西门子CPUST20

西门子CPUST20

SIMATIC S7-200 SMART，CPU ST20， 标准 CPU，DC/DC/DC， 机载 I/O： 12 个 24V DC 数字输入；8 DO 24V DC； 电源：直流 20.4-28.8V DC， 程序存储器/数据存储器 20 KB西门子CPUST20

西门子MM4系列变频器都集成了串行接口，支持USS通信协议，通过USS协议可以对变频器进行控制和读写变频器参数。使用S7-300PLC有以下两种通讯方案：

1. 按照USS协议要求编写通讯报文，计算BCC校验，适用于从站数量比较少，较简单的应用；
2. 采用DriveES SIMATIC软件提供的S7-300库程序，自动生成从站轮询表程序，适用于从站数量比较多，较复杂的应用。

本文主要介绍通过**种方案实现CPU314-2PtP与MM440的USS通讯。使用S7-300编写USS通讯程序分为以下几个步骤：

1. 依据USS协议编写报文；
2. 使用S7-300提供的串口数据发送程序发送USS报文；
3. 使用S7-300提供的串口数据接收程序接收USS报文；
4. 依据USS协议分析接收到的报文。

本文根据这4个步骤编写了如下内容：*1节简单介绍USS协议内容，了解USS协议报文格式；*2节根据USS协议列举了4条报文；*3节介绍PLC和变频器USS通讯的硬件组态；*4节介绍通过调用PLC中的发送和接收功能块实现USS协议报文的发送和接收。

1 USS协议介绍
USS协议是西门子专为驱动装置开发的通信协议。USS的工作机制是，通信是由主站发起，USS主站不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否响应主站。从站不会主动发送数据。从站在以下条件满足时应答主站：接收到主站报文没有错误，并且本从站在接收到主站的报文中被寻址，上述条件不满足或者主站发出的是广播报文，从站不会做任何响应。USS的字符传输格式为11位，其中1位起始位、8位数据位、1偶校验、1位停止位。如下表所示：

起始位	数据位								校验位	停止位
1	0	1	2	3	4	5	6	7	偶X1	1
	LSB							MSB

USS字符帧结构

 

USS协议的报文由一连串的字符组成，协议中定义了它们的功能，如下表所示：

STX	LGE	ADR	有效据区					BCC
			1	2	3	…	n

USS报文结构

 

? STX：长度1个字节，总是为02（Hex），表示一条信息的开始；
? LGE：长度1个字节，表明在LGE后字节的数量，上表中黄色区域长度；
? ADR：长度1个字节，表明从站地址；
? BCC：长度1个字节，异或校验和，USS报文中BCC前面所有字节异或运算的结果；
? 有效数据区：由PKW区和PZD区组成，如下表所示。

PKW区						PZD区
PKE	IND	PWE1	PWE2	…	PWEm	PZD1	PZD2	PZD1	PZDn

USS有效数据区

 

PKW区用于主站读写从站变频器参数：
? PKE：长度一个字,结构如下表，任务或应答ID请参考《MM440使用大全》*13章。
Bit15- Bit 12 Bit 11 Bit 10-Bit 0

Bit15- Bit 12	Bit 11	Bit 10-Bit 0
任务或应答ID	0	基本参数号PNU

PKW结构

 

变频器参数号<2000时，基本参数号PNU=变频器参数号，例如P700的基本参数号PNU=2BC（Hex）（700（Dec）=2BC（Hex））。
变频器参数号>=2000时，基本参数号PNU=变频器参数号-2000（Dec），例如P2155的基本参数号PNU=9B（Hex）（2155-2000=155（Dec）=9B（Hex））。

? IND：长度一个字，结构如下表。

Bit15- Bit 12	Bit 11- Bit 8	Bit 7 - Bit 0
PNU扩展	0（Hex）	参数下标

IND结构

变频器参数号<2000时，PNU扩展=0（Hex）。
变频器参数号>=2000时，PNU扩展=8（Hex）。
参数下标，例如P2155[2]中括号中的2表示参数下标为2。
? PWE：读取或写入参数的数值
PZD区用于主站与从站交换过程值数据：
? PZD1： 主站?从站 控制字
主站?从站 状态字
? PZD2： 主站?从站 速度设定值
主站?从站 速度反馈值
? PZDn： MM430/440支持较多8个PZD，MM420支持较多4个PZD

