USS与PROFIBUSDP总线在变频调速系统的应用研究

1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 论 文专 业：电 气 技 术 教 育 班级学号：电气0511班-30号 学生姓名： 徐 鑫 指导教师：胡 山 副教授 二一年 六 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计 USS与PROFIBUS-DP总线在变频调速系统中的应用研究 Research of USS and the PROFIBUS-DP Field bus in the Application of Variable Frequency Speed Control system专业班级：电气0511学生姓名：徐

2、鑫指导教师：胡 山系 别：自动化与电气工程学院2010年6月52 / 58文档可自由编辑打印摘 要现场总线作为计算机技术、通信技术、仪表技术以及控制技术综合的产物，已成为当今自动化领域技术发展的热点之一。它是连接智能现场设备和自动化系统的全分散、多点、多站的通信网络。在众多现场总线标准中，过程现场总线(PROFIBUS)以其国际化、开放式，高灵活性、高可靠性等优势，在过程自动化、制造自动化等领域内得到广泛的应用。首先，本文主要介绍了USS和PROFIBUS-DP总线在变频调速系统中应用的研究背景，接着从USS串口通信协议和PROFIBUS-DP总线等方面对变频调速系统的通信进行了研究。并重点介

3、绍西门子公司S7-200 /300系列 PLC与变频器MM440、交流变频调速装置6SE70之间的通信类型。在此基础之上，本文研究设计了一套采用西门子S7-200/300系列 PLC与变频器和交流变频调速装置组成的变频调速系统，并对该系统的网络组态、硬件组成、软件设计及程序编写进行了详细的论述。该系统基于PROFIBUS-DP总线的主从结构控制能够实现主站对智能从站的实时监控，成功完成了系统的控制要求。关键词： USS; PROFIBUS-DP; 可编程控制器; 变频器ABSTRACTAs develeopment of computer comunication and industry m

4、eter technology,Fieldbus technology present in industry area and become hot point of the development of automatic technology. It is distribut and multpoint comunication network which connects intelligent working equipment with automatic system（PROFIBUS）as one of the international specifications of f

5、ieldbus and that is used in processing automatic control and producting automatic area extensively.Firstly,this paper introduces application of the USS and the PROFIBUS-DP bus frequency control system in the research area .and then it present the study process of the USS serial communication protoco

6、l and the PROFIBUS-DP bus and other aspects of the communication frequency control system.Furthermore highlights the application and communication function of Siemens S7-200 / 300 series PLC and frequency converter MM440, 6SE70 AC frequency control devices .Based on these stated above,this paper des

7、igns a set of speed adjustment system which composed of Siemens S7-200/300 and frequency control devices and converter. and that it make imphasize on network configuration, hardware and software design and procedures for the preparation of a detailed exposition.This system realize control requiremen

8、t in which slave station supervised by master station successfully.Key Words：USS; PROFIBUS-DP; PLC; Converter 目 录1引 言11.1研究背景11.2研究的意义11.3国外现状21.4未来发展方向22S7-200/300的硬件结构与功能32.1S7-200的硬件结构和功能32.1.1概述32.1.2S7-200 PLC系列的基本组成32.2S7-300硬件结构和功能42.2.1概述42.2.2主要组成部分42.2.3主要功能63PROFUBUS-DP和USS总线73.1PROFUBUS-

9、DP总线说明73.1.1西门子工业控制网络根据总线分为4种网络结构73.1.2PROFIBUS现场总线的分类73.1.3PROFIBUS的基本特点83.1.4PROFIBUS协议结构83.1.5PROFIBUSDP的分类93.1.6PROFIBUS - DP 的基本特性113.1.7PROFIBUS-DP的基本功能123.1.8PROFIBUS-DP的扩展功能133.1.9PROFIBUS-DP的数据通信133.2USS总线说明163.2.1USS 协议简介163.2.2使用USS 协议的优点163.2.3使用USS协议的要求163.2.4通讯报文的结构173.2.5使用USS协议的步骤183

