USS协议控制电动机驱动器

温艳艳 （天津现代职业技术学院 天津300222）

1 使用USS协议的优点

使用USS协议对硬件设备的要求底，减少了设备之间布线的数量；无需重新布线就可以改变控制功能；可通过串行接口设置来修改变频器的参数；可连续对变频器的特性进行监测和控制；利用S7-200 CPU22X组成USS通信的控制网络具有较高的性能价格比。

2 USS通信硬件连接

①条件许可的情况下，USS主站尽量选用直流型的CPU（针对S7-200系列）。当使用交流型的CPU22X和单相变频器进行USS通信时，CPU22X和变频器的电源必须接成同相位的。

②一般情况下，USS通信电缆采用双绞线即可，如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。

③在采用屏蔽双绞线作为通信电缆时，把具有不同电位参考点的设备互联后会在连接电缆中形成不应有的电流，这些电流导致通信错误或设备损坏。要确保通信电缆连接的所有设备共用一个公共电路参考点，或是相互隔离以防止不应有的电流产生。屏蔽层必须接到外壳地上或9针连接器的1脚上。建议将变频器上的接线端2（0 V）接到外壳地上。

④尽量采用较高的波特率，通信速率只与通信距离有关，与干扰没有直接关系。

⑤终端电阻的作用是用防止信号反射的，并不用来抗干扰。如果在通信距离很近、波特率较低或点对点的通信情况下，可不用终端电阻。多点通信的情况下，一般也只需在USS主站上加终端电阻就可以取得较好的通信效果。

⑥建议使用CPU226（或CPU224+EM227）来调试USS通信程序。

⑦不要带电插拔USS通信电缆，尤其是在正在通信的过程中，这样极易损坏传动装置和PLC的通信端口。如果使用大功率传动装置，即使传动装置掉电后，也要等几分钟，让电容放电后，再去插拔通信电缆。

⑧对于变频器而言，与USS通信有关的参数有两个下标，[下标0]对应COM链路的RS-485串行接口，而[下标1]对应于BOP链路的RS-232串行接口。

3 USS协议的通信报文结构

通信报文的结构如下表1所示。每条报文都以字符STX开始，接着是长度的说明（LGE）和地址字节（ADR），然后是采用的数据字符，最后，报文以数据块的检验符（BCC）结束。通信字符格式为1位起始位，1位停止位，1位偶校验位和8位数据位。

表1 通信报文的结构图

3.1 USS协议的有关信息

3.1.1 STX区 是一个字节的ASCII STX字符（02Hex），表示一条信息开始。

3.1.2 LGE区 是一个字节，指明这一条信息中后跟的字节数目。按照USS技术说明，报文长度是可以变化的，而且报文的长度必须在报文的第二个字节（即LGE）中说明。根据配置，可以把报文定为固定的长度（参看PKW和PZD区的说明）。总线上的各个从站节点可以采用不同长度的报文。一条报文的最大长度为256个字节。LGE是根据所采用的数据字符（数量n）数、地址字节（ADR）和数据块检验字符（BCC）确定的。显然，实际的报文总长度比LGE要多2个字节，因为字节STX和LGE没有计算在LGE以内。

MICROMASTER4系列变频器既可以采用变化的报文长度，也可以采用固定的报文长度。采用哪种报文长度由参数P2012和P2013来定义PZD和PKW的长度。最常用的固定长度是4个字（8字节）的PKW区和2个字（4字节）的PZD区，共有12个数据字符，则LGE=ADR+PKW+PZD+BCC=1+8+4+1=14。

3.1.3 ARD区 是一个字节，是从站节点（即变频器）的地址。地址字节每一位的寻址如下表2所示。

表2 地址ADR的位号

从站节点地址位5是广播位。如果这一位设置位为1，其他位应设置为0，对应从站地址32，该信息就是广播信息，对串行链路上的所有信息都有效。在广播方式下，节点号不用判定。USS协议规范要求只在PKW区进行一些设置。位6表示镜像报文。节点号需要判定，被寻址的从站将未加更改的报文返回给主站。不用的位应设置为0。

