
MOVB 0，“P0－ST-ADR” //主站地址
MOVB 255，“TO”
ENI
ATCH 4，25
ATCH 6，11
RET
SBR2
//电机启动子程序
MOVB BPADR，，“P0－ST－ADR”
//取主控缓冲区的从机地址
MOVW 16＃0C7F，“P0－ST－PZD0”
//设定停止电机启动、正转
CALL “Send-BP”
//调用发送程序
RET
SBR 4
//设定电机速度电机运行子程序
MOVB“BPADR”，“P0－ST－ADRS”
//取主控缓冲区的从机地址
MOVW 16＃0C7F，“P0－ST-PZD0”
//设定电机启动、正转
MOVW “BIT/SP”，“P0－ST-PZD1”
//取主控缓冲区的速度值
LDW＞＝“P0－ST－PZD1”，16＃4000
//判断是否超过大速度
MOVW 16＃4000，“P0－ST-PZD1”
CALL “Send-BP”
//调用发送程序
RET
SBR5
//发送程序Send-BP
MOVD &VB3500，ACO
//计算BCC
MOVB 14，AC1
//循环计算BCC，存入“P0－ST-BCCS”置位重发次数计数器
XMT “P0-ST－LEN”，0
//发送
ATCH 0，9
//发送结束中断的中断服务程序号
MOVB 100，“h”
//定时时间100ms
ATCH 1，10
//定时中断处理，未接受倒数据，重发数据
RET
3.3 中断接收子程序
中断接收子程序由一系列服务程序组成，包括3种情况。
(1) 判断中断接收的起始3个字符是否为制定字符，是将接收中断指针指向下一个中断程序，复位定时器，同时异或计算BCC值;否则将关闭接收中断，等待定时中断进行错误处理。
(2) 对于数据块的接收，采用计数方式控制，当计数为零时，计算的BCC值应为0，否则关闭接收中断。
(3) 定时中断激活时表示接收超时，重发次数值减1，如果不为0，则自动将发送缓冲区的内容重新发送;为0，置位错误标志。
4 结束语
在变频拖动工程应用中，传统的方法是采用开关量和模拟量信号对变频器进行控制，信号容易受到干扰，出现控制上的错误。采用基于RS-485接口的USS通信协议对变频器进行控制的方法，大大 减少了系统布线，可以避免现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响，有效地提高系统的抗干扰能力。
（1）被控对象对控制的要求 如图5-17a所示送料小车在限位开关X4处装料，20s后装料结束，开始右行，碰到X3后停下来卸料，25s后左行，碰到X4后又停下来装料，这样不停地循环工作，直到按下停止按钮X2。按钮X0和X1分别用来起动小车右行和左行。
图5-17 送料小车自动控制
a）小车运行示意图 b）梯形图
（2）程序设计思路 以众所周知的电动机正反转控制的梯形图为基础，设计出的小车控制梯形图如图6-17b所示。为使小车自动停止，将X3和X4的常闭触点分别与Y0和Y1的线圈串联。为使小车自动起动，将控制装、卸料延时的定时器T0和T1的常开触点，分别与手动起动右行和左行的X0、X1的常开触点并联，并用两个限位开关对应的X4和X3的常开触点分别接通装料、卸料电磁阀和相应的定时器。
（3）程序分析 设小车在起动时是空车，按下左行起动按钮X1，Y1得电，小车开始左行，碰到左限位开关时，X4的常闭触点断开，使Y1失电，小车停止左行。X4的常开触点接通，使Y2和T0的线圈得电，开始装料和延时。20s后T0的常开触点闭合，使Y0得电，小车右行。小车离开左限位开关后，X4变为“0”状态，Y2和T0的线圈失电，停止装料，T0被复位。对右行和卸料过程的分析与上面的基本相同。如果小车正在运行时按停止按钮X2，小车将停止运动，系统停止工作。
本文介绍16路热电偶采样的PLC（型号为EASY-A1600N），然后针对一个具体应用作详细说明。
部分：关于EASY-A1600N简要介绍
EASY-A1600N功能：
接收任意分度号的热电偶输入；
内置可编程增益放大器，可用梯形图控制；
AD采样12位精度；内置mV(毫伏)---T（温度）非线性转换函数，转换特性由梯形图指定；
指令和通信均兼容FX2N，因此与人机界面、组态软件及FX2N可以高效连接；
双排显示功能，用梯形图进行显示控制：如代码显示、数值显示；
支持CAN总线，可作为CAN主站或从站；下辖CAN网络，上接计算机（RS232）；
EASY-A1600N硬件对应的控制说明：