10、.2.6USS指令说明184MM440变频器的功能和使用214.1变频调速的原理214.2变频器的基本控制方式214.3MICROMASTER 440 通用型变频器224.3.1概述224.3.2接线端子234.3.3MICROMASTER 440 变频器的扩展功能234.3.4对PZD（过程数据）和PKW（参数识别数值区）的读写255交流调速装置6SE70285.1概述285.2西门子6SE70 系列变频器的控制方式285.3变频器控制回路285.4变频器通道的设定285.5变频器的制动296系统应用设计306.1USS 总线的应用306.2PROFIBUS-DP总线的应用336.2.1网络

11、(NET)概述336.2.2现场级传动装置的网络定义与设置346.2.3编程42总结与展望45参考文献46附录一：功能块FC101程序47附录二：功能块FC2程序48致 谢50引 言 1.1 研究背景随着电力电子技术和变频调速技术的发展和进步,高性能的交流调速系统的实现逐渐成为可能。变频器应用于交流拖动系统中易的控于实现优良制特性,可以实现软起动、无级调速和故障状态反馈等功能,使电动机运行效率提高并且易于进行监控。由于变频器具有高动态、高性能、大容量、节能等显著的特点, 并以其优越的调速性能和节能优势得到广泛应用,取得了客观的经济效益。特别是风机和泵类采用变频器进行节能运行后, 节约了电费,

12、降低了生产成本, 减少了启动时对电网的冲击, 改善了工作环境, 并易于实现自动化, 同时可根据生产工艺的要求控制的更准确、更快速。目前,变频器的控制大多是外部控制模式,以继电器吸合/断开和模拟电压输入作为变频器外部控制回路的输入信号,导致变频器控制系统布线增多,过多的继电器降低了系统的稳定性,增加了系统的故障率。为了减少布线成本和降低故障率,可以利用现场总线控制系统,仅需一根电缆就可以控制多台变频器的运行。通过网络通讯进行数据交换的方式越来越普遍，以PLC作为企业自动化控制的中心枢纽，在设备的自动化方面已经不可缺少，PLC与变频器通过PROFIBUS DP网线实现通讯功能，为自动化程度的发展向

13、前迈了一大步。变频器可通过西门子公司的PROFIBUS-DP和USS总线与可编程控制器PLC连接进行通信，以实现其强大的组网通信功能。PROFIBUS-DP是经过优化的高速、廉价的通信连接, 专为自动控制系统和设备级分散设备之间通信设计, 其传输速度可达12Mbit, 通讯距离达到100米，PROFIBUS-DP总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主从站之间的主从通讯方式。USS 协议是SIEMENS公司专用的传输协议，是一个纯粹的主一从协议，数据交换以ASCII码的形式进行传输，最高通讯速率为38.4 k b/s。实现USS标准通讯协议的物理介质采用RSRS485,在RSRS485传输系

14、统基础上其总线工作能力可达最多32个用户，而且USS作为一个标准协议装在SIEMENS传动装置的接口上。1.2 研究的意义随着电力电子技术、控制技术和通信技术的快速发展，结构简单、成本低廉、可远程传输的串行通信方式在工业控制领域得到了广泛的应用。如果串行通信接口的设备采用统一的通信协议，各设备之间便可以通过一根双绞线来实现对现场信号的传输，这种利用现场总线通信的新一代的数字通信控制方式将取代原来复杂的、易受干扰的模拟量控制。通过利用可编程控制器 PLC与现场总线的通信来控制变频器。使其在工业控制中完全依靠编程就能够控制现场的设备。以实现真正的工业自动化控制。这种控制方式初步形成了变频调速系统的

15、网络通信，对未来工业控制的发展奠定了坚实的基础。变频调速系统的网络组建与通信的方法以其优越的性能在实际的工业控制中必将得到广泛的应用。1.3 国外现状在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10 2600 kVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100 900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电