根据传输的数据类型和驱动装置的不同，PKW和PZD区的数据长度不是固定的，可以通过P2012、P2013 设置。本例采用4PKW，2PZD报文格式。

2 USS协议报文定义
本文通过发送4个不同功能的报文来演示自定义USS报文的方法，USS协议详细说明请参照《MM440使用大全》*13章。
例1．把参数P2155[2]的数值修改为40.00Hz

字节数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
发送报文	2	0E	1	30	9B	80	2	42	20	0	0	4	7E	0	0	3C
应答报文	2	0E	1	20	9B	80	2	42	20	0	0	FB	31	0	0	9C

报文解释：

STX	Byte1	起始字符
LGE	Byte2	报文长度（字节3到字节16共14个字节）
ADR	Byte3	从站地址
PKW	Byte4-5	PKE内容：
		Bit15- Bit 12（任务ID） =3（Hex），修改参数数值双字
		Bit15- Bit 12（应答ID） =2（Hex），传送参数数值双字
		Bit10- Bit 0（基本参数号PUN）=2155-2000（Dec）=9B（Hex）
	Byte6-7	IND内容：
		Bit15- Bit 12（PNU扩展） =8（Hex），参数号大于2000
		Bit7- Bit 0（参数下标）=2（Hex），P2155[2]
	Byte8-11	参数值，42 20 00 00（Hex）=40.0（浮点数）
PZD	Byte12-13	PZD1
	Byte14-15	PZD2
BCC	Byte16	异或校验和

注：黄色标记表示应答报文中的内容

例2．读取参数P0700[0]的数值

字节数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
发送报文	2	0E	1	12	BC	0	0	0	0	0	0	4	7E	0	0	D9
应答报文	2	0E	1	12	BC	0	0	0	0	0	5	FB	31	0	0	6C

报文解释：

STX	Byte1	起始字符
LGE	Byte2	报文长度（字节3到字节16共14个字节）
ADR	Byte3	从站地址
PKW	Byte4-5	PKE内容：
		Bit15- Bit 12（任务ID） =1（Hex），读取参数数值
		Bit15- Bit 12（应答ID） =1（Hex），传送参数数值单字
		Bit10- Bit 0（基本参数号PUN）=700（Dec）=2BC（Hex）
	Byte6-7	IND内容：
		Bit15- Bit 12（PNU扩展） =0（Hex），参数号小于2000
		Bit7- Bit 0（参数下标）=0（Hex），P700[0]
	Byte8-11	参数值，5（Hex）=5（Dec）
PZD	Byte12-13	PZD1
	Byte14-15	PZD2
BCC	Byte16	异或校验和

注：黄色标记表示应答报文中的内容

例3．不需要读写参数只发送停止变频器报文

字节数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
发送报文	2	0E	1	0	0	0	0	0	0	0	0	4	7E	0	0	77
应答报文	2	0E	1	0	0	0	0	0	0	0	0	FB	31	0	0	C7

例4．不需要读写参数只送启动变频器、设定频率50Hz报文

字节数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
发送报文	2	0E	1	0	0	0	0	0	0	0	0	4	7F	40	0	36
应答报文	2	0E	1	0	0	0	0	0	0	0	0	FF	34	3F	FF	6

例3、4报文比较简单只需要定义PZD中的内容，PKW区内容可以设置为0。
请注意：如果按照以上4个例子发送报文可能会收到与例子中不一样的应答报文，这并不代表报文存在问题，可能由于变频器状态不同或参数设置不同造成。例子报文中已经计算了BCC校验的值，如果使用其他的报文需要自己计算BCC校验。

