西門子交流6SE7023-2EA87-2DA1

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西門子S7-1200 緊湊型PLC在當(dāng)前的市場中有著廣泛的應(yīng)用，作為經(jīng)常與SINAMICS G120系列變頻器共同使用的PLC，其USS通信協(xié)議的使用一直在市場上有著非常廣泛的應(yīng)用。本文將主要介紹如何使用USS通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)S7-1200與G120變頻器的通信。

1．控制系統(tǒng)原理和接線圖

下圖是本例中所使用的原理和接線圖。

圖1:控制系統(tǒng)原理和接線圖

2．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3種類型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
這三種類型的CPU都可以使用USS通信協(xié)議通過通信模塊CM1241 RS485來實(shí)現(xiàn)S7-1200與G120變頻器的通信。

本例中使用的PLC硬件為：
1）PM1207電源 ( 6EP1 332-1SH71 )
2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
4) 模擬器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0XA0 )

本例中使用的G120變頻器硬件為：
1） SINAMICS G120 PM240 （6SL3244-0BA20-1BA0）
2） SINAMICS G120 CU240S（6SL3224-0BE13-7UA0）
3） SIEMENS MOTOR (1LA7060-4AB10)
4） 操作面板 ( XAU221-001469)
5） USS 通信電纜 ( 6XV1830-0EH10)

3．軟件需求

1) 編程軟件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．組態(tài)

我們通過下述的實(shí)際操作來介紹如何在Step7 Basic V10.5 中組態(tài)S7-1214C 和G120變頻器的USS通信。

4. 1 PLC 硬件組態(tài)

首先在Step7 Basic V10.5中建立一個項(xiàng)目，如圖1所示。

圖2： 新建S7 1200項(xiàng)目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模塊CM1241 RS485模塊，如圖2所示。

圖3： S7 1200硬件配置

在CPU的屬性中，設(shè)置以太網(wǎng)的IP地址，建立PG與PLC的連接，如下圖所示。

圖4： S7 1200 IP地址的設(shè)置

4. 2 G120參數(shù)設(shè)置

變頻器的參數(shù)設(shè)置如下表所示。

表1 ：G120變頻器的參數(shù)設(shè)置

注意：表1中的17，18，19，20 這四項(xiàng)參數(shù)值的設(shè)置必須使PLC的參數(shù)值與變頻器的參數(shù)值相*。而19，20這兩個參數(shù)值必須設(shè)置成如表1中的值，否則有可能變頻器與S7-1200通信有如下問題：可能不能讀出從變頻器反饋回來的參數(shù)值。

5．USS通信原理與編程的實(shí)現(xiàn)

5. 1 S7 1200 PLC與G120 通過USS通信的基本原理

S7 1200提供了的USS庫進(jìn)行USS通信，如下圖所示：

圖5： S7 1200 的USS庫

        USS_DRV 功能塊是S7-1200 USS通信的主體功能塊，接受變頻器的信息和控制變頻器的指令都是通過這個功能快來完成的。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。
        USS_PORT功能塊是S7-1200與變頻器USS通信的接口,主要設(shè)置通信的接口參數(shù)。可在主OB或中斷OB中調(diào)用。
        USS_RPM功能塊是通過USS通信讀取變頻器的參數(shù)。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。
        USS_WPM功能塊是通過USS通信設(shè)置變頻器的參數(shù)。必須在主 OB中調(diào)用，不能在循環(huán)中斷OB中調(diào)用。

這些功能塊與變頻器之間的控制關(guān)系如下圖所示：

圖6： USS 通信功能塊與變頻器的控制關(guān)系

        USS_DRV功能塊通過USS_DRV_DB數(shù)據(jù)塊實(shí)現(xiàn)與USS_PORT功能塊的數(shù)據(jù)接收與傳送，而USS_PORT功能塊是S7-1200 PLC CM1241 RS485模塊與變頻器之間的通信接口。USS_RPM功能塊和USS_WPM功能塊與變頻器的通信與USS_DRV功能塊的通信方式是相同的。

        每個S7-1200 CPUzui多可帶3個通信模塊，而每個CM1241 RS485通信模塊zui多支持16個變頻器。因此用戶在一個S7-1200 CPU中zui多可建立3個USS網(wǎng)絡(luò)，而每個USS網(wǎng)絡(luò)zui多支持16個變頻器，總共zui多支持48個USS變頻器。