16、力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700 kVA，BJT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：1）市场的大量需求 2）功率器件的发展 3）控制理论和微电子技术的发展 4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。1.4 未来发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问

17、题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要全数字控制技术）。其主要发展方向有：1）实现高水平的控制 2）开发清洁电能的变流器 3）缩小装置的尺寸 4）高速度的数字控制 5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。S7-200/300的硬件结构与功能1.5 S7-200的硬件结构和功能1.5.1 概述西门子公司的S7-200系列的PLC可以满足多种多样的自动化控制的需要,由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令系统，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时

18、，具有很强的适应性和可选择性。1.5.2 S7-200 PLC系列的基本组成S7-200 硬件系统组成采用整体式加积木式，即主机中包括一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200 PLC由基本单元（S7-200的CPU模块）、扩展单元、个人计算机或编程器、STEP 7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等组成。1 基本单元基本单元（S7-200的CPU模块）也称为主机。由中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量输入/输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。 CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控

19、制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制电机、泵类以及工业过程中的其他设备。 电源向CPU以及所连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连接起来。 状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止）、本机I/O的当前状态以及检查出的系统错误。 通过扩展模块可增加CPU的I/0点数（CPU221不可扩展）和提供其通讯性能。一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡。EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU。中，通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据

20、存储时间。2.S7-200系列CPU 226的主要技术指标CPU 226: 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯 编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。13. EM2

21、77的使用S7-300的许多PLC都有集成的PROFIBUS-DP接口，它们通过总线连接器可以很方便地连接到PROFIBUS-DP网络上。但是S7-200系列PLC没有集成接口，它们必须通过带有DP接口模块连接到总线上，EM277就是带有DP接口的连接模块。EM277模块的左上方有两个拨码开关，每个拨码开关使用起子旋转从而可以设定09这10个数字，其中一个拨码开关的数字×10，另一个数字×1，因此组合起来构成了099，这也是EM277在PROFIBUS-DP网络中的物理站地址。EM277在通电情况下修改拨码开关的数字后，必须断电，然后再上电才能使设定的地址生效。进行硬件网络

22、组态时设定的EM277站地址必须与拨码开关设定的地址一致。1.6 S7-300硬件结构和功能1.6.1 概述S7-300 可编程控制器是西门子公司于20世纪90年代中期推出的新一代PLC，它采用模块化结构设计，其品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块等几乎能完成各种领域的自动化控制任务。用户可根据自己的应用要求来选择合适的模块，信号模块和通信处理模块可以不受限制的插到导轨上的任何一个槽内，系统自动的分配各个模块的地址。此外，它具有无排风扇设计、易于实现分布处理和用户界面友好等特点，允许的最高环境温度达60，安装方便，维护简单。1.6.2 主要组成部分S7-300 PLC采用模块化的结构设计，

23、各种独立的模块之间可进行广泛的组合和扩展。其模型见图2-1所示。它的组成部分主要由机架、电源（PS）模块、中央处理器单元（CPU）模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）模块等。1.电源模块 2.后备电池 3. 24V DC 连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯6.存储器卡(CPU 313 以上) 7. MPI 多点接口 8.前连接器 9.前盖图2-1 S7-300 PLC 实物图1导轨（BACK）导轨是安装S7-300各类模块的机架，它是特制不锈钢异型板，其长度由160mm、482mm、530mm 、830mm和2000mm五种，可根据实际需要选择

24、。2电源模块PS 307 电源模块将120/230 伏交流电压转换为24V电压，为S7-300/400、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A 或10A 3 种。电源模块安装在DIN 导轨上的插槽1。可根据负载的要求选定。3中央处理器单元模块SIMATIC S7-300 PLC 提供了多种多样不同性能的CPU模块，以满足用户的不同要求。各种CPU有不同的性能，例如有的CPU模块集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU模块前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒等。4状态与故障显示LEDSF 系统出错/故障显示，

