1 引言
計(jì)算機(jī)及通訊技術(shù)已成為工業(yè)環(huán)境中大部分解決方案的核心部分，其在系統(tǒng)中的比重正在迅速增加。在工業(yè)控制中，交流電機(jī)的拖動越來越多的采用變頻器完成，不僅作為一個單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是隨著不斷的智能化，同遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間可以通過各種通訊方式結(jié)合成一個有機(jī)的整體。在實(shí)際工程實(shí)施時，變頻器的啟動、停止、方向、告警、故障指示以及故障復(fù)位等控制通常為端子排開關(guān)信號控制方式，速度控制采用模擬量給定值控制方式來完成。由于變頻器的輸出端會產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾信號，控制器有時會造成誤動作的情況。當(dāng)控制距離遙遠(yuǎn)時，還存在敷線工程量過大的問題。隨著現(xiàn)場總線的底層控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，變頻器生產(chǎn)廠家推出了具有數(shù)據(jù)通信功能的產(chǎn)品，采用RS-485通信接口用于系統(tǒng)配置和監(jiān)控是一種低成本的連接方案。

2 西門子變頻器的USS控制協(xié)議
2.1 USS協(xié)議的特點(diǎn)
USS是西門子公司為變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可以支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接，常適合于規(guī)模較小的自動化系統(tǒng)。它以主從方式構(gòu)成工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)站，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有一個主站，1～31個從站，各站點(diǎn)有唯一的標(biāo)識碼識別。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:用單一的、完全集成的系統(tǒng)來解決自動化問題。所有的西門子變頻器都可以采用USS協(xié)議作為通信鏈路。數(shù)字化的信息傳遞，提高了系統(tǒng)的自動化水平及運(yùn)行的可靠性，解決了模擬信號傳輸所引起的干擾及漂移問題。通信介質(zhì)采用RS-485屏蔽雙絞線，最遠(yuǎn)可達(dá)1000m，因此可有效地減少電纜的數(shù)量，從而可以大大減少開發(fā)和工程費(fèi)用，并極大地降低客戶的啟動和維護(hù)成本;通信效率較高，可達(dá)187.5kbit/s。對于有10個調(diào)速器，每個調(diào)速器有6個過程數(shù)據(jù)需刷新的系統(tǒng)，PLC的典型掃描周期為幾百毫秒，采用與PROFIBUS相似的操作模式，總線結(jié)構(gòu)為單位站、主從存取方式，報(bào)文結(jié)構(gòu)具有參數(shù)數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)，前者用于改變調(diào)速器的參數(shù)，后者用于快速刷新調(diào)速器的過程數(shù)據(jù)，如啟動停止、速度給定、力矩給定等。具有極高的快速性和可靠性。利用西門子變頻器的主機(jī)上提供的USS接口，僅在終端機(jī)中插入一RS-485通信板，就可實(shí)現(xiàn)變頻器的全部遠(yuǎn)程控制。
2.2 USS協(xié)議的通信數(shù)據(jù)格式
USS協(xié)議的通信字符格式為一位起始位、一位停止位、一位偶校驗(yàn)位和八位數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)報(bào)文最大長度位256個字節(jié)，包括3字節(jié)的頭部、1字節(jié)的校驗(yàn)碼和主數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊按照字的方式組織，高字節(jié)在前。通信數(shù)據(jù)報(bào)文格式如表1所示。
表1 USS協(xié)議的通信數(shù)據(jù)報(bào)文格式

表中:STX—起始字符，為02Hex;LGE—報(bào)文長度，為n+2，3≤n≤254;ADR—從站地址碼，其中bit0～bit4表示從站地址，bit5為1表示廣播發(fā)送，bit6為1表示鏡像發(fā)送，用于網(wǎng)絡(luò)測試，bit7為1表示特殊報(bào)文;BCC—校驗(yàn)字符，為從STX開始所有字節(jié)的異或和。

在一幀內(nèi)完成過程控制數(shù)據(jù)的同時，可以通過指定參數(shù)號完成設(shè)備控制參數(shù)的讀寫。數(shù)據(jù)快由參數(shù)值域(PKW)和過程數(shù)據(jù)域(PZD)組成，二者均為變長數(shù)據(jù)，其格式如表2所示。
表2 數(shù)據(jù)快的格式

表中:PKW域—參數(shù)值域，由參數(shù)識別碼、子參數(shù)號和參數(shù)值構(gòu)成，參數(shù)個數(shù)可根據(jù)設(shè)備的定義值最大可有124個字;PZD域—過程控制數(shù)據(jù)域，包括控制字/狀態(tài)字，設(shè)定值/實(shí)際值，最多16個字;PKE參數(shù)識別碼;IND用來指定某些數(shù)組型設(shè)備參數(shù)的子參數(shù)號。
對于SIEMENS的MMV/MDV變頻器，協(xié)議有所簡化:
IND固定為0;PKW為3字格式，即只有PWE1;PZD域的PZD1是控制字/狀態(tài)字，用來設(shè)置和監(jiān)測變頻器的工作狀態(tài);PZD域的PZD2設(shè)定頻率。

