西门子6ES7223-1BH22-0XA8诚信经营
1 引言
计算机及通讯技术已成为工业环境中大部分解决方案的核心部分，其在系统中的比重正在迅速增加。在一个自动化系统中，交、直流调速器不仅仅作为一个单独的执行机构，而是随着其不断的智能化，它们相互之间及同控制系统之间可以通过各种通讯方式结合成一个有机的整体。西门子变频器USS自由口通信以其通信质量高、成本低廉在自动化系统得到了广泛的应用。本文以USS自由口通信在石油钻机电气传动系统中的实际应用为例，对自由口使用的地址分配，通信程序实现进行了较详细的分析，该思路不仅用于PLC来保证通信质量，对于用语言在PC实现的通信程序编制、提高通信的可靠性都具有一定的借鉴意义。
2 USS通信
2.1USS概况
西门子交、直流调速器采用的USS通讯协议是西门子公司为传动系统开发的通讯协议，可支持交直流驱动器同PC或PLC之间建立通讯联接，适用于规模较小的自动化系统。有以下特点:
(1)用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子交、直流驱动器都可采用USS协议作为通信链路，原先的驱动器间是孤立的，仅有极少量通过硬件电路反馈信号。
(2) 数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。
(3)其通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，远可达1000m，可有效地减少控制电缆的数量，原系统中需要20芯控制电缆一般在4根以上，现在只需工作电源就可以，从而可以大大减少开发和工程费用，提高可靠性。
(4)通讯速率较高，可达187.5kbps。对于有5个变频器，每个调速器有六个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒。
(5)它采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单主站、主从存取方式。报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动停止、逻辑锁定、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性与可靠性。
2.2 西门子USS通信协议 [1]
(1) 协议概况
●Siemens驱动器所定义的USS协议，是Profibus通信协议的简化，通过其总线可以连接31个节点，传输速率可以达到19.2k比特率，通过主站(PC、PLC)进行控制。
●USS总线上的每个传动装置都有一个站号，主站通过它识别每个传动装置。
●USS可以是主从结构:从站回应主站发来的报文并发送报文。也可以是广播通讯方式:报文发送给所有的传动装置。
(2) 协议说明
所有数据报文都由14个字节组成，是标准的异步报文格式:1个起始位，8个数据位，一个偶校验位和一个停止位。数据报文的结构如下:
主站到从站的报文格式:
从站到主站的报文格式:
(3) USS协议报文描述
●STX STX是单字节的ASCⅡ STX字符(值为02),表示报文的开始。
●LGE LAE是单字节区域，表示报文中LAE区域后的字节数。
●ADR ADR是单字节区域，包含从站传动装置的地址::
其中位5是广播位。选择是否将这报文以广播方式发送给总线上的所有驱动器，位0~4是驱动器总线地址。
●BCC BCC是单字节区域，对报文中该区域以前所有的字节进行异或校验。
●IND IND是16位的区域，通用传动装置应设为0。
●PKEPKE是16位的区域，用来控制传动装置的参数读写，定义如下:位0~10为参数号，位12~15为参数读写控制，如2038H，2代表读参数，38H表示十进制ID为56的参数。
●VAL VAL是16位的区域，通过读写参数命令将参数值写到对应的参数ID中。
STW是16位的控制字区域，控制传动装置的运行，如047F表控制电机正向运行。
ZSW是16位的状态字区域，表示传动装置不同的运行状态。