25、红色, CPU 硬件故障或软件错误时亮；BATF 电池故障，红色，电池电压低或没有电池时亮；DC 5V 5V 电源指示，绿色， 5V 电源正常时亮；FRCE 强制，黄色，至少有一个I/O 被强制时亮；RUN 运行方式，绿色，CPU 处于RUN 状态时亮；重新启动时以2 Hz 的频率闪亮； 当处于HOLD（单步、断点）状态时以0.5Hz 的频率闪亮；STOP 停止方式，黄色，CPU 处于STOP，HOLD 状态或重新启动时常亮；BASF 总线错误，红色；5模式选择开关 RUN-P(运行-编程)位置：运行时可以读出和修改用户程序，改变运行方式； RUN (运行)位置：CPU 执行、读出用户程序，但

26、是不能修改用户程序； STOP（停止）位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序； MRES（清除存储器）：不能保持。将钥匙开关从STOP 状态搬到MRES 位置，可复位存储器，使CPU 回到初始状态。复位存储器操作：通电后从STOP 位置扳到MRES 位置，“STOP”LED 熄灭1s，亮1s，再熄灭1s 后保持亮。放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED 以2Hz 的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后“STOP”LED 一直亮。6接口模块接口模块用于多机架配置时连接主机架（或称中央机架、CR）和扩展机(ER).S7-300 PLC的IM种类有IM360

27、、IM361和IM365等。7信号模块SM是数字量输入/ 输出模块和模拟量输入/ 输出模块的总称，它们使用不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。8功能模块FM主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。9通信处理器模块它是一种智能模块，它用于PLC之间、PLC与计算机或其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程。1.6.3 主要功能1高速的指令处理。超短的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。2浮点数运算。次功能可以有效

28、得出实现更为复杂的算术运算。3人机界面（HMI）.方便的人及界面服务已经集成在S7-300操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。4诊断功能。CPU用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。5口令保护。多级的口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。2PROFUBUS-DP和USS总线1.7 PROFUBUS-DP总线说明1.7.1 西门子工业控制网络根据总线分为4种网络结构1 AS-i总线：其接口符合开放的国际标准EN50295，用于现场小数据量传送（开关量）。拥有规范的主-主通信协议以及设备的连接方式，保

29、证不同厂商此规范设备的产品兼容性。2EIB总线：全称为EuropeanInstallationBus，是专门针对智能建筑领域的现场总线标准。具有分布、开放、灵活、互操作的特点。总线上智能化元件可通过编程改变的功能，即能独立进行开关、控制、监视等工作，也能根据要求进行多元件组合。与传统方式相比有更强的功能和更高的灵活性。协议开放可令不同厂商开发相对应的兼容性产品。3PROFIBUS现场总线：对应国际标准IEC61158 TypeIII中标准，定义了串行总线的技术特征。相关的技术特点前面己经有所说明。PROFIBUS总线适用于工厂自动化、过程自动化以及交通、发电输配电等领域。4工业以太网PROFI

30、NET：基于IEEE802.3（Ethemet）是国际标准IEC61158的重要组成部分。现在的PROFINET规范是用于PROFIBUS纵向集成的、开放的、一致的综合系统解决方案。它将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机的融为一体，同时又完全保留了PROFIBUS现有的开放型。1.7.2 PROFIBUS现场总线的分类PROFIBUS现场总线全称为Process Field Bus，是1986年以德国西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的现场总线技术。成为德国国家现总线标准DIN19245和欧洲标准的EN50170现场总线标准，现已被列入IEC61158国际标准。根据应用领域分为

31、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP三个兼容部分: PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specifcation现场总线报文规范)主要用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络，提供大量的通信服务，可完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器、执行器、可编程控制器、低压开关等一般自动化控制。PROFIBUS-DP（Decentralized periphery分散型外围设备）可提供优化的高速而廉价的通信连接，专门为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计。可取代价格昂贵的24V或020m