5. 2 S7 1200 PLC進(jìn)行USS通信的編程

1．USS通信接口參數(shù)功能塊的編程
USS通信接口參數(shù)功能塊的編程如下圖所示。

圖7： USS通信接口參數(shù)功能塊的編程

USS_PORT功能塊用來處理USS網(wǎng)絡(luò)上的通信，它是S71200 CPU與變頻器的通信借口。每個CM1241 RS485模塊有且必須有一個USS_PORT功能塊。

PORT：指的是通過哪個通信模塊進(jìn)行USS通信。
BAUD：指的是和變頻器進(jìn)行通行的速率。 變頻器的參數(shù)P2010種進(jìn)行設(shè)置。
USS_DB：指的是和變頻器通信時的USS數(shù)據(jù)塊。每個通信模塊zui多可以有16個USS數(shù)據(jù)塊，每個CPUzui多可以有48個USS數(shù)據(jù)塊，具體的通信情況要和現(xiàn)場實(shí)際情況相。每個變頻器與S7-1200進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)塊是*的。
ERROR：輸出錯誤。
STATUS：掃描或初始化的狀態(tài)。
S7-1200 PLC與變頻器的通信是與它本身的掃描周期不同步的，在完成一次與變頻器的通信事件之前，S7-1200通常完成了多個掃描。
USS_PORT通信的時間間隔是S7-1200與變頻器通信所需要的時間，不同的通信波特率對應(yīng)的不同的USS_PORT通信間隔時間。下圖列出了不同的波特率對應(yīng)的USS_PORTzui小通信間隔時間。

圖8：不同的波特率對應(yīng)的USS_PORTzui小通信間隔時間

        USS_PORT在發(fā)生通信錯誤時，通常進(jìn)行3次嘗試來完成通信事件，那么S7-1200與變頻器通信的時間就是USS_PORT發(fā)生通信超時的時間間隔。例如：如果通信波特率是57600，那么USS_PORT與變頻器通信的時間間隔應(yīng)當(dāng)大于zui小的調(diào)用時間間隔，即大于36.1Ms而小于109Ms。S7-1200 USS 協(xié)議庫默認(rèn)的通信錯誤超時嘗試次數(shù)是2次。
        基于以上的USS_PORT通信時間的處理，我們建議在循環(huán)中斷OB塊中調(diào)用USS_PORT通信功能塊。在建立循環(huán)中斷OB塊時，我們可以設(shè)置循環(huán)中斷OB塊的掃描時間，以滿足通信的要求。循環(huán)中斷OB塊的掃描時間的設(shè)置如下圖所示：

圖9：循環(huán)中斷OB塊的掃描時間的設(shè)置 

2．USS_DRV功能塊的編程
USS_DRV功能塊的編程如下圖所示。

圖10： USS_DRV功能塊的編程

USS_DRV功能塊用來與變頻器進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，從而讀取變頻器的狀態(tài)以及控制變頻器的運(yùn)行。每個變頻器使用*的一個USS_DRV功能塊，但是同一個CM1241 RS485模塊的USS網(wǎng)絡(luò)的所有變頻器（zui多16個）都使用同一個USS_DRV_DB。

USS_DRV_DB：變頻器進(jìn)行USS通信的數(shù)據(jù)塊。
RUN：                 DB塊的變頻器啟動指令。
OFF2：                 緊急停止，自由停車。 該位為0時停車。
OFF3：                 快速停車，帶制動停車。 該位為0時停車。
F_ACK：             變頻器故障確認(rèn)。
DIR ：                 變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
SPEED_SP：       變頻器的速度設(shè)定值。

ERROR：          程序輸出錯誤。
RUN_EN：        變頻器運(yùn)行狀態(tài)指示。
D_DIR：           變頻器運(yùn)行方向狀態(tài)指示。
INHIBIT：        變頻器是否被禁止的狀態(tài)指示。
FAULT：           變頻器故障。
SPEED：           變頻器的反饋的實(shí)際速度值。

DRIVE：           變頻器的USS站地址。變頻器參數(shù)P2011設(shè)置。
PZD_LEN：      變頻器的循環(huán)過程字。 變頻器參數(shù)P2012設(shè)置。

注意：變頻器的PKW的長度在這里是特殊需要注意的，在使用USS通信時必須是4，如果改成3或者127都將不能讀取反饋回來的過程值。

3．USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊的編程 如下圖所示。

圖11：USS_RPM功能塊的編程

USS_RPM功能塊用于通過USS通信從變頻器讀取參數(shù)。

REQ：         讀取參數(shù)請求。
DRIVE：     變頻器的USS站地址。
PARAM：   變頻器的參數(shù)代碼。
INDEX：     變頻器的參數(shù)索引代碼
USS_DB：  變頻器進(jìn)行USS通信的數(shù)據(jù)塊。