1、外接输入通道对应的软件资源：
通道
软资源
通道
软资源
通道
软资源
通道
软资源
AI00
D5000
AI04
D5004
AI08
D5008
AI12
D5012
AI01
D5001
AI05
D5005
AI09
D5009
AI13
D5013
AI02
D5002
AI06
D5006
AI10
D5010
AI14
D5014
AI03
D5003
AI07
D5007
AI11
D5011
AI15
D5015
2、自带双排数码管对应的软元件：
显示模式： 两种模式
模式0 (MODE_FLAG=0) 模式1 (MODE_FLAG=1)
模式切换方法：同时按下FUN，UP，DOWN键5秒。
模式0：编程显示模式：
显示方式控制字：D5195
D5195_b15=0,按以下方式进行显示。
模式0的四种显示方式
D5195_b15=0
上排数码管显示方式
内容
下排数码管显示方式
内容
十进制方式(b3b2=00)：0
D5196
十进制方式(b1b0=00)：0
D5198
十六进制方式(b3b2=01)：1
D5196
十六进制方式(b1b0=01)：1
D5198
代码方式(b3b2=10)：2
D5196，D5197
代码方式(b1b0=10)：2
D5198，D5199
保持以前方式(b3b2=11)：3
保持以前方式(b1b0=11)：3
说明：
当用十进制显示时，若显示内容为D5196的值，若值超出9999，则显示9999。
当用代码方式显示时，其控制位与各段对应关系如下：
视窗码段设定：
上排显示单元码段与数据位对应关系
码段
h1
g1
f1
e1
d1
c1
b1
a1
h2
g2
f2
e2
d2
c2
b2
a2
D5196
b15
b14
b13
b12
b11
b10
b9
b8
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
码段
h3
g3
f3
e3
d3
c3
b3
a3
h4
g4
f4
e4
d4
c4
b4
a4
D5197
b15
b14
b13
b12
b11
b10
b9
b8
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
下排显示单元码段与数据位对应关系
码段
h1
g1
f1
e1
d1
c1
b1
a1
h2
g2
f2
e2
d2
c2
b2
a2
D5198
b15
b14
b13
b12
b11
b10
b9
b8
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
码段
h3
g3
f3
e3
d3
c3
b3
a3
h4
g4
f4
e4
d4
c4
b4
a4
D5199
b15
b14
b13
b12
b11
b10
b9
b8
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
当对应位为0时，对应码段点亮；当对应位为1时，对应码段熄灭。
D5195_b15=1,以固有显示模式显示数据。
固有显示模式，此处略。
3、自带按键对应的软元件
模块自带三个按键，按键指定为M0，M1，M2，可由梯形图编程使用。
当键按下时，对应辅助继电器ON；松开按键时，对应辅助继电器OFF。
4、内部辅助输入对应的软资源：
环温AD输入通道：D5098。
CPU内部热电阻AD输入通道：D5099。
第二部分：用EASY-A1600N进行16路K分度采样并将采样数据送计算机。
技术要求：
16通道都接热电偶，采集温度0-300度。
300度对应的电压为12.21mV,因此PLC的PGA可设定为2，PGA（可编程增益放大器）为2时，可对0-15mV的信号进行有效处理。
本例对AD值不进行梯形图滤波，而直接调用温度转换函数，转换后的温度存放在D10-D25的寄存器中，带有一位小数。如120.4度，寄存器中内容为K1204。
EASY-A1600N适用于慢信号采集，每通道采集时间为82 ms,因此全程采样时间为18*82=1476 ms 。
A1600N自带显示，上部显示温度，下部显示通道号，按增减键可人工进行查看。按FUN键可以按设定时间进行巡检D10---D25。
本例将编程口留给人机界面或组态连接连接，而用串口1按照计算机链接方式协议用VB示例将PLC与计算机进行连接。
计算机与PLC通信提供的是一个读写程序。