3.1.4 BCC区 是长度为一个字节的校验和，用于检查该信息是否有效。它是该信息中BCC前面所有字节“异或”运算结果。

如果跟据校验和运算结果，表明变频器接收到的信息是无效的，它将丢弃这一信息，并且不向主站发出应答信号。

3.1.5 净数据区 包括PKW和PZD区，每个字节为独立的工作内容。

3.2 净数据区的详细说明

3.2.1 PKW区（参数数据区） PKW区说明参数接口的处理方式。其接口并非物理意义上的接口，而是一种机理，这一机理确定了参数在两个通信伙伴之间（控制装置与变频器）的传输方式，例如参数数值的读和写。

3.2.2 采用USS广播方式通信 采用USS广播方式通信时，所有的从站都通过一个简单的报文来寻址，这样，分成若干组的多台变频器可以实现同时启动和停车。

报文的结构：

①PKW区：必须是4个字长，而且至少应使第1个字的位15、位2和位1设置位“高”，也必须使第2个字的位15和位0设置位“高”，字3和字4随意。这就给出如下的PKW报文：8006800100000000H。当然，也可以在PKW区发送FFFFFFFFFFFFFFFFH，这使必须置1的那些位设置为“高”。广播方式下，PKW不能用于读/写参数的数值。

②PZD区：通常，PZD是2个字，链路上所有的变频器同时对命令和设定值作出反应。但各个从站不对的广播报文作出响应，不产生应答报文。这是在USS通信规程中规定的。

4 利用基本指令实现USS通信的编程

USS协议是以字符信息为基本单元的协议，而CPU22X的自由口通信功能正好也是以ASCII码的形式来发送接收信息的。利用PLC的RS-485串行口的通信，由用户程序完成USS协议功能，可实现与SIEMENS传动装置简单而可靠的通信连接。

4.1 USS点对点通信的编程要点

USS主站（PLC）与USS从站（传动装置）之间的通信是异步方式的，负责与传动装置通信的工作程序应采用后台工作方式，如何发送和接收数据与控制逻辑无关。用户程序通过改变USS报文中STW及HSW的值，来控制变频器的启停及改变设定频率值。

利用发送指令（XMT）发送USS报文至传动装置，利用接收指令（RCV）变频器返回USS报文。同一时刻，只能有一个发送指令或接收指令被激活。

USS通信程序包括通信端口初始化子程序、BCC校验码计算机子程序、数据发送子程序、数据接收子程序、通信超时响应子程序、通信流程控制子程序等。可采用中断响应的方式，也可用查询相应标志位的方式来实现。

设立发送接收数据缓存区与映像区，用户应通过改变映像区的USS发送报文值来控制传动装置，或通过读取映像区USS接收报文中的状态值来判断传动装置的当前状态。

4.2 USS多点通信的编程要点

①控制通信的基本流程同点对点的通信方式。②对各从站的控制应采取轮询方式，轮询程序同样也是后台工作的。③根据各台传动装置控制任务的轻重，在PLC数据区内建立一个从站地址表。按该地址表轮询各传动装置。采用间接寻址的编程方式，可以大大节省CPU的程序空间。④轮询地址表。虽然，USS协议的实际物理地址只有32个，但轮询地址表的大小无限制，其有效站地址可以在表中根据实际应用需要反复出现。实际轮询站点数越多，其轮询的间隔时间也越大，而表中站地址重复次数越多，其轮询的间隔时间也越小，因此必须为每个传动装置设定适当的通信超时时间以适应这种轮询间隔。⑤不同USS从站可以有不同的USS报文结构，如3PKW+2PZD、4PKW+4PZD、0PKW+6PZD等组合。但整个系统要支持广播方式，则USS网络中的所有从站都必须有相同的PKW区才行。⑥传动装置对以广播方式发送的指令做出响应后，不再回送报文，因此PLC可以不再进入数据接收状态。■

[1]李辉.S7-200PLC编程原理与工程实训[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]蔡行健.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]胡学林.可编程控制器教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4]常斗南.可编程控制器原理应用实验[M].北京：北京机械工业出版社，2010.

[5]西门子公司.可编程控制器系统手册[Z].SIM A TIC S7-200.

[6]西门子公司.操作员界面用户手册[Z].SIM A TIC TD 200.