DONE：     讀取參數(shù)完成。
ERROR：  讀取參數(shù)錯誤。
STATUS： 讀取參數(shù)狀態(tài)代碼。
VALUE：   所讀取的參數(shù)的值。

注意：進(jìn)行讀取參數(shù)功能塊編程時，各個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型一定要正確對應(yīng)。如果需要設(shè)置變量讀取參數(shù)時，注意該參數(shù)變量的初始值不能為0，否則容易產(chǎn)生通信錯誤。

4．USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM功能塊的編程如下圖所示。

圖12：USS_WPM功能塊的編程

USS_WPM    功能塊用于通過USS通信設(shè)置變頻器的參數(shù)。
REQ：         讀取參數(shù)請求。
DRIVE：     變頻器的USS站地址。
PARAM：   變頻器的參數(shù)代碼。
INDEX：     變頻器的參數(shù)索引代碼。
EEPROM：把參數(shù)存儲到變頻器的EEPROM。
VALUE：    設(shè)置參數(shù)的值。
USS_DB：   變頻器進(jìn)行USS通信的數(shù)據(jù)塊。

DONE：      讀取參數(shù)完成。
ERROR：   讀取參數(shù)錯誤狀態(tài)。
STATUS：  讀取參數(shù)狀態(tài)代碼。

注意：對寫入?yún)?shù)功能塊編程時，各個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型一定要正確對應(yīng)。如果需要設(shè)置變量進(jìn)行寫入?yún)?shù)值時，注意該參數(shù)變量的初始值不能為0，否則容易產(chǎn)生通信錯誤。

5. 3 S7 1200 PLC進(jìn)行USS通信的調(diào)試

S7-1200 PLC 通過CM1241 RS485模塊與變頻器進(jìn)行USS通信時，需要注意如下幾點(diǎn)：

1. 當(dāng)同一個CM1241 RS485 模塊帶有多個（zui多16個）USS變頻器時，這個時候通信的USS_DB是同一個，USS_DRV功能塊調(diào)用多次，每個USS_DRV功能塊調(diào)用時，相對應(yīng)的USS站地址與實(shí)際的變頻器要*，而其它的控制參數(shù)也要*。
2. 當(dāng)同一個S7-1200 PLC 帶有多個CM1241 RS485模塊（zui多3個）時，這個時候通信的USS_DB相對應(yīng)的是3個，每個CM1241 RS485模塊的USS網(wǎng)絡(luò)使用相同的USS_DB,不同的USS網(wǎng)絡(luò)使用不同的USS_DB。
3. 當(dāng)對變頻器的參數(shù)進(jìn)行讀寫操作時，注意不能同時進(jìn)行USS_RPM和USS_WPM的操作，并且同一時間只能進(jìn)行一個參數(shù)的讀或者寫操作，而不能進(jìn)行多個參數(shù)的讀或者寫操作。

在S7-1200 PLC 與變頻器的USS通信的實(shí)際使用過程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場情況，對問題進(jìn)行具體的解決。

ET200Pro系列產(chǎn)品做為西門子分布式IO系列產(chǎn)品中的一種，具有zui高IP67的防護(hù)等級，成為特殊行業(yè)應(yīng)用的主要產(chǎn)品之一。同時，ET200Pro還提供了故障安全模板：F-DI/F-DO以及電機(jī)啟動器（MotorStarter）、故障安全型變頻器（F-FC）等，滿足了行業(yè)中的故障安全應(yīng)用的需求。本文將主要介紹ET200Pr*安全型變頻器的調(diào)試和使用的方法。

1 ET200Pr*安全系統(tǒng)介紹
與ET200S系統(tǒng)類似，ET200Pro也提供了全系列的故障安全模板。
1) 故障安全型輸入/輸出模板（F-DI/F-DO）
ET200Pro的故障安全型輸入/輸出的模板的使用與ET200M，ET200S等分布式IO的安全模板使用方法相同。
2）電機(jī)啟動器（MotorStarter）
ET200Pro的電機(jī)啟動器模板（MotorStarter）中，提供了一些特殊的模板，比如F-RSM和ASM-400，電機(jī)啟動器模板（MotorStarter）如果配合F-RSM和ASM-400使用可以達(dá)到SIL3(Cat.4)的安全等級（圖1）。

