西门子模拟量输出模块

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1. USS通信介绍

1.1. USS协议特点
USS (Universal Serial Interface, 即通用串行通信接口) 是西门子专为驱动装置开发的通信协议。USS 协议的基本特点如下：

? 支持多点通信（因而可以应用在 RS 485 等网络上）
? 采用单主站的“主－从”访问机制
? 每个网络上较多可以有 32 个节点（较多 31 个从站）
? 简单可靠的报文格式，使数据传输灵活高效
? 容易实现，成本较低

USS 的工作机制是，通信总是由主站发起，USS 主站不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否以及如何响应。从站永远不会主动发送数据。从站在以下条件满足时应答：
-- 接收到的主站报文没有错误，并且
-- 本从站在接收到主站报文中被寻址
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。对于主站来说，从站必须在接收到主站报文之后的一定时间内发回响应。否则主站将视为出错。
USS 的字符传输格式符合 UART 规范，即使用串行异步传输方式。USS 在串行数据总线上的字符传输帧为 11 位长度，如表1所示：

表1：USS字符帧

USS 协议的报文简洁可靠，高效灵活。报文由一连串的字符组成，协议中定义了它们的特
定功能，表2所示：

表2：USS报文结构

每小格代表一个字符（字节）。其中：
STX： 起始字符，总是 02 h
LGE： 报文长度
ADR：从站地址及报文类型
BCC： BCC 校验符
净数据区由 PKW 区和 PZD 区组成，如表3所示：

表3：USS净数据区

PKW： 此区域用于读写参数值、参数定义或参数描述文本，并可修改和报告参数的改变 。其中：

• PKE： 参数 ID。包括代表主站指令和从站响应的信息，以及参数号等
• IND： 参数索引，主要用于与 PKE 配合定位参数
• PWEm：参数值数据

PZD： 此区域用于在主站和从站之间传递控制和过程数据。控制参数按设定好的固定格式在主、从站之间对应往返。如：

• PZD1：主站发给从站的控制字/从站返回主站的状态字
• PZD2： 主站发给从站的给定/从站返回主站的实际反馈

根据传输的数据类型和驱动装置的不同，PKW 和 PZD 区的数据长度都不是固定的，它们可以灵活改变以适应具体的需要。但是，在用于与控制器通信的自动控制任务时，网络上的所有节点都要按相同的设定工作，并且在整个工作过程中不能随意改变。
注意：
对于不同的驱动装置和工作模式，PKW 和 PZD 的长度可以按一定规律定义。 一旦确定就不能在运行中随意改变 ；
PKW 可以访问所有对 USS 通信开放的参数；而 PZD 仅能访问特定的控制和过程数据；
PKW 在许多驱动装置中是作为后台任务处理，因此 PZD 的实时性要比 PKW 好。

1.2. S7-1200 USS通信简介

CM 1241 RS485 模块通过 RS485 端口与MM440进行通信。 可使用 USS 库控制MM440和读/写MM440参数。该库提供 1 个 FB 和 3 个 FC 来支持 USS 协议。 每个 CM1241 RS485 通信模块较多支持 16 个MM440。连接到一个 CM 1241 RS485 的所有MM440（较多 16 个）是同一 USS 网络的一部分。连接到另一 CM 1241 RS485 的所有MM440是另一 USS 网络的一部分。 因为 S7-1200较多支持三个 CM 1241 RS485 设备，所以用户较多可建立三个 USS 网络，每个网络较多 16 个MM440，总共支持 48 个 USS MM440。各 USS 网络使用各自一的数据块进行管理（使用三个 CM 1241 RS485 设备建立三个 USS网络需要三个数据块）。 同一USS 网络相关的所有指令必须共享该数据块。 这包括用于控制网络上所有MM440的 USS_DRV、USS_PORT、USS_RPM 和USS_WPM 指令。

2. 硬件需求及接线

2.1. 硬件需求
S7-1200 PLC目前有3种类型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
这三种类型的CPU都可以使用USS通信协议通过通信模块CM1241 RS485来实现S7-1200与MM440变频器的通信。
本例中使用的PLC硬件为：
1） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
2) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
3) CSM 1277 ( 6GK7 277 -1AA00 - 0AA0)
本例中使用的MM440变频器硬件为：
1） MM440 （ 6SE6440 - 2AB11 - 2AA1 ）
2） MICROMASTER 4 ENCODER MODULE （ 6SE6400 - 0EN00 - 0AA0 ）
3） SIEMENS MOTOR （ 1LA7060 - 4AB10 - Z ）
4） USS 通信电缆 ( 6XV1830 - 0EH10 )

