USS 通信基本原理

USS 协议（Universal Serial Interface Protocol，即通用串行接口协议）是西门子专为驱动装置开发的通用通信协议，它是一种基于串行总线进行数据通信的协议。

USS 通信总是由主站发起，USS 主站不断轮询各个从站，从站根据收到主站报文，决定是否、以及如何响应。从站必须在接收到主站报文之后的一定时间内发回响应到主站，否则主站将视该从站出错。

USS 协议是主从结构的协议，总线上的每个从站都有唯一的从站地址。一个 S7-1200 CPU 中最多可安装三个 CM 1241 RS422/RS485模块和一个 CB 1241 RS485 板，每个 RS485 端口最多控制 16 台驱动器。

S7-1200 与西门子传动设备 V20 之间 USS 通信

使用环境

实现功能

两类指令“USS通信”与“USS“区别：

如图 1 所示，S7-1200 USS 有两个 USS 指令库

“USS通信” 是目前最新的指令库，并且以后的更新也会基于这个指令库。一般情况下，“USS” 只是在老项目中使用。

下面的介绍以 “USS 通信” 指令库为例。

图 1.S7-1200 PLC 的 USS 通信指令

1. SINAMICS V20 变频器设置

SINAMICS V20 的启停和频率控制通过 PZD 过程数据来实现，参数读取和修改通过 PKW 参数通道来实现。可以使用连接宏 Cn010 实现 SINAMICS V20 的 USS 通信，也可以直接修改变频器参数。

变频器参数设置步骤如下：

(1) 恢复工厂设置 设置参数 P0010（调试参数）= 30，P0970（工厂复位）= 21

(2) 设置用户访问级别 设置参数 P0003（用户访问级别）= 3 (专家访问级别)

(3) 设置 SINAMICS V20 变频器 USS 通信所需的命令源、协议、波特率、地址等参数。选择连接宏 Cn010 后，需要将参数 P2013 的值由 127（PKW长度可变）修改为 4（PKW长度为 4）；

此外对于本例需要将参数 P2010 的值由 8（波特率 38400）修改为 6(本例中使用波特率为 9600），P2010 值与波特率对应关系参见表 1。

表 1 P2010 值与波特率对应关系

参数值
6
7
8
9
10
11
12
波特率（bps）
9600
19200
38400
57600
76800
93750
115200

本例中使用如下表 2 所列的设置值。

表 2.SINAMICS V20 设置变频器参数值

参数
描述
设置值
备注
P0700[0]
选择命令源
5
命令源来源于 RS485 总线
P1000[0]
选择设定源
5
设定值来源于 RS485 总线
P2000[0..2]
基准频率值
50.00
百分比100% ==> P2000 的值
P2023[0]
RS485 协议选择
1
USS协议
P2010[0]
USS 波特率
6
波特率为 9600
P2011[0]
USS 地址
1
USS 站地址为 1
P2012[0]
USS PZD 长度
2
USS PZD 长度为 2 个字长
P2013[0]
USS PKW 长度
4
USS PKW 长度为 4
P2014[0]
USS 报文间断时间
500
可设置范围 0-65535 ms。报文间隔超过此设定时间还没有接收到下一条报文信息，则变频器将会停止运行。

(4) 变频器重新上电

在更改通信协议 P2023 后，需要对变频器重新上电。在此过程中，请在变频器断电后等待数秒，确保 LED 灯熄灭或显示屏空白后再次接通电源。

2. USS_Port_Scan

USS_Port_Scan 指令用于处理 USS 网络上的通信。

用户程序执行 USS_Port_Scan 指令的次数必须足够多，以防止驱动器超时。通常从循环中断调用 USS_Port_Scan 。 例如添加循环中断 OB30， 并设置循环中断时间 30ms。如图 2 所示：

图 2.添加 OB30

USS_Port_Scan 指令输入引脚”PORT“为分配的串口模块的“硬件标识符”。安装并组态串口模块之后，可用的端口标识符将出现在 “PORT “功能框连接的参数助手下拉列表中。或者，可在系统常量中找到该硬件标识符值。在 OB30 中调用”USS_Port_Scan“指令， 鼠标双击 CPU 1215 DC/DC/DC 站点下的 ”PLC变量>默认变量表“ ， 在”系统常量“标签栏中找到本例所使用的 CM1241 RS422/485 模块，如图 3 所示。

USS_Port_Scan 指令输入引脚”USS_DB“指向为 USS_Drive_Control 指令放入程序时创建并初始化的背景数据块的名称。详见常见问题"如何输入参数 USS_DB?"