32、A并行信号，用于分布式控制系统的高速数据传输。它有快速、即插即用、高效低成本的优点。PROFIBUS-PA（Process Automation过程自动化）专为过程自动化设计，标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场合和由总线供电的点。1.7.3 PROFIBUS的基本特点PROFIBUS定义了串行现场总线系统技术特征，可以从现场级到单元级使分散的数字可编程控制器形成网络。PROFIBUS总线允许多个各自带外设的自动控制系统、工程系统或可视化系统等在一条总线上运行。系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，当主站得到控制权（令牌）时，没有外界请求也可主动发送信息。从站为诸如输入输出装

33、置、阀门、各种变送器和测量仪表等外围设备。从站没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时给出回应信息。1.7.4 PROFIBUS协议结构PROFIBUS的协议结构以ISO7498国际标准开放式系统互连网络OS（Open System Interconnection）为参考模型，在这个模型中，每个传输精确处理所定义的任务，如表3-1所示。其中第一层物理层定义了物理的传输特性，第二层数据链路层定义了总线的存取协议，第三、四、五、六层没有使用，第七层应用层定义了应用功能。最高层定义为用户层，能够实现总线的整个功能。表3-1协议结构用户层DP设备行规FMS设备行规PA设备行规基本功能

34、扩展功能基本功能扩展功能用户接口 数据链路层(DDLM)应用层接口（ALT）DP用户接口数据链路层(DDLM)第七层（应用层）未使用应用层现场总线报文（FMS）未使用第二层（数据链路层）数据链路层现场总线数据链路（FDL）数据链路层现场总线数据链路（FDL）IEC接口第一层（物理层）物理层（RS485/LWL）物理层（RS485/LWL） IEC-11852PROFIBUSDP使用了第一、二层和用户接口，第三层到第七层未加描述。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效、直接数据链路映像DDLM（DirectData Link Mapper）提供了易于进入第二层的服务用户接口，该用户接口规定了用

35、户与系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为，还提供了RSRS485传输技术或光纤。1.7.5 PROFIBUSDP的分类PROFIBUSDP允许构成单主站和多主站系统，使系统有多种配置方式。在同一总线上最多可连接125个站点（主站或从站）。每个PROFIBUSDP系统分为主站和从站两大类，其中主站又细分为一类主站和二类主站。1一类主站（DPM1）指PLC、PC或可做一类主站的控制器，一类主站处理与指定从站间用户的数据交换。2二类主站（DPM2）操作员工作站、编程器、操作员接口等，二类主站用于调试目的，可完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等

36、。3从站分为PLC（智能型I/O）、智能/非智能型分散式I/O和带PROFIBUS接口的现场设备等三种类型。4DP主站的主要任务 启动时初始化主站系统，通过读取诊断数据检查DP从站是否准备就绪，检查其它主站是否组态、配置了该从站，然后进行从站配置。 检查从站组态是否与主站组态一致，一致则开始循环数据传输，否则，读取诊断信息，并报告错误信息。 与DP从站进行循环数据传输。 对DP从站的监侧。 采集诊断信息。 处理控制请求，包括输入输出同步控制，DP从站起停控制等。 读取共享输入输出数据。 当DP主站停止或故障时，系统进入安全状态。5DP从站的主要任务 接收来自主站的信息，包括组态参数、配置参数等

37、。 提供过程数据。 提供诊断数据。 提供输入输出数据等。在PROFIBUSDP总线中，当某一主站在接收其主站参数记录后，该主站开始与其指定的从站交换数据。主站参数记录包括参数化组态数据、连接从站的地址配置表和总线参数。主站设定通信连接和监视连接时间，每次收到一有效的报文时，从站也触发其监视时间。该监视时间由主站设定，通信中如有错误，则参与的从站能立即检测并用诊断报文报告说明。从站设定输出为一规定态（State），主站必需对此参数化并进行组态。要交换的输入/输出数据的长度应由用户在组态报文中规定，在每一次数据交换时，均需监视是否符合规定的数据长度。包括报文头的报文总长度可为255字节，除了Dat

