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MM440变频器在USS通信下的控制研究

供稿:中国工控网 2014/3/13 9:40:19

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  • 关键词: 变频器 通信 控制 调速 系统
  • 摘要:摘要:为了降低工业现场的电机能耗,以S7-200PLC为控制主站,采用USS串行通信的方式,设计实现了PLC控制多个变频器的系统。该系统的通信控制程序编写与MM440变频器设置容易实现,底层设备布线简单,容易被技术人员接受。实验运行结果表明,整个系统可以完成分段调速、无级调速等控制要求,运行稳定可靠,有很强的实用性和较高的性价比。关键词:USS通信,MM440变频器,S7-200PLC,触摸屏

摘要:为了降低工业现场的电机能耗,以S7-200PLC为控制主站,采用USS串行通信的方式,设计实现了PLC控制多个变频器的系统。该系统的通信控制程序编写与MM440变频器设置容易实现,底层设备布线简单,容易被技术人员接受。实验运行结果表明,整个系统可以完成分段调速、无级调速等控制要求,运行稳定可靠,有很强的实用性和较高的性价比。

  关键词:USS通信,MM440变频器,S7-200PLC,触摸屏

  0 引言

  随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展,电动机的调速已不再是单一调速系统的概念。发展到今天的变频器调速控制,在工业各个领域中得到了极为广泛的应用,在现代的工业自动化控制系统中,如在纺织、轻工业、建材等领域,一种常见调速系统的是由PLC控制变频器实现多台电动机的调速控制,这种调速系统可以在PLC与变频器网络通信的基础上实现多台电机的变频调速[1]。

  控制系统可以把触摸屏、PLC和变频器用总线连接起来,通过下载到触摸屏中的项目组件和PLC中的程序实现电机的变频控制,包括启停、正反转、多段调速、无级调速和参数读写等。这里以S7-200系列PLC为控制核心,通过对TP270-6型触摸屏的操作改变PLC中的参数,实现对MM440变频器工作状态的控制。本文设计的变频调速系统,主要针对电机的变频调速及变频器网络与PLC的通信问题进行了研究。

  1调速系统构成

  1.1系统设备介绍

  整个调速系统的设备包括:上位计算机1台(安装有WinCCflexible和STEP7-MicroWIN软件)、TP270触摸屏1块、西门子224PLC、MM440变频器3台及配套电机,整个系统的结构如图1所示。

  上位机使用编程软件设计触摸屏控制画面及PLC中USS通信和控制程序,并使用RS-232串行通信的方式下载到触摸屏,使用PC/PPI的通信方式下载到PLC中,上位机在完成编辑后将与系统断开,不参与电机调速的过程。西门子触摸屏与PLC的Port1串口相连,使用MPI串行总线方式进行数据交换;S7-200PLC的Port0串口以RS-485串行总线方式连接3台变频器,MM440变频器的通信端口为29(P+)、30(N-)。

调速系统构成

  图1调速系统构成

  1.2USS通信协议

  USS协议是由SIEMENSAG定义的串行数据通讯协议,SIEMENS所有传动产品都支持这个通用协议。它与Profibus及其它协议相比,USS协议无须购置通讯附件,是一种低成本、高性能的工业网络组态连接方案[2]。

  USS协议采用主一从结构,总线上可以连接1个主站和最多31个从站,在主站没有要求从站通信时,从站不能首先发送数据,各个从站之间也不能直接进行数据传输。主站一般为PLC或者PC机,从站可以是变频器或者直流调速器.

  在其他一些串行通讯场合,例如PC机与智能终端或嵌入式系统网络之间的通信,由于缺乏现成的标准协议,用户不得不自己制定一些协议,而USS协议由于其简单、高效、灵活和易于实现,也被广泛的应用在这些场合。

  2 USS通信程序与TP270的画面设计

  2.1USS通信程序编写

  STEP7-MicroWIN编程软件有实现USS通信协议的库指令,需要进行添加及分配相应的库存储区,共包括14个子程序、3个中断程序和8条指令,编写通信程序时需要在主程序中进行指令块调用,如图2所示[3]。

图2USS通信指令的调用

  图2USS通信指令的调用

  如图2左边为初始化指令,USS_INIT中的Mode为1表示将Port0通信口用于USS协议并使能该协议;Baud为波特率的大小,可根据需要进行设置(包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200);Acitive指示驱动激活的编号,所有被激活的驱动都会在后台被自动的轮询,控制驱动的搜索状态,防止驱动的串行链接超时;Done位表示输出接通;Error的字节中存放指令的执行结果[4]。