表 3 为该指令的接口参数说明。

图 3.USS_Port_Scan

表 3.USS_Port_Scan 指令接口参数说明

参数
类型
数据类型
描述
PORT
IN
Port
串口模块硬件标识符
BAUD
IN
DInt
波特率
USS_DB
INOUT
USS_Base
将 USS_Drive_Control 指令放入程序时创建并初始化的背景数据块的名称
ERROR
OUT
Bool
该输出为 True 时，表示发生错误，此时 STATUS 输出错误代码。
STATUS
OUT
WORD
USS 通信状态值

注意：

  1. 一个串口通信端口无论与几台变频器连接，都只能有一个 USS_Port_Scan 指令，每次调用该函数块都与单个驱动器进行通信。
  2. 如果使用 CB1241，需要使得 USS_Port_Scan 背景 DB 中的 LINE_PRE 起始值更改为 0。

3. USS_Drive_Control

USS_Drive_Control 指令用于请求消息、驱动器响应消息，以及与驱动器交换数据。

例如， 本例中将输入引脚”OFF2“和”OFF3”设置为 True， “”DIR“使能为 True,”Drive“ 设置为 1，"PZD_LEN“设置为 2，”SPEED_SP“设置为 50.0（即 50% 频率值为 25Hz）， 然后将”RUN“ 使能为 True，使变频器以 25HZ 频率运行。如图 4 所示。表 4 为该指令的接口参数说明。

图 4.USS_Drive_Control 指令

表 4.USS_Drive_Control 指令接口参数说明

参数
类型
数据类型
描述
RUN
IN
Bool
驱动器起始位：该输入为 True，将使驱动器以预设速度运行。如果在驱动器运行时 RUN 变为 False，电机将减速直至停止
OFF2
IN
Bool
电气停止位：该位为 False 时，将使驱动器在无制动的情况下自然停止
OFF3
IN
Bool
快速停止位：该位为 False 时，将通过制动的方式使驱动器快速停止
F_ACK
IN
Bool
故障确认位
DIR
IN
Bool
驱动器方向控制：设位为 True 时指示正方向（对于正 SPEED_SP）
DRIVE
IN
USInt
驱动器地址：该输入是 USS 驱动器的地址。有效范围是驱动器 1 到驱动器 16
PZD_LEN
IN
USInt
字长度：PZD 数据的字数。有效值为 2、4、6 或 8 个字
SPEED_SP
IN
Real
速度设定值：以组态频率的百分比表示的驱动器速度。正值表示正方向。（DIR为 True 时）
CTRL3-CTRL8
IN
Word
控制字
NDR
OUT
Bool
新数据就绪：该位为 True，表示输出包含新通信请求数据
ERROR
OUT
Bool
该输出为 True 时，表示发生错误，此时 STATUS 输出错误代码
STATUS
OUT
Word
状态值
RUN_EN
OUT
Bool
运行已启用：该位指示驱动器是否在运行
D_DIR
OUT
Bool
驱动器方向：该位指示驱动器是否正在正向运行
INHIBIT
OUT
Bool
驱动器已禁止：该位指示驱动器上禁止位的状态
FAULT
OUT
Bool
驱动器故障：在该位被置位时，设置 F_ACK 位以清除此位
SPEED
OUT
Real
驱动器当前速度（驱动器状态字 2 的标定值）：以组态速度百分数形式表示的驱动器速度值
STATUS1-STATUS8
OUT
Word
驱动器状态字

可以使用 DIR 或使用符号（正或负）和 SPEED_SP 输入控制驱动器旋转方向。如表 5 所列。

表 5.SPEED_SP 和 DIR 参数

SPEED_SP DIR 驱动器旋转方向
数值>0 0 反转
数值>0 1 正转
数值<0 0 正转
数值<0 1 反转

注意：

每个驱动器应使用一个单独的 USS_Drive_Control 函数块，但同一个串口模块接口下的所有 USS 协议变频器使用的 USS_Drive_Control 必须使用同一个背景数据块。

4. USS_Write_Param

USS_Write_Param 指令用于修改驱动器中的参数。必须从主程序循环 OB 中调用 USS_Write_Param。

输入参数“USS_DB”详见常见问题"如何输入参数 USS_DB?"

