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上海朕锌电气设备有限公司
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西门子数字量模块输出
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1.1. USS协议特点
? 支持多点通信（因而可以应用在 RS 485 等网络上）
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：
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
每小格代表一个字符（字节）。其中：
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：
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：
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。
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。
2.1. 硬件需求
2.2. 接线
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。
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。
? 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。
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。
在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模块CM1241 RS485模块，如图4所示：
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。
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。
此参数有分组，在此仅设**组，即 P0700[0]。
此参数有分组，在此仅设**组，即 P1000[0]。
主要参数有：
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；
已经具备技术条件实现过程工业的数字化转型
任何规模的新建工厂和现有工厂都能实现数字化
数字化双胞胎有助于提高灵活性、效率和质量，并缩短产品上市时间
目前，过程工业的数字化转型正全速进行。在2018年德国阿赫玛展（ACHEMA 2018）上，西门子的参展主题为“加快数字化转型：从一体化工程到一体化运维”。在1300平米左右的展台上展示的数字化企业解决方案组合，现在即可助力过程工业企业充分利用“工业4.0”的优势。该解决方案组合涵盖硬件、软件和服务，面向来自过程工业各种规模、不同领域的企业。“我们是率先在工厂整个生命周期提供端到端数据模型的供应商，从一体化工程和一体化运维到基于数据的服务等。数字化双胞胎使用户能实现更大灵活性，缩短产品上市时间，提高运营效率并提升产品质量。”西门子股份公司过程工业与驱动业务集团**执行官Jürgen Brandes表示，“凭借这一成就，我们已经为实现工业4.0做好了技术准备。我们与合作伙伴携手共创，致力于开发创新产品及服务所需的专业知识。”
西门子通过一系列客户案例展示数字化为现有工厂和新建工厂带来的益处。其中之一是涂料生产商多乐士利用西门子解决方案组合实施其一个“数字化涂料工厂”项目。多乐士致力于确保生产达到始终如一的高质量标准，并通过足够大的灵活性来满足客户的个性化需求。它所实施的数字化解决方案允许实现单件生产，这意味着批次产量从5000升涂料降至仅100升。
在弗莱堡工厂，辉瑞制药有限公司通过西门子解决方案加强了用于**癌症和心脏病以及缓解疼痛的片剂和胶囊生产的自动化和数字化生产。其目标是能够快速响应不断变化的市场需求，同时确保一贯的高质量标准。产量变化过去需要长达四个月时间来实现必要的调整。如今，辉瑞能够在几分钟内适应新的市场需求。
无论是新建工厂还是现有工厂，在阿赫玛展会上，西门子都展示了不同领域不同规模的企业如何轻松进行数字化转型。根据数字化程度的不同，用户能够选择实施全面的数字化企业产品组合或仅实施个别的数字化应用。基于其**良好的自动化和驱动产品组合，西门子凭借数字化企业使得基于工业标准的全新技术理念具备普适性，譬如模块化工厂建设，而这能为供应商和工厂运营商带来较大的灵活性。西门子在阿赫玛展会上所展示的一些具体应用和成功案例体现了用户可以通过多种方式充分挖掘数字化潜力。
另外，西门子还展示了全新可扩展的、开放式纵向和横向一体化的连接方法，如基于Namur开放式架构（NOA）标准或Sidrive IQ数字化平台。NOA组件使所谓的*二数据通道成为可能，从而实现现场数据到云解决方案的直接连接。Sidrive IQ是用于采集和分析驱动数据的新型数字化平台，使用基于云的开放式、工业级物联网操作系统MindSphere。
工厂流程可以通过多种不同的APP进行优化以提高工厂绩效。如，一个被称为“阀监测维护”（Valve Monitoring Maintenance）的云端APP助力许多不**业减少阀维护的工作量。另一个APP“控制性能分析”（Control Per-formance Analytics），则利用托管服务方法控制回路分析，使用直接从过程控制系统采集的数据。同样，在网络安全领域，西门子也在推动发展，凭借其“纵深防御”理念，为业界提供一系列工厂和网络安全产品及服务组合。
西门子在本次展会上的另一个亮点是一个面向未来的展区reThink Tank。在这里，参观者将**会通过虚拟的互动旅程发现过程自动化的新阶段，预览过程控制技术不远的将来，体验不同的技术阶段和用例。
根据倡导持续重新评估现状和持续优化过程装置的reThink原则，西门子将为未来的过程工业提供较重要的驱动力。西门子在这里采取的方法是开创性的。“只有很快认清并把握机会，客户才能充分利用数字化转型，确保其装备精良并具备面向未来的能力，从而很好地应对特定市场的需求。”西门子股份公司过程工业与驱动集团过程自动化业务**执行官兼阿赫玛展西门子展位主管Eckard Eberle表示，“我们的任务是在这方面为客户提供支持，不仅提供我们的‘数字化专业知识’，而且为其带来全面的行业相关知识和具体的行业解决方案，而这既适用于新建工厂，也适用于现有工厂。”
另外，在西门子展位上较为引人注目的是两个“立方体展区”，展示来自化工和制药行业的实际应用。
“化工立方体展区”展示了一个真实分离塔的虚拟3D模型，这个分离塔来自位于德国卡尔斯鲁厄的Siemens Process Automation World（西门子过程自动化世界）。数字化双胞胎展示工厂不同部分的生命周期，并描绘了自动化和数字化在每个工程和运营阶段所带来的可能性。针对此应用开发的解决方案非常注重客户的需求。除工厂可靠性、高水平的可用性和快速调试外，高效维护概念也在其中起着决定性作用。西门子以泵维护系统为例演示了一个旨在实现预测性和经济性工厂维护的解决方案，以Simatic PCS 7和Comos MRO交互式应用为基础。该维护理念还辅以支持对工厂进行虚拟3D描述的Comos Walkinside，以及资产性能套件APP，比如“阀监测”（Valve Monitoring）、“泵监测”（Pump Monitoring）和“驱动系统分析”（Drive Train Analytics）。
*二个“立方体展区”侧重于与制药行业相关的问题，如质量保证、合规、缩短将产品推向市场的时间以及提高生产率和灵活性等。通过“制药立方体展区”，西门子还向观众展示了如何创造必要条件以通过大量分析来提高对过程的认识。西门子以酵母细胞发酵为例展示了携手开发合作伙伴可取得的成果。Eberle解释说：“将整个流程集成于制造执行系统（MES）、支持组件自动识别的Profinet即插即用功能和无纸化制造只是制药业众多数字化应用中的几个示例：数字化可以改变制药行业，改善研究和药物生产（包括单件生产）的经济性。”
1. USS通信介绍
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：
? 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
-- 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
定功能，表2所示：
表2：USS报文结构
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
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。
2. 硬件需求及接线
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 )
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
图2： S7-1200与MM440接线图
b. PROFIBUS 网络插头，内置偏置和终端电阻。西门子数字量模块输出
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：
? 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。
图3： 新建S7 1200项目
图4： S7 1200硬件配置
图5： S7 1200 IP地址的设置
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
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。
表6：设定源由参数 P1000 设置
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。
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。
4
2400 bit/s
5
4800 bit/s
6
9600 bit/s
7
19200 bit/s
8
38400 bit/s
9
57600 bit/s
12
115200 bit/s
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。
西门子依托“数字化企业”实现过程工业的数字化转型
西门子数字量模块输出