2.2. 接线
建议使用西门子的网络插头和PROFIBUS电缆。在 S7-1200 CPU 通信口上使用西门子网络插头。
PROFIBUS 电缆的红色导线B 即 RS 485 信号 +，此信号应当连接到 MM 440 通信端口的 P+；绿色导线A 即 RS 485 信号 -，此信号应当连接到 MM 440 通信端口的 N-。

 
图1： MM440接线端子                                       表4：MM440端子定义

因为MM 440 通信口是端子连接，所以 PROFIBUS 电缆不需要网络插头，而是剥出线头直接压在端子上。如果还要连接下一个驱动装置，则两条电缆的同色芯线可以压在同一个端子内。PROFIBUS 电缆的红色芯线应当压入端子 29；绿色芯线应当连接到端子 30，如图1、表4所示。完整接线图如图2所示。

图2： S7-1200与MM440接线图

a. 屏蔽/保护接地母排，或可靠的多点接地。此连接对抑制干扰有重要意义。
b. PROFIBUS 网络插头，内置偏置和终端电阻。
c. MM 440 端的偏置和终端电阻。
d. 通信口的等电位连接。可以保护通信口不致因共模电压差损坏或通信中断。
e. 双绞屏蔽电缆（PROFIBUS）电缆，因是高速通信，电缆的屏蔽层须双端接地（接 PE）。
注意，以下几点对网络的性能有较为重要的影响。几乎所有网络通信质量方面的问题都与未考虑到下列事项有关：

? 偏置电阻用于在复杂的环境下确保通信线上的电平在总线未被驱动时保持稳定；终端电阻用于吸收网络上的反射信号。一个完善的总线型网络必须在两端接偏置和终端电阻。
? 通信口 M 的等电位连接建议单独采用较粗的导线 ，而不要使用 PROFIBUS 的屏蔽层，因为此连接上可能有较大的电流，以致通信中断。
? PROFIBUS 电缆的屏蔽层要尽量大面积接 PE。一个实用的做法是在靠近插头、接线端子处环剥外皮，用压箍将裸露的屏蔽层压紧在 PE 接地体上（如 PE 母排或良好接地的裸露金属安装板）。
? 通信线与动力线分开布线；紧贴金属板安装也能改善抗干扰能力。驱动装置的输入/输出端要尽量采用滤波装置，并使用屏蔽电缆。
? 在 MM 440 的包装内提供了终端偏置电阻元件，接线时可按说明书直接压在端子上。如果可能，可采用热缩管将此元件包裹，并适当固定。

3. 组态
我们通过下述的实际操作来介绍如何在Step7 Basic V10.5 中组态S7-1214C 和MM440变频器的USS通信。

3.1. PLC 硬件组态

首先在Step7 Basic V10.5中建立一个项目，如图3所示。

图3： 新建S7 1200项目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模块CM1241 RS485模块，如图4所示：

图4： S7 1200硬件配置

在CPU的属性中，设置以太网的IP地址，建立PG与PLC的连接，如图5所示。

图5： S7 1200 IP地址的设置

3.2. MM440参数设置

我们假定已经完成了驱动装置的基本参数设置和调试（如电机参数辨识等等），以下只涉及与 S7-1200 控制器连接相关的参数。
MM 440 的参数分为几个访问级别，以便于过滤不需要查看的部分。 与 S7-1200 连接时，需要设置的主要有“控制源”和“设定源”两组参数。要设置此类参数，需要“*”参数访问级别，即首先需要把 P0003 参数设置为 3。
控制源参数设置：
控制命令控制驱动装置的启动、停止、正/反转等功能。控制源参数设置决定了驱动装置从何种途径接受控制信号，如表5所示。

表5：控制源由参数 P0700 设置

此参数有分组，在此仅设**组，即 P0700[0]。
设定源控制参数：
设定值控制驱动装置的转速/频率等功能。设定源参数决定了驱动装置从哪里接受设定值（即给定），如表6所示。

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表6：设定源由参数 P1000 设置

此参数有分组，在此仅设**组，即 P1000[0]。
控制源和设定源之间可以自由组合，根据工艺要求可以灵活选用。我们以控制源和设定源都来自 COM Link 上的 USS 通信为例，简介 USS 通信的参数设置。