3 硬件组态
MM4系列变频器提供的串行接口为RS485接口，S7-300 PLC有3种通讯模块支持RS485接口：

1. 采用带有集成RS485接口的CPU例如CPU31X-2PtP；
2. RS485接口的CP340通讯模块；
3. RS485接口的CP341通讯模块；

以上三种模块都可以通过下表中的接线方式与MM4变频器连接，本文中采用1台CPU314-2PtP与1台MM440通讯。

信号	CPU314-2PtP	MM430/MM440	MM420
	RS485接口针脚	端子	端子
P+	11	29	14
N-	4	30	15

S7-300 RS485接口与MM440 USS接线

 

3.1 PLC硬件组态
1) 首先打开STEP7新建项目并插入CPU314-2PtP。

2) 双击CPU314-2PtP的X2端口PtP，打开PTP属性对话框General栏，Protocol复选框中选择“ASCII”协议。

3) Addresses栏中记录起始地址“1023”，在后面的编程中使用。

4) Transfer栏中设置通讯速率“9600bps”，报文格式：“8”位数据位，“1”位停止位，“Even”偶校验，数据流控制选择“None”。

5) End Delimiter栏中设置接收报文结束方式“After character delay time elapses”利用两个报文的间隔时间来判断报文是否结束，并设置字符延时时间“4ms”（该时间可使用默认设置，默认设置时间随通讯速率不同时间也不同）。

6) Signal Assignment栏中设置串行通信接口信号模式为“Half Duplex（RS-485）Two-wire Mode”半双工两线制RS485模式，空闲状态信号状态“R(A)0v、R(B)5V”。

通过以上步骤完成对CPU314-2PtP串行接口的基本设置，如需更详细的信息请参照CPU314-2PtP手册。

3.2 变频器参数设置
与通信有关的变频参数：

参数	设置值	功能说明
P0700	5	命令源选择：com链路USS通讯
P1000	5	频率设定源选择：com链路USS通讯
P2009	0	USS规格化：不规格化
P2010	6	USS波特率：9600bps
P2011	1	USS地址：1
P2012	2	PZD长度：2个字
P2013	4	PKW长度：4个字
r2024~r2031	只读	USS诊断数据

以上参数只对与变频器USS通讯相关的参数进行介绍，变频器其他参数设置请参照《MM440使用大全》。

4 USS通讯编程

4.1 CPU314-2PtP串行接口发送和接收程序
CPU314-2PtP调用系统功能块SFB60和SFB61进行串行通讯接口数据的发送和接收，SFB60与SFB61系统功能块已经包含在CPU中，只需在OB1中直接调用并分配背景数据块即可。在本例中分配DB60为SFB60的背景数据块，在OB1中调用程序：

在SFB60发送通信块中需要对下列参数进行赋值：

REQ：	发送请求，每个上升沿发送一帧数据。
R：	终止发送。
LADDR：	PtP串口的起始地址，请查看PLC硬件配置中，PtP属性对话框Addresses栏址中显示的数值，本例中为“1023”，转化为16进制数为W#16#3FF。
DONE：	发送完成输出一个脉冲。
ERROR：	发送错误输出1。
STATUS：	发送块状态字。
SD_1：	发送数据区起始地址，发送数据区定义为DB1.DBB0开始的n个字节。
LEN：	发送字节的长度。

分配DB61为SFB61的背景数据块，在OB1中调用程序：

在SFB61接收通信块中需要对下列参数进行赋值：

EN_R：	接收使能。
R：	终止接收。
LADDR：	PtP串口的起始地址，请查看PLC硬件配置中，PtP属性对话框Addresses栏址中显示的数值，本例中为“1023”，转化为16进制数为W#16#3FF。
NDR：	接收到新数据输出一个脉冲。
ERROR：	接收错误输出1。
STATUS：	接收块状态字。
RD_1：	接收数据区起始地址，接收数据区定义为DB2.DBB0开始的n个字节。
LEN：	接收到数据的长度。

4.2 通过发送程序发送定义好的USS报文
将例子中的报文按字节顺序传送到从DB1.DBB0开始的16个字节中，设置MW104=16，当M100.0上升沿时PLC即发送一帧USS报文。如果变频器接收到的报文无误就会返回一条响应报文，需要将M200.0置1 PLC就会接收到响应报文，并把报文存储到从DB2.DBB0开始的16个字节中。