圖1 故障安全型電機(jī)啟動器（MotorStarter）系統(tǒng)配置(Cat.4)

具體配置列表請參照手冊：SIMATIC ET 200pro Motor starters

3）故障安全型變頻器（F-FC）
ET200Pro F-FC是一款嵌入在ET200Pro系統(tǒng)中的緊湊型的故障安全型變頻器。工作電壓為3 AC 400V 50/60Hz，連接3相交流電機(jī)，zui大1.1KW，溫度允許的情況下，可以連接1.5KW電機(jī)。
該變頻器可以通過PROFIBUS/PROFINET的接口模板進(jìn)行連接調(diào)試，也可以使用光纖轉(zhuǎn)串口的電纜進(jìn)行連接。
ET200Pro變頻器需要與前面提到的電機(jī)啟動模塊中的特殊模塊一起使用來對其關(guān)斷信號進(jìn)行評估，因而系統(tǒng)中需要F-Switch 或F-RSM（圖2）。

圖2 故障安全變頻器與F-RSM的配置

其中主要的模板包括：
③接口模板
可以連接變頻器模板的接口模板包括：
1) IM154-4 PN HF Cu V6.0 (6ES7 154-4AB10-0AB0)
2) IM154-2 DP HF (6ES7 154-2AA00-0AB0)
④F-RSM或者F-SWITCH
⑤故障安全型變頻器（F-FC）
⑥終端模塊

2 ET200Pro F-FC的調(diào)試方法
ET200Pro F-FC的組態(tài)可以通過Step7軟件來實(shí)現(xiàn)。但變頻器模板的調(diào)試工具需要用到DriveES（或者Starter、MotionScout）等軟件。如果系統(tǒng)中使用了F-Switch，則需要MotorStarter ES軟件來設(shè)置相關(guān)Switch的參數(shù)。

2．1 Step7的組態(tài)
（1）新建一個S7 300站，這里選擇CPU 317F-2 PN/DP做為F主機(jī)，IM154-4 PN HF Cu V6.0做為F設(shè)備。（圖3）

圖3 新建S7 300站

硬件組態(tài)中，添加F-RSM；由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe報(bào)文，因而只能添加標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文F-FC 1.1/1.5KW Standard egram1。(圖4)

圖4 添加硬件

分別雙擊兩個模板，打開屬性框，將診斷選項(xiàng)使能。

（2）雙擊CPU，設(shè)置CPU的參數(shù)。

選擇F 參數(shù)，為故障安全程序設(shè)置密碼（圖5），防止有未經(jīng)*的人修改F程序。

圖5 設(shè)置F程序的密碼

選擇“Protection”，設(shè)定CPU程序的訪問保護(hù)密碼，同時將“CPU contains safety program”激活（圖6）。

圖6 保護(hù)選項(xiàng)

保存編譯后，我們可以看到在Step7的Block下，出現(xiàn)了一些相關(guān)F系統(tǒng)的功能塊，但由于ET200Pro F-FC沒有Profisafe的報(bào)文，因而這里實(shí)際上并沒有關(guān)于ET200Pro F-FC的F系統(tǒng)塊，這也是ET200Pro F-FC與ET200S F-FC或者G120F、S120F的不同之處，因而ET200Pro F-FC的安全功能是通過F-RSM或F-Switch來實(shí)現(xiàn)的。
至于如何建立Step7的F程序，這里不再詳細(xì)介紹，請參考相關(guān)手冊。

2．2 F-FC的調(diào)試
ET200Pro F-FC的調(diào)試需要用到Drive的一些軟件。通過Step7界面，雙擊變頻器模板，則可以打開相應(yīng)的調(diào)試軟件的界面。

（1） 雙擊打開調(diào)試界面，選擇“在線”。

圖7 選擇在線連接到F-FC

如果無法在線操作，則檢查“Option”菜單下的“Set PG/PC interface”的設(shè)置，選擇合適的接口用于連接F-FC。

（2） 選擇“上載”，將系統(tǒng)配置自動上傳到PG。

圖8 上傳參數(shù)

在“Functions”下選擇“Safety Integrated”進(jìn)行安全功能的設(shè)置。注意這個選項(xiàng)只有在“在線”的模式下才可以操作。