38、a-Exchange有9个字节的报文头外，所有报文头均为11个字节长度。应用读输入（Read_Inputs）和读输出（Read_Outputs）。每个主站可从其指定的从站中读取数据。读输入/读输出和Data-Exchange报文有相同结构，唯一差别在于前二种报文含有一个DSAP和一个SSAP，故其报文报头比后者多2个字节。为了保证数据的安全性，主站只能对它已参数化和已组态的从站写入数据，这两个报文(参数化和组态报文)保证主站通知从站的组态和功能。如需新增加一个从站到总线上，用户应对此作新的组态，以便使主站知道有新的从站加入总线。6拓扑结构PROFIBUS网络上的站点, 按照地址顺序组成一个逻辑

39、拓扑环。令牌只在主站(Masters) 之间顺序传递。获得令牌的主站可以在拥有令牌期间对属于它的从站( Slavers) 进行发送或读取数据的操作。PROFIBUS2DP网络就是基于这种存取机制。在一个PROFIBUS网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站, 则构成了单主站的主、从系统。7网络连接可利用PLC站的集成DP口或通讯处理CP的DP口, 上位机插卡CP5411 /CP5511 /CP5611 /CP5613 进行数据交换。PROFIBUS接口为RSRS485接口。连接电缆为PROFIBUS电缆(屏蔽双绞线) , 接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻, 其网络扩展PROFIBU

40、S电气网络、光电混合网络、无线网络等。8DPM1和DP从站及DPM2之间的数据传递DPM1与从站间数据传输由DPM1按已确定的循环顺序自动进行，如图3-1所示，DP主、从站间的报文通信所示，在组态总线系统时，用户确定分配给此DPM1的从站，并确定哪些从站进行循环的用户数据传输，哪些从站被排除在外。DPM1与所属从站的数据传输分为三个阶段：参数化阶段，组态阶段和数据传输阶段。DP进入数据传输阶段前，在参数化和组态阶段，检查已设计的组态与实际设备的组态是否匹配。在检查过程中，设备类型、数据格式和长度以及输入/输出的数据必须相符合。这些测试为用户提供可靠的保护以免参数化出错。除了DPM1自动执行用户

41、数据传输外，新的参数可以应用户的请求发送给DP从站。PROFIBUS-DP允许主站之间进行数据交换，即DPM2与DPM1之间进行数据交换。该功能用于通过总线对各站进行组态。图3-1 DP主、从站间的报文通信1.7.6 PROFIBUS - DP 的基本特性PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行线与分散的现场设备（如阀门、驱动器等）进行通信，大部分数据交换是周期性的，此外，智能现场设备还需要非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处理。1速率在一个有着32 个站点的分布系统中,PROFIBUS - DP 对所有站点传送512bps 输入和512bps 输出,在12Mb

42、ps 时只需1ms。2诊断功能经过扩展的PROFIBUS - DP 诊断能对故障快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分3 级:本站诊断操作、模块诊断操作和通过诊断操作。3传输技术RSRS485双绞线双线电缆或光缆。波特率9.6kbps-12Mbps。4总线存取 各主站间令牌传送，主站与从站间数据传送。 支持单主站或多主站系统。 主一从设备，总线上最多站点数为126。5网络结构线形、星形、环形以及可选的光纤双环形冗余。6运行模式 运行：输入和输出数据的循环传送。第一类DP主站由DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息。 清除：第一类DP主站读取DP从站的输入信息并使输出信息保

43、持为故障-安全状态 停止：只能进行主一主数据传送，第一类DP主站和DP从站之间没有数据传送。7通信 点对点（用户数据传送）或广播（控制指令） 循环主一从用户数据传送和非循环主一主数据传送8同步 控制指令允许输入和输出同步 同步模式：输出同步 锁定模式：输入同步PROFIBUS - DP 的上述特点使其在工业电气自动化领域占据了重要的地位。31.7.7 PROFIBUS-DP的基本功能1功能 DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。 各DP从站的动态激活和撤销。 强大的诊断功能，三级诊断信息。 输入或输出的同步。 通过总线为DP从站赋予地址。 通过总线对DP主站进行配置。 每个DP从站最大为24