4.3使用S7-300 PLC编写BCC校验程序
在USS通讯中变频器在收到主站发送的报文后会重新计算报文的BCC校验，如果计算结果与报文传送的BCC校验不一致，那么表明变频器接收到的信息是无效的，变频器将丢弃这一信息，并且不向主站发出应答信号。所以正确计算BCC校验尤为重要。前面提到的4个例子报文中已经计算好了BCC校验，下面给出利用S7-300 PLC编程计算15个字节的BCC校验的程序。

15字节的BCC校验程序
程序中将DB1.DBB0到DB1.DBB14中的内容依次进行异或计算，并把计算结果保存到DB1.DBB15中。

1 G120 PROFIBUS通信功能概述
SINAMICS G120*二代控制单元CU240B-2 DP、CU240E-2 DP、CU240E-2 DP F支持基于PROFIBUS的周期过程数据交换和变频器参数访问。
> 周期过程数据交换--通过该通信PROFIBUS主站可将控制字和主设定值等过程数据周期性的发送至变频器，并从变频器周期性的读取状态字和实际转速等过程数据。G120较多可以接收和发送8个过程数据字。该通信使用周期性通信的PZD通道（过程数据区），变频器不同的报文类型定义了不同数量的过程数据字（PZD）。
> 变频器参数访问--提供PROFIBUS主站访问变频器参数的接口，有两种方式能够访问变频器参数：

1. 周期性通信的PKW通道（参数数据区）：通过PKW通道主站可以读写变频器参数，每次只能读或写一个参数，PKW通道的长度固定为4个字。
2. 非周期性通信：主站采用PROFIBUS-DPV1通信访问变频器数据记录区，每次可以读或写多个参数。

本文通过示例介绍S7-1200与CU240E-2 DP F的PROFIBUS PKW通信，介绍如何通过PKW通信读P2902[5]参数值、写P1121参数值。

2 参数通道(PKW)的数据结构
PKW通信工作模式：主站发出请求，变频器收到主站请求后处理请求，并将处理结果应答给主站。


图2-1 PKW通信原理

PKW通信的请求和应答数据总是包含4个字，*1个字和*2个字传送参数号、索引以及任务类型（读或写），*3个和*4个字传送参数内容。


图2-2 PKW参数通道的结构 

> PKE：PKW*1个字

? AK：位 12~15 包含了任务ID 或应答ID，任务ID参考表2-1，应答ID参考表2-2 ；
? SPM：始终为0；
? PNU：参数号 < 2000 PNU = 参数号。 参数号 ≥ 2000 PNU = 参数号减去偏移，将偏移写入分区索引中
（ IND 位 7 … 0 ）。

 
图2-3 PKW结构
 

表2-1主站发送给变频器的任务ID

 

表2-2变频器发送给主站的应答ID

应答ID = 7 变频器会在参数值PWE1中将错误号发送给主站。

 

表2-3 应答ID = 7时的错误编号

注：更多错误编号描述请参考《CU240E-2操作手册》
> 参数索引IND：PKW*2个字

? 子下标（参数下标）：标识变频器参数的子索引（参数下标）值。例如P840[1]中括号中的“1”即为参数下标。
? 分区下标：变频器参数偏移量，配合PNU确定参数号。例如P2902的分区下标 = 0x80，分区下表查询请参考表
   2-1。

图2-4 IND结构

表2-4 分区下标设置，取决于变频器参数范围

> 参数值PWE：PKW第3、4个字
参数值PWE总是以双字方式（ 32 位）发送，一条报文只能传送一个参数值。

? 32位的参数值由PWE1（*3个字）和PWE2（*4个字）两个字组成；
? 16位的参数值以PWE2表示，PWE1为0；
? 8位的参数值以PWE2中位0…7表示，高8位和PWE1为0；
? BICO参数：PWE1表示参数号，PWE2位10…15为1，PWE2位0…9表示参数的索引或位号。