例如， 本例中将输入引脚 ”Drive“ 设置为 1，"PARAM“设置为 1120，”INDEX“设置为0 (即 V20 的加减速时间参数为 1120， 该参数下标为 0), "EEPROM"设置为 False， “VALUE”设置为“10.0”（即加减速时间 10.0s）。然后将”EN“ 和"REQ"使能为 True，将修改变频器的加减速时间为 10.0s。如图 5 所示。表 6 为该指令的接口参数说明。

图 5.USS_Write_Param 指令

表 6.USS_Write_Param 指令接口参数说明

参数
类型
数据类型
描述
REQ
IN
Bool
REQ 为 True 时，表示新的读请求
DRIVE
IN
USInt
驱动器地址：DRIVE 是 USS 驱动器的地址。有效范围是驱动器 1 到驱动器 16
PARAM
IN
UInt
参数编号：PARAM 指示要写入的驱动器参数。该参数的范围为 0 到 2047
INDEX
IN
UInt
要写入的驱动器参数索引
EEPROM
IN
Bool
该参数为 True 时，写驱动器的参数将存储在驱动器 EEPROM 中
VALUE
IN
Word, Int,
UInt,DWord,
DInt, UDInt,Real
要写入的参数值，REQ 为 True 时该值必须有效
USS_DB
INOUT
USS_BASE
将 USS_Drive_Control 指令放入程序时创建并初始化的背景数据块的名称
DONE
OUT
Bool
DONE 为 True 时，表示输入 VALUE 已写入驱动器
ERROR
OUT
Bool
该输出为 True 时，表示发生错误，此时 STATUS 输出错误代码
STATUS
OUT
Word
写请求的状态代码

注意：

请勿过多使用 EEPROM 永久写操作。请尽可能减少 EEPROM 写操作次数以延长 EEPROM 的寿命。

5. USS_Read_Param

USS_Read_Param 指令用于从驱动器读取参数。必须从主程序循环 OB 调用 USS_Read_Param。

输入参数“USS_DB”详见常见问题"如何输入参数 USS_DB?"

例如， 本例中将输入引脚 ”Drive“ 设置为 1，"PARAM“设置为 1120，”INDEX“设置为 0 (即 V20 的加减速时间参数为 1120， 该参数下标为 0)。然后将”EN“ 和"REQ"使能为 True，读取变频器的加减速时间， 该值输出在参数“VALUE”。如图 6 所示。表 7 为该指令的接口参数说明。

图 6. USS_Read_Param 指令

表 7.USS_Read_Param 指令接口参数说明

参数
类型
数据类型
描述
REQ
IN
Bool
REQ 为 True 时，表示新的读请求
DRIVE
IN
USInt
驱动器地址：DRIVE 是 USS 驱动器的地址。有效范围是驱动器 1 到驱动器 16
PARAM
IN
UInt
要读取的驱动器参数编号。该参数的范围为 0 到 2047
INDEX
IN
UInt
要读取的驱动器参数索引
USS_DB
INOUT
USS_BASE
将 USS_Drive_Control 指令放入程序时创建并初始化的背景数据块的名称
DONE
OUT
Bool
该参数为 True 时，VALUE 输出请求的读取参数值
ERROR
OUT
Bool
该输出为 True 时，表示发生错误，此时 STATUS 输出错误代码
STATUS
OUT
Word
读请求的状态代码
VALUE
OUT
Word, Int,
UInt,DWord,
DInt, UDInt, Real
已读取的参数的值，仅当 DONE 位为 True 时才有效

USS 通信常见问题

"如何输入参数 USS_DB?"

USS_Drive_Control 指令放入程序时会自动创建背景数据块。例如“USS_Drive_Control_DB”。例如在“USS_Port_Scan”指令输入引脚“USS_DB”下拉菜单可选择“USS_Drive_Control_DB“，之后左键点击自动出现的”USS_DB“即可。如图 7 所示：

图 7. USS_DB 输入