●HSW/HIW HSW是设定电机速度的16位的区域。如4000H对应额定速度的
HIW是读取电机速度的16位区域，可以读出电机速度。如当前转速=(HIW×额定速度)/4000H。
3 自由口设定
3.1钻机传动系统设备配置
多年来，我国钻机市场一直以机械钻机为主，通过柴油发电机带动变速齿轮箱来调节绞车和泥浆泵的转速，效率低下，耗能高，故障率高。随着国际钻机市场电驱动钻机的推广与普及，我国的钻机经历了购买二手旧钻机，进口新钻机到自主生产的过程，在此基础上，钻机也进行了一次大的更新，从模拟电路控制直流传动到数字化的直流传动设备，再到到高性能的具有通信功能的传动设备;在钻机实现自动化过程也经历了由继电器到开关量PLC再到高性能PLC(模拟量+总线通讯)的过程，现阶段钻机设备配置以高性能PLC控制为主，通过通讯功能读取数据和并根据工况改写驱动器的相关数据，这样先进的控制理论(模糊控制、神经网络控制等)就很容易的通过上位机实现，从而控制交直流驱动器实现调速的智能化。该系统通过S7-200CPU226作为主站，五台6SE71系列变频器作为从站，其中650kW的变频器带动绞车/钻机，500kW的变频器两两同步工作，带动1300系列的泥浆泵，参见图1。
图1USS通讯系统配置
3.2 自由口用户数据存储器[3]
在USS协议中，用户数据存储器分配如附表:
附表
驱动器参数设定区 VB0-VB39共40个字节
发送/接受缓冲区 从VB40开始，用户自由分配
系统数据区 VB4022-VB4095共74个字节
其中驱动器参数设定区主要完成从站数目(VB0)、每个从站LAE长度设定(VB1-VB31)、广播传送方式LAE(VB33)长度、传送时间(VW34)，初始化发送/接受缓冲区首地址(VD36)(设定值为VB40-VB4021)，其中V表示可变、B为字节、W为字、D为双字。
3.3 用户数据区设定
在USS协议中每个从站需要44个字节，发送/接受缓冲区各占22个字节(对应从站+USS协议(发送+接受)+状态位)，其中状态位表示数据发送状态，在该系统中发送/接收首地址设为VB2000，用户数据区以循环方式传送数据时分配如下:
绞车:从站1，地址 VB2000-2043
泥浆泵1的A变频器:从站2，地址 VB2044-2087
泥浆泵1的B变频器:从站3，地址 VB2088-2131
泥浆泵2的A变频器:从站4，地址 VB2132-2175
泥浆泵1的B变频器:从站5，地址 VB2176-2219
以广播方式发送数据时地址如下:
只有发送缓冲区:VB2220-2263，接受缓冲区同上
定义完数据区后，就可以根据每个地址的功能，在PLC编程时写入相应的控制字就可以完成控制功能。
3.4 通信功能设定
CPU处于STOP模式时，自由端口模式为禁止，建立与其它协议的通讯，只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由口模式，这时通过自由口控制字SMB30来完成设置，如:MOVB16#49，SMB30就将自由口0设为自由端口协议，波特率9600kbps，数据位为8，偶校验。
4程序编制[2][3]
系统功能由主程序OB1和三个子程序SBR0、SBR1和SBR2组成。图2列出主要程序段的工作流程。
图2主要程序段的工作流程图
(1) OB1:完成循环调用子程序功能
(2) SBR0:系统初始化
(3) SBR1:通讯中断/事件调用(中断0~中断7，根据通信协议完成数据的传送和接收功能)
(4)SBR2:按照前面的分配地址和要实现的功能编写功能程序，实现要求的输入输出信号间的逻辑功能、数字滤波、PI调节，以及变频器参数的读写，控制字和速度给定的发送，变频器工作状态的读取等功能。
(5) 中断0:完成发送/广播的初始化，监视发送过程、监视发送延时、发送错误
(6) 中断2:发送完成
(7) 中断3~6:接收到基本接收缓冲区后，进行校验，校验数后翼数据块的方式将数据发到当前站的数据接收缓冲区。
(8) 中断7:接受任何一个字符超过时间，执行中断7，进行状态复位，结束中断。