3 PLC控制變頻器的程序設(shè)計(jì)
PLC通訊程序采用子程序方式編制，主控程序?qū)ψ冾l器的控制通過調(diào)用有關(guān)子程序發(fā)送命令完成。數(shù)據(jù)接受由后臺中斷程序完成。發(fā)送命令子程序?qū)⒆冾l器目標(biāo)速度值和命令參數(shù)加工為USS協(xié)議格式，發(fā)送出去，并設(shè)置發(fā)送標(biāo)志，復(fù)位接受完成標(biāo)志，并開允許接受中斷和定時中斷。
當(dāng)變頻器發(fā)送響應(yīng)報(bào)文時，激活后臺中斷程序接受變頻器的狀態(tài)值和當(dāng)前速度值，存入接受緩沖區(qū)，并復(fù)位發(fā)送標(biāo)志，設(shè)置接受完成標(biāo)志。
3.1 主控程序
按照采樣時間間隔，主控程序根據(jù)發(fā)送標(biāo)志和接受完成標(biāo)志，檢查變頻器接受緩沖區(qū)內(nèi)容，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。通訊程序由通信口初始化、運(yùn)行、停止、速度設(shè)定等5個子程序和一系列中斷服務(wù)子程序構(gòu)成，主控程序的流程如圖1所示。

圖1 主控程序流程

3.2 通訊子程序
通訊子程序如下:
SBR0
//通訊初始化程序
MOVB 16#49，SMB30
//初始化P0為9600kb，8bit，偶校驗(yàn)
MOVB 14，“P0－ST-LEN”
//設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送字符數(shù)
MOVB 16＃2，“P0－ST-STX” //STX
MOVB 12，“P0－ST-LGE” //LGE
MOVB 0，“P0－ST-ADR” //主站地址
MOVB 255，“TO”
ENI
ATCH 4，25
ATCH 6，11
RET
SBR2
//電機(jī)啟動子程序
MOVB BPADR，，“P0－ST－ADR”
//取主控緩沖區(qū)的從機(jī)地址
MOVW 16＃0C7F，“P0－ST－PZD0”
//設(shè)定停止電機(jī)啟動、正轉(zhuǎn)
CALL “Send-BP”
//調(diào)用發(fā)送程序
RET
SBR 4
//設(shè)定電機(jī)速度電機(jī)運(yùn)行子程序
MOVB“BPADR”，“P0－ST－ADRS”
//取主控緩沖區(qū)的從機(jī)地址
MOVW 16＃0C7F，“P0－ST-PZD0”
//設(shè)定電機(jī)啟動、正轉(zhuǎn)
MOVW “BIT/SP”，“P0－ST-PZD1”
//取主控緩沖區(qū)的速度值
LDW＞＝“P0－ST－PZD1”，16＃4000
//判斷是否超過最大速度
MOVW 16＃4000，“P0－ST-PZD1”
CALL “Send-BP”
//調(diào)用發(fā)送程序
RET
SBR5
//發(fā)送程序Send-BP
MOVD &VB3500，ACO
//計(jì)算BCC
MOVB 14，AC1
//循環(huán)計(jì)算BCC，存入“P0－ST-BCCS”置位重發(fā)次數(shù)計(jì)數(shù)器
XMT “P0-ST－LEN”，0
//發(fā)送
ATCH 0，9
//發(fā)送結(jié)束中斷的中斷服務(wù)程序號
MOVB 100，“h”
//定時時間100ms
ATCH 1，10
//定時中斷處理，未接受倒數(shù)據(jù)，重發(fā)數(shù)據(jù)
RET
3.3 中斷接收子程序
中斷接收子程序由一系列服務(wù)程序組成，包括3種情況。
(1) 判斷中斷接收的起始3個字符是否為制定字符，是將接收中斷指針指向下一個中斷程序，復(fù)位定時器，同時異或計(jì)算BCC值;否則將關(guān)閉接收中斷，等待定時中斷進(jìn)行錯誤處理。
(2) 對于數(shù)據(jù)塊的接收，采用計(jì)數(shù)方式控制，當(dāng)計(jì)數(shù)為零時，計(jì)算的BCC值應(yīng)為0，否則關(guān)閉接收中斷。
(3) 定時中斷激活時表示接收超時，重發(fā)次數(shù)值減1，如果不為0，則自動將發(fā)送緩沖區(qū)的內(nèi)容重新發(fā)送;為0，置位錯誤標(biāo)志。

4 結(jié)束語
在變頻拖動工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的方法是采用開關(guān)量和模擬量信號對變頻器進(jìn)行控制，信號容易受到干擾，出現(xiàn)控制上的錯誤。采用基于RS-485接口的USS通信協(xié)議對變頻器進(jìn)行控制的方法，大大 減少了系統(tǒng)布線，可以避免現(xiàn)場可能的各種電磁干擾對控制設(shè)備的影響，有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。