主要参数有：
1. P0700： 设置 P0700[0] = 5，即控制源来自 COM Link 上的 USS 通信；
2. P1000： 设置 P1000[0] = 5，即设定源来自 COM Link 上的 USS 通信；
3. P2009： 决定是否对 COM Link 上的 USS 通信设定值规格化，即设定值将是运转频率的百分比形式，还是**频率值。为0，不规格化 USS 通信设定值，即设定为MM440中的频率设定范围的百分比形式；为1，对 USS 通信设定值进行规格化，即设定值为**的频率数值；
4. P2010： 设置 COM Link 上的 USS 通信速率。根据 S7-1200 通信口的限制，支持的通信波特率如表7所示。

表7：通信波特率

5. P2011： 设置 P2011[0] = 0 至 31，即驱动装置 COM Link 上的 USS 通信口在网络上的从站地址；
6. P2012： 设置 P2012[0] = 2，即 USS PZD 区长度为 2 个字长；
7. P2013： 设置 P2013[0] = 4；
8. P2014： 设置 P2014[0] = 0 至 65535，即 COM Link 上的 USS 通信控制信号中断**时时间，单位为 ms；如设置为 0，则不进行此端口上的**时检查；
9. P0971： 设置 P0971 = 1，上述参数将保存入MM 440 的 EEPROM 中。

1.1 S7-1200 的PROFINET 通信口
S7-1200 CPU 本体上集成了一个 PROFINET 通信口，支持以太网和基于 TCP/IP 的通信标准。使用这个通信口可以实现 S7-1200 CPU 与编程设备的通信，与HMI触摸屏的通信，以及与其它 CPU 之间的通信。这个PROFINET 物理接口是支持10/100Mb/s的 RJ45口，支持电缆交叉自适应，因此一个标准的或是交叉的以太网线都可以用于这个接口。

1.2 S7-1200支持的协议和较大的连接资源

S7-1200 CPU 的PROFINET 通信口支持以下通信协议及服务
? TCP
? ISO on TCP ( RCF 1006 )
? S7 通信 (服务器端)

通信口所支持的较大通信连接数
S7-1200 CPU PROFINET 通信口所支持的较大通信连接数如下：
? 3个连接用于HMI (触摸屏) 与 CPU 的通信
? 1个连接用于编程设备（PG）与 CPU 的通信
? 8个连接用于Open IE ( TCP, ISO on TCP) 的编程通信，使用T-block 指令来实现
? 3个连接用于S7 通信的服务器端连接，可以实现与S7-200，S7-300以及 S7-400 的以太网S7 通信
S7-1200 CPU可以同时支持以上15个通信连接，这些连接数是固定不变的，不能自定义。

TCP（Transport Connection Protocol）
TCP是由 RFC 793描述的标准协议，可以在通信对象间建立稳定、安全的服务连接。如果数据用TCP协议来传输，传输的形式是数据流，没有传输长度及信息帧的起始、结束信息。在以数据流的方式传输时接收方不知道一 条信息的结束和下一条信息的开始。因此，发送方必须确定信息的结构让接收方能够识别 。在多数情况下TCP应用了IP (Internet protocol) ，也就是“TCP/IP 协议”， 它位于 ISO-OSI 参考模型的*四层。
协议的特点：
? 与硬件绑定的高效通信协议
? 适合传输中等到大量的数据 (<=8192 bytes)
? 为大多数设备应用提供
– 错误恢复
– 流控制
– 可靠性
? 一个基于连接的协议
? 可以灵活的与支持TCP协议的第三方设备通信
? 具有路由兼容性
? 只可使用静态数据长度
? 有确认机制
? 使用端口号进行应用寻址
? 大多数应用协议，如TELNET、FTP都使用TCP
? 使用 SEND/RECEIVE 编程接口进行数据管理需要编程来实现

1.3 硬件需求和软件需求
硬件：
① S7-1200 CPU
② S7-300 CPU + CP343-1（支持S7 Client）
③ PC（带以太网卡）
④ TP以太网电缆
软件：
① STEP 7 Basic V10.5
② STEP 7 V5.4

2. ISO on TCP 通信
S7-1200 CPU 与S7-300/400 之间通过ISO on TCP 通信，需要在双方都建立连接，连接对象选择“Unspecified”。
所完成的通信任务为：
① S7-1200将DB3里的100个字节发送到S7-300的DB2中
② S7-300将输入数据IB0发送给S7-1200的输出数据区QB0。