5 变频器设定[4]
变频器选用MASTERDRIVER6SE71系列工程型变频器，工作电机为永济电机厂生产风冷方式的鼠笼式三相异步交流变频电机，变频器控制方式采用矢量控制控制，负载模式选为标准，通过变频器进行电机识别后即可使用，通信接口对应接口板CUVC上的X101端子10(RS485P)，11(RS-485N)，电机起停控制位P554.1=6100，其余控制位(停车方式、旋转方向等)依次类推。P734.1~16读取需要采集的电机参数在变频器中的连接字地址编号;P918.0/从站地址和PLC设定保持一致;P053=34(PMU+SST2);控制字的第十位必须为1来激活通信;再将通信所发控制字及给定发到接口地址……;在总线起端和末端接终端电阻。
为了降低电磁干扰，采用屏蔽的双绞线，其中屏蔽线单端接地。
6结束语
通过使用和比较，采用USS自由口通信不需任何附加板，就可实现变频器数据的存取，通信质量高，以低廉的成本实现自动化系统。从而可以大大减少开发和工程费用，和以前的继电器控制相比，降低了系统的电气复杂性(很多逻辑和保护功能都要靠继电器间的相互锁定来实现，实现复杂，故障率高，检修时间长)，系统的逻辑性能得到较大的提高，提高了产品的的可靠性，降低了由电气故障造成的停机时间。
以上结论经过胜利油田所购设备在南阳二机厂通过调试，并在油田的实际使用中得到了验证，目前该设备已经完井多口，运行良好。
近年来，嵌入式系统以其体积小、成本低和功能专一等特点在工控领域得到越来越广泛的应用。本文实现了嵌入式远程测控终端与西门子S7-200PLC的通信，并基于此完成了对PLC数据的采集。通过嵌入式系统的扩展网口将PLC与Internet相联，突破了串行通信速率的限制，节省了采用高端PLC实现网络测控的经费投入。在从PLC采集数据功能的实现过程中，避开了以往使用PLC自由端口通信需要改写PLC梯形图的问题，而直接利用PLC厂家制定的通信协议来实现数据交换，无需对PLC编程，方法简单可靠，为今后实现更多品牌PLC与上位机通信开辟了新的途径。基于嵌入式操作系统μClinux及其多线程机制实现了一套中央空调远程测控终端系统。
1、系统总体设计
1.1 硬件构成
系统采用1片三星公司推出的基于ARM7TDMI精简指令系统的32位高速处理器S3C44B0X作为嵌入式微处理器，扩展了一个RS485串口、两个RS232串口和一个以太网口。如图1所示，嵌入式微处理器通过扩展的RS485串口与西门子S7-200PLC进行通信，一个RS232口通过调制解调器连接到公众电话网，实现串行通信，扩展的以太网口则将整个嵌入式系统接入Internet，拓展了PLC的通信方式。考虑到与现存本地监控系统的兼容，在S7-200的串口上可并接西门子的文本显示器TD200，三者组成一个PPI令牌环网络。
图1 系统结构和连接示意图
1.2 软件总体设计
本系统采用μClinux嵌入式操作系统作为应用软件的运行平台。μClinux系统是近年迅速发展起来的一种专门用于微控制领域的嵌入式操作系统，内核要比原Linux2．0内核小得多(内核小于512KB，内核加上工具小于900KB)，但保留了Linux操作系统的主要优点：稳定性，优异的网络能力以及的文件系统支持，提供通用的LinuxAP1支持完整的TCP／IP协议栈和大量其它的网络协议。
中央空调远程测控终端的功能主要是动态地采集中央空调的现场运行参数并将这些参数实时地发送给位于远程的监控中心，并且具备提供历史数据、故障报警和某些控制功能。为了提高系统的运行效率，利用μClinux对多线程机制的支持，将远程终端的软件系统分为四个并发的线程实现。分别为：数据采集线程、数据存储线程、数据发送线程和故障报警线程。软件系统结构如图2所示。
图2 软件系统总体框架