3 S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS PKW通信实例

3.1 S7-1200组态
CU240E-2 DP F控制单元支持两种PKW通信报文：353报文和354报文，它们的区别在于过程值通道PZD数量的不同，PKW通道功能完全相同。本示例以组态353报文为例。
S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS通信基本组态过程以及变频器通信参数设置请参考《S7-1200与G120 CU240X-2 DP的PROFIBUS PZD通信》文档，在此不做详细介绍。

? 组态与CU240E-2 DP F通信报文

1） 将硬件目录中“SIEMENS telegr 353, PKW+PZD-2/2”模块拖拽到“设备概览”视图的*1个插槽中，系统自动分配了输入输出地址，本示例中分配PKW的输入地址IB68~IB75，输出地址QB64~QW71，分配PZD的输入地址IW76、IW78，输出地址QW72、QW74；
2）为方便编程将插槽1的PKW区重命名为“PKW”（在调用系统功能DPRD_DAT、DPWR_DAT时将用到此名字），将插槽2的PZD区重命名为“PZD”。

图3-1组态与CU240E-2 DP F通信报文

? 编程：在S7-1200中调用扩展指令“DPRD_DAT”读取PKW区数据，调用扩展指令“DPWR_DAT”写入PKW数据。

1） 双击项目树下的“Main（OB1）”打开OB1程序编辑窗口；
2） 扩展指令目录中“分布式I/O -> 其它 -> 驱动器 -> DPRD_DAT和DPWR_DAT ”指令拖拽到程序编辑窗口中。

图3-2 S7-1200编程

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配硬件标识：

1） 单击块参数“LADDR”；
2） 在下拉列表中选择“PKW[AI/AO]”。

图3-3分配硬件标识符

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配其它参数：

1） DPRD_DAT读取缓冲区从MB100开始的8个字节；
2） DPRD_DAT发送缓冲区从MB200开始的8个字节；

注意：也可以使用DB块作为缓冲区，创建DB时请将块访问模式定义为“标准-与S7-300/400兼容”模式。

图3-4分配其它参数

3.2示例1：读取参数P2902[5]数值
将MB200~MB207的8个字节请求数据发送到变频器，变频器返回的响应数据保存在MW100~MB107的8个字节中。读取参数P2902[5]值的请求数据格式参考表2.2.1，变频器响应数据格式参考表2.2.2。
P2902参数范围在2000…3999之间，根据表2-1设置分区索引值为0x80。
PNU = 2902-2000 = 902（十进制）= 386 （十六进制）。
通过变量表模拟程序读取参数P2902[5] = 100.0，参考图3-4。

图3-4 S7-1200读P2902[5]参数

 

表3-1读取参数P2902[5]值的请求数据格式，PLC -> 变频器

PKW（*1个字）MW200			MW200 IND（*2个字）MW202		MW202 PWE（*3个和*4个字）MD204
AK （4bit）	（1bit）	PNU（10bit）	子索引(参数下标) （8bit）高字节	分区索引 （8bit）低字节	PWE1 （16bit）高字	PWE2 （16bit）低字
0x1	0x386		0x05	0x80	0x0000	0x0000

 

表3-2读取参数P2902[5]值的响应数据格式，变频器 -> PLC

PKW（*1个字）MW200			IND（*2个字）MW202		PWE（*3个和*4个字）MD204
AK （4bit）	（1bit）	PNU（10bit）	子索引(参数下标) （8bit）高字节	分区索引 （8bit）低字节	PWE1 （16bit）高字	PWE2 （16bit）低字
0x2	0x386		0x05	0x80	100.0(浮点数)

3.3示例2：修改参数P1121数值
将MB200~MB207的8个字节请求数据发送到变频器，变频器返回的响应数据保存在MW100~MB107的8个字节中。修改参数P1121值的请求数据格式参考表2.3.1，变频器响应数据格式参考表2.3.2。
P1121参数范围在0…1999之间，根据表2-1设置分区索引值为0x00。
PNU = 1121（十进制）= 461 （十六进制）。
通过变量表模拟程序修改参数P1121 = 5.0，参考图2-2。

图3-5 S7-1200写P1121参数

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