圖9 選擇安全功能設(shè)置

（3） 打開設(shè)定界面，可以看到ET200Pro F-FC提供3種安全功能：
STO、SS1和SLS。
在ET200Pro F-FC的內(nèi)部，有兩條F功能總線“Safety busbar G1” 和“Safety busbar G2”?？梢酝ㄟ^“Enables”選擇這兩條安全總線回路中的安全功能。如圖10所示，由于F-RSM只提供一個安全回路開關(guān)(F0)，故這里只選擇了“Safety busbar G1”的SLS（F0）。如果系統(tǒng)中使用了F-Switch，則可以設(shè)置兩個安全功能回路。

圖10 選擇安全功能

（4） 分別設(shè)定安全功能的參數(shù)

STO：安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷。該功能激活后，變頻器內(nèi)部的電源被切斷，電機(jī)進(jìn)入自由停車狀態(tài)。（圖11）

圖11 STO的參數(shù)設(shè)置界面

這里的設(shè)置都是關(guān)于安全回路測試的：當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時，是否進(jìn)行回路測試，用來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，以及及時檢查系統(tǒng)錯誤。T=8小時的設(shè)置也是保證系統(tǒng)的自檢測的時間。
SS1:安全停車指令1。當(dāng)SS1被激活時，系統(tǒng)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行停車。否則進(jìn)入故障狀態(tài)，并zui終進(jìn)入STO。

圖12 SS1的參數(shù)設(shè)置界面

Standstill:截止頻率。當(dāng)停車過程中，頻率達(dá)到該設(shè)定值時，進(jìn)入STO狀態(tài)。
Tr：停車時間設(shè)定；
Tv: 延時監(jiān)控時間。超出該設(shè)定值，變頻器進(jìn)入故障狀態(tài)，同時馬上進(jìn)入STO狀態(tài)。

SLS：安全限速。安全限速有4種模式，分別對應(yīng)4種安全限速的動作。這里需要定義安全限速的設(shè)定值“Setpoint”，上限值“Upper limit”和選擇模式。

圖13 SLS的參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)定和修改都需要“Accept settings”才能生效。這里需要輸入密碼和進(jìn)行驗(yàn)證。

圖14 參數(shù)修改和生效

2．3 F-RSM的調(diào)試

ET200Pro F-FC的F功能需要通過F-RSM或者F-Switch來實(shí)現(xiàn)（見圖15），因而需要對F-RSM進(jìn)行設(shè)置。

圖15 ET200Pro F-FC與F-RSM/F-Switch的配置原理圖

（1）F-RSM的連線

圖16 F-RSM組件

其內(nèi)部原理圖為：

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圖17 F-RSM的原理圖

F-RSM內(nèi)部為一個3TK2841的安全繼電器，其中輸入端子為IN1/IN2，可以用于連接急停按鈕；IN3做為3TK2841的“monitered START”輸入端，當(dāng)選擇“自動啟動”時，該端子可以不接。
輸出“OUT”做為3TK3841的功能輸出連接端子，內(nèi)部busbar總線將“F0”輸出到F-FC,做為安全功能的激活信號。

a.IN1可以連接一個單通道或者雙通道的“急停”信號，其端子接線方式為：

圖18 IN1的連接

b.“Start”信號的接線方式： c. “OUT”信號的接線：

                

圖19 啟動信號的連接                 圖20 輸出信號的連接

單通道以及雙通道的選擇，自動啟動與手動啟動的選擇是通過切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)的：

圖21 選擇開關(guān)的模式設(shè)置

（2） 激活安全功能
當(dāng)急停信號為“1”時，系統(tǒng)正常工作，此時“F0”狀態(tài)為“1”。當(dāng)急停被按下時，表示系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，應(yīng)當(dāng)啟動相應(yīng)的安全功能，此時“F0”變?yōu)?ldquo;0”，此時，應(yīng)通過busbar將F0信號傳送至F-FC，變頻器激活相應(yīng)的安全功能。

注意：系統(tǒng)中的F-RSM的供電是通過電源端子提供的，因而在連接接口模板的電源端子時，應(yīng)當(dāng)連接兩路電源（DC 24V），否則F-RSM內(nèi)部的3TK2841處于失電狀態(tài)，從其運(yùn)行燈的狀態(tài)可以判斷該路電源是否有連接（圖22）。

圖22 電源的連接

S7400電源模塊
6ES7 407-0DA02-0AA0
6ES7 407-0KA02-0AA0
6ES7 407-0KR02-0AA0
6ES7 407-0RA02-0AA0
6ES7 405-0DA02-0AA0
6ES7 405-0KA02-0AA0
6ES7 405-0RA01-0AA0
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