44、6字节的输入和输出数据。2单主站结构PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统，典型的DP配置是如图3-2所示单主站结构。单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站，从站被主站按轮循环表一次访问。单主站系统可获得最短的总体循环时间。多主站配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统。任何一个主站均可读取DP从站的输入输出映像，但只有一个主站可对DP从站写入输出数据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。 图3-2单主站结构1.7.8 PROFIBUS-DP的扩展功能PROFIBUS-DP扩展功能允许在主站和从站间进行非循环读、写及报警功能，并可实现与循环用户数据通信并行无

45、关的操作。故用户可以使用DPM2优化所连接的从站设备参数或读取这些从站的状态，而不至于影响系统的运行。由于这些扩展功能，使得DP满足设备的需求，这样设备必须在运行期间进行参数化。具有低优先权的非循环数据传输，与快速循环用户数据传输并行进行。主站需要附加的时间来执行非循环通信服务，这一点在整个系统参数化中必须加以考虑。因此，参数化工具往往增大令牌循环时间以便主站不仅能执行循环的数据传输，也能执行非循环的通信服务。DP扩展功能是可选的，与DP的基本功能兼容。1.7.9 PROFIBUS-DP的数据通信1. DP主站之间的通信DP主站之间采用令牌环方式进行通信，主站按地址的升序依次排列，控制令牌按顺

46、序一次在主站之间进行传递，获得令牌的站具有控制权，可发送数据，令牌的工作传递过程如图3-3所示。如主站1需向主站3发送数据，当令牌传递到主站1时，主站1将要发送的数据按表3-2所示的格式发往主站2，主站2将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，两者不同，则主站2将帧信息继续传递后到达主站3。此时，主站3将本站的地址与接受到的帧信息中的目的地址进行比较，比较相同后，主站3对帧信息进行差错校验，并将校验结果以肯定或否定应答填入ACK段中，把该帧信息复制之后将其继续向下传递给主站1。主站1将本站的地址与源地址进行比较，比较相同后检查ACK是否为肯定应答，若检查到已为肯定应答，则去除帧信息，

47、将令牌交出继续在环内传递。如果ACK的检查结果为否定应答，则主站1需重新发送。4-5主站2主站3主站1图3-3令牌的工作传递过程表3-2 帧结构暂停位目的地址源地址控制信息DATA差错校验ACK令牌2. DP主站一从站之间的通信 DP通信关系和DP数据交换通信作业的发起方为请求方，通信的另一则为响应方。一类DP主站的请求报文使用第2层（数据链路层）的“高优先权”报文服务级别。而DP从站发出的响应则以第2层中的“低优先权”报文服务级别处理。DP从站将当前出现的诊断中断或状态事件通知给DP主站，仅在此刻，可通过将Data Exchange的响应报文服务级别从“低优先权”改变为“高优先权”来实现。

48、初始化阶段、再启动和用户数据通信DP从站初始化阶段的主要顺序如图3-4所示。DP主站首先检查从站是否在总线上，如果检查到DP从站己在总线上，则DP主站通过请求从站的诊断数据来检查DP从站的准备情况。检查到DP从站己准备就绪之后，DP主站装在参数集和组态数据。然后DP主站再请求从站的诊断数据以判断从站是否准备好进行数据交换，进行完上述工作一切就绪之后，DP主站才开始循环地与DP从站进行用户数据通信。 a) b)图3-4 DP从站初始化阶段的主要顺序 PROFIDUS-DP的数据报文格式 PROBUS-DP通信协议的数据报文结构分为协议头、网络数据和协议尾,如图3-5所示：图3-5 PROFIDU