  图2右边为变频器驱动控制指令USS_CTRL,EN位为使能端,需要使用SM0.0保持接通;RUN位表示驱动接通或断开;OFF2位用来允许MicroMaster驱动斜坡减至停止;OFF3位用来命令MicroMaster驱动快速停止;F_ACK(故障应答)位用于应答驱动的故障,当 F_ACK从0变1时,驱动清除该故障(Fault);DIR(方向)位指示驱动应向哪个方向运动;Drive(驱动地址)是MicroMaster驱动的地址,USS_CTRL命令发送到该地址,有效地址为0到31;Type(驱动类型)选择驱动的类型,对于4系列的MicroMaster驱动,类型为 1;Speed_SP(速度设定值)是驱动的速度,是满速度的百分比;Speed_SP的负值使驱动反向旋转,范围是从-200.0%至 200.0%;Error是错误字节,包含最近一次向驱动发出的通讯请求的执行结果;Status是驱动返回的状态字的原始值;Speed是驱动速度,是满速度的百分比,范围是从-200.0%至200.0%;Run_EN(RUN使能)指示驱动是运行(1)还是停止(0);D_Dir指示驱动转动的方向;Inhibit指示驱动上禁止位的状态(0--未禁止,1--禁止),要清除禁止位,Fault(故障)位必须为零,而且RUN、OFF2和OFF3 输入必须断开;Fault指示故障位的状态(0--无故障,1--有故障),要清除Fault,必须排除故障并接通F_ACK位[4]。

  2.2TP270画面设计

  在界面设计之前,要对系统进行整体分析,以便对设计的结构、功能和控制要求有较好的把握。完成触摸屏的硬件连接和软件的通信调试之后,就可以进行控制界面的设计。

  TP270-6型触摸屏的界面由WinCCflexible软件进行设计,用户主界面1个,用于显示控制原理图和进入监控界面可管理员和用户进入(需要密码),数据对象界面4个,分别是监控界面(图3)、无级变速界面(图4)、参数读界面(图5)、参数写界面(图6)。

  设计控制画面可按以下步骤进行[5]:

  ①打开WinCCflexible软件,建立新的“项目”。

  ②在“项目”窗口中,点击“对象”选项,对画面进行编辑。返回“项目”窗口中,双击“画面”选项,完成对画面的添加。在画面窗口中的菜单栏里选中“对象”选项,选择所需的图形或选件插入,然后对它们进行编辑。

  ③返回“项目”窗口,点击“变量”选项,对变量进行添加和编辑。在“项目”窗口中双击“变量”选项,这里需创建多个变量,完成对变量的添加。在 “变量”对话框中完成对变量的编辑。变量名称、PLC、类型、范围、采集周期和组件数目都可根据实际需要进行设置和修改。在“对象”选项中选中按钮,然后在界面空白处左键拖拽,即生成按钮图标。在“常规”选项卡中的文本中可更改按钮的显示文本内容,在主界面的下方有关于此图标的操作设置,进行相应的修改和选择最终达到控制要求。

  ④将画面与变量连接,然后依次点击工具栏中的“编译”和“下载”选项,完成项目的编译和到触摸屏的下载。

  3 MM440变频器的参数设置

  西门子变频器共有三种面板供用户选择,其中状态显示面板SDP有两个LED指示灯,用于指示变频器的运行状态;基本操作面板(BOP)用于设定各种参数的数值,数值大小和单位用5位数字显示;高级操作面板(AOP)可读出变频器的参数设定值,也可将参数设定值写入变频器,AOP最多可存储10组参数设定值。本文中选择了最常用的BOP进行变频器的参数设置。

  西门子MM440变频器要实现USS通信,需要分三步进行具体的参数设置,第一步设置P0010=30、P0970=1将变频器参数还原为出厂设置,第二步修改与电机相关的各个参数,包括电机铭牌参数、斜坡上升时间和斜坡下降时间等,第三步确定通信方式和通信地址,该步的参数设置如表1所示 [6]。

  表1MM440变频器参数设置

表1MM440变频器参数设置

  USS主站(S7-200PLC)与USS从站(传动装置,即变频器)之间的通讯是异步方式的,通讯的工作程序为后台工作方式,发送接收数据与控制逻辑无关。用户程序通过改变USS报文中的STW及HSW的值,来控制变频器的启停及改变设定频率值。USS报文通过发送指令发送至传动装置,利用接收指令接收变频器返回的USS报文,同一时刻只能有一个发送指令或接收指令被激活。

  1 结语

  能源短缺随着时间的发展而日益严重,节能减排和环境保护成为当务之急。电机作为工业现场最为常见的用电设备,其节能措施,即变频调速技术,受到技术专家的广泛关注。本文中使用市场上流行的西门子MM440变频器,实现了单主站和多从站的USS通信,简化了系统布线,提高了电机的工作性能,节省了电力并增加了可靠性,为冶金、制造、纺织等各个不同的工业现场提供了较好的控制方案。

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