2.1 S7-1200 CPU 的组态编程
组态编程过程与 S7-1200 CPU 之间的通信基本相似 （见 6.3 ），这里简单描述一下步骤：
① 使用STEP 7 Basic V10.5 软件新建一个项目
在STEP 7 Basic 的“Portal View”中选择 “Create new project”创建一个新项目
② 添加新设备
然后进入“Project view”，在“Project tree”下双击“Add new device”，在对话框中选择所使用的S7-1200 CPU添加到机架上，命名为 PLC_1。
③ 为 PROFINET 通信口分配以太网地址
在“Device View”中点击 CPU 上代表PROFINET 通信口的绿色小方块，在下方会出现PROFINET 接口的属性，在 “Ethernet addresses”下分配IP 地址为 192.168.0.1 ，子网掩码为255.255.255.0。
④ 在 S7-1200 CPU 中调用“TSEND_C”通信指令并配置连接参数和块参数
在主程序中调用发送通信指令，进入“Project tree” > “ PLC_1”>“Program blocks”>“Main”主程序中，从右侧窗口“Instructions”> “Extended Instructions”>“Communications”下调用“TSEND_C”指令，并选择“Single Instance”生成背景 DB块。然后单击指令块下方的“下箭头”，使指令展开显示所有接口参数。
然后，创建并定义发送数据区 DB 块。通过“Project tree”>“ PLC_1”> “Program blocks” >“Add new block” ，选择 “Data block”创建 DB 块，选择**寻址，点击“OK”键，定义发送数据区为 100个字节的数组。
根据所使用的参数创建符号表，如图1所示。
配置连接参数，如图2所示。
配置块接口参数，如图3所示。

图1 创建所使用参数的符号表图PLC tag

图2 配置连接参数

图3 配置 TSEND_C 块参数

⑤ 调用“TRCV”通信指令并配置块参数如图6 47所示。
因为与发送使用的是同一连接，所以使用的是不带连接的发送指令“TRCV”，连接“ID”使用的也是“TSEND_C”中的“Connection ID”号，如图4所示。

图4 配置 T_RCV 块参数

2.2 S7-300 CPU 的ISO on TCP通信的组态编程
① 使用STEP 7 软件新建一个项目并进行硬件组态
创建完新项目，在项目的窗口下，右键菜单里，选择“Insert New Object”>“SIMATIC 300 Station” ，插入一个S7-300 站。
为了编程方便，我们使用时钟脉冲激活通信任务，在CPU的“Properties”＞“Cycle/Clock Memory”中设置，如图5所示。

图5 设置时钟脉冲

每一个时钟位都按照不同的周期／频率在０和１之间切换变化，见表1。
表1：时钟位频率

② 配置以太网模块
进入“HW Config”中，组态所使用的 CPU 及“CP343-1”模板。并新建以态网 Ethernet (1) ，配置“CP343-1”模板IP 地址为：192.168.0.2，子网掩码为： 255.255.255.0 。如图6所示。配置完硬件组态及属性，编译存盘并下载所有硬件组态。

图6 S7-300 硬件配置

③ 网络组态
打开 “NetPro” 配置网络，选中 CPU，在连接列表里建立新的连接并选择连接对象和通信协议，如图7所示。

图7 创建新的连接并选择 ISO-on-TCP 协议

这时会跳出通用信息，如图8所示。

图8 通用信息

然后，进入“Addresses”配置通信双方的IP 地址及TSAP 地址，如图9所示。

图9 配置通信的IP 地址及TSAP 地址

配置完连接并编译存盘后，将网络组态下载到CPU300中。

④ 软件编程
在OB1中，从“Libraries”>“SIMATIC_NET_CP”>“CP300”下，调用FC5（AG_SEND）、FC6（AG_RECV）通信指令。创建接收数据区为 DB2，定义成100个字节的数组。
CALL “ AG_RECV” //调用FC6
ID ：=1 // 连接号，要与连接配置列表中一致，见图8
LADDR ：=W#16#100 //CP的地址，要与配置中一致，见图8
RECV ：=P#DB2.DBX 0.0 BYTE 100 //接收数据区
NDR ：=M10.0 //为1时，接收到新数据
ERROR ：=M10.1 //为1时，有故障发生
STATUS ：=MW12 //状态代码
LEN ：=MW14 //接收到的实际数据长度

CALL “AG_SEND” //调用FC5
ACT ：=M0.2 //为１时，激活发送任务
ID ：=1 // 连接号，要与连接配置中一致
LADDR ：=W#16#100 //CP的地址，要与配置中一致
SEND ：=IB0 //发送数据区
LEN ：=1 //发送数据的长度
DONE ：=M10.2 //为1时，发送完成
ERROR ：=M10.3 //为1时，有故障发生
STATUS ：=MW16 //状态代码

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