49、S-DP的数据报文格式网络数据即PPO,包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码,如最大频率、加/减速时间和基本频率等。过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值,如频率给定值、速度反馈值和电流反馈值等。MM440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,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个字节的PKW区和2个字节的PZD区,共12个数据字符。将网络数据分类定义,PKW和PZD合起来定义为参数过程数据对象PPO。在PROFIBUS-DP报文中共有2类5种类型的PPO:一类是无PKW

50、而有2个字或6个字的PZD;另一类是有PKW而有2个字、6个字或10个字的PZD。数据的分类定义是为了完成不同的任务,即使PKW的传输与PZD的传输互不影响,从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。61.8 USS总线说明1.8.1 USS 协议简介USS 协议（Universal Serial Interface Protocol 通用串行接口协议）是SIEMENS 公司所有传动产品的通用通讯协议，它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多31个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识

51、别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收道报文并做出相应的响应后可不回送报文。1.8.2 使用USS 协议的优点1. 对硬件设备要求低，减少了设备之间的布线。2. 无需重新连线就可以改变控制功能。3. 可通过串行接口设置或改变传动装置的参数。4. 可实时的监控传动系统。1.8.3 使用USS协议的要求STEP 7-Micro/WIN指令库提供14个子程序、3个中断程序和8条指令支持USS协议。USS指令使用S7-200中的下列资源：1初始化USS协议将Port0专用作USS通

52、讯。2使用USS_INIT指令为Port0选择USS或PPI（USS是指SIMOTION MicroMaster驱动USS协议）。在选择使用USS协议与驱动通讯后，Port0不能够再用作其它目的，包括与STEP7-Micro/WIN通讯。3在使用USS协议为应用进行程序开发的过程中，您应该使用CPU 224XP，226，或EM277 PROFIBUS-DP模块连接到您的计算机中的PROFIBUS-DP卡上。STEP7-Micro/WIN可以利用第二个口在USS协议运行时监视程序。4USS指令影响所有的与Port 0自由口通讯相关的SM区。5USS指令使用14个子程序和3个中断程序。6USS指令

53、使得您的用户程序对存储空间的需求最多可增加3600字节。根据所使用的特定的USS指令，这些指令所支持的路径使控制程序对存储空间的分摊增加至少2300字节，最多3600字节。7USS指令的变量需要400字节的V存储区。该区域的起始地址由用户指定并保留给USS变量。有一些USS指令还要求16字节的通讯缓存区。作为一个指令的参数，您要为该缓存区提供一个V区的起始地址。建议为每一例USS指令指定一个单独的缓存区。在执行计算时，USS指令使用累加器AC0至AC3。您仍然可以在您的程序中使用这些累加器，只是累加器中的数值会被USS指令改变。1.8.4 通讯报文的结构每条报文都是以字符STX =02hex

54、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报文以数据块的检验符BCC 结束，如图3-6所示： 图3-6 通讯报文结构USS 协议有关信息的详细说明：STX：STX 区是一个字节的ASCIISTX 字符,02hex 表示一条信息的开始。LGE：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 的说明，报文的长度是可以变化的。而且报文的长度必须在报文的第2 个字节即LGE 中说明。根据配置可以把报文定义为固定的长度。参看PKE 和PZD 区的说明总线上的各个从站结点，可以采用不同长度的报文，一条报文的最大长度是256 个字节。LGE 是根据所采用的数据字

55、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 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- 8字节的PKW区和2- 4字节的PZD 区，共有12 个数据字符故得LGE=12+2=14。ADR： ADR 区是一个字节,是从站结点即变频器的地址字节.每一位的寻址如图3-7所示： 图3-7 地址字节位5 是广播位，如果这一位设置为1 ，该信息就是广播信息对串行链路上的所有信息都有效，结点号是不用判定的，USS 协议规范要求在PKW 区进行一些设置。位6 表示镜象报文结点号，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0。BCC 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的结果,如果根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。71.8.5 使用USS协议的步骤1安装指令库后在STEP7-Micr