为了实现各个线程之间的通信，设置一个数组作为共享区域。其中，数据采集线程主要是嵌入式测控终端与PLC的通信过程，所有的数据都从PLC的寄存器中读取，并存储在测控终端的内存共享区域中。在本系统中，根据所监控的中央空调的不同型号，由数据字典文件读入所需采集的参数地址，采用循环方式将各个参数的实时数值从PLC中采集，再一并存人数据共享区。数据存储线程在本地创建文件，并将数据共享区中的参数值每隔一定时间保存在FLASH中，使之作为分析一段时间内中央空调运行状况的历史数据，为实现专家诊断系统提供数据源。基于μClinux对TCP／IP协议栈的完整封装，实时数据发送和故障报警线程从共享存储区中读取数据后，利用socket通信机制，将实时数据和故障报警信息从本地发送到远程的主控中心，实现在不同地点对中央空调运行状况的实时监测。
由于西门子S7—200系列PLC通常配合西门子TD200文本显示器一同使用以构成本地监控，与本系统共用一条总线时冲突不可避免。本系统在数据采集的基础上根据PPI协议和PROFIBUS规定的令牌环协议，实现了主站之间的令牌传递功能，保证了令牌环网络的正常运转，使TD200与本系统组成的双主站网络通过对令牌的占有来实现各自的通信功能，互不干扰。
2、软件实现
2.1 通信方式和通信协议的选择
S7—200CPU支持多种通信协议，为用户实现多种不同的网络配置提供了便利，包括：点对点(Point-to-Point)接口协议(PPI)、多点(Multi～Point)接El协议(MP1)和Profibus协议。这些协议是非同步的字符协议，有1位起始位、8位数据位、1位偶校验位和1位停止位。通信结构依赖于特定的起始字符和停止字符、源和目的站地址、报文长度和数据校验和。
目前通常采用自由口通信模式控制S7—200CPU的通讯端El实现上下位机通信。用户可以在自由El模式下使用自定义的通信协议来实现PLC与多种类型智能设备的通信。但由于需要对PLC现有程序进行修改，对于不熟悉PLC编程语言并要在短时间内实现对西门子PLC的监控功能的软件开发者来说，这种修改存在一定的风险。
本系统采用PPI协议作为嵌入式系统与S7—200CPU之间的通信协议，由于C语言的高效性，采用C语言进行编程实现通信，无需对PLC本身的程序进行修改，保证了工业控制系统的安全和稳定。
2.2 PPI协议数据格式
PPI协议是一种主一从通信协议：通信的设备分为主站和从站。PLC默认为从站，嵌入式系统和TD200文本显示器作为主站。主站设备发送请求到从站设备，从站设备响应，从站不主动发起通信，只是等待主站的数据请求命令和对该命令作出响应。PPI协议并不限制与任意一个从站通信的主站数量，在一个网络中，主站的个数不能超过32。协议的数据格式如图3所示，图3(a)是PPI主站发送的命令帧和从站发送的数据帧格式，图3(b)是PPI主站发送给从站的确认帧格式。
图3 协议数据帧格式
以字节为单位，每个字节的含义如下：
SD2，SD1：(Start Delimiter)开始定界符(SD2=68H，SDI=10H)
LE．LER：(Frame Length)报文数据长度
DA：(Destination Address)目的地址
SA：(Source Address)源地址
FC：(Function Code)方式字(5C、6C、7C)
Data Unit：数据单元
FCS：(Frame Check Sequence)校验码
ED：(End Delimiter)结束分界符(16H)
在PPI网络中，S7—200PLC的默认站地址是02H，而作为主站的嵌入式系统的站地址规定为00H。加上TD200后构成的多主站系统中，TD200做主站，站地址是01H。三个站之间的通信遵循令牌环网络规则，令牌在主站之间轮流传递，持有令牌的主站有总线的控制权，可以收发数据，从站不具有令牌持有权。
2.3 数据采集程序分析
数据采集线程的主要流程如图4所示。其中，测控终端与PLC的通信可以看作是主站与从站之间的两次发送请求和应答过程。
图4 通信程序流程图
以作为主站的嵌入式系统向作为从站的PLC发起一个读取数据值的通信过程为例，该数据是存储在v寄存器、起始地址为136的一个字。
主站以目的地址02H、源地址00H生成一个数据请求帧，对于读取请求，方式字FC为7CH。生成的数据请求帧为(以十六进制表示)：68H 1BH 1BH 68H 2H 0H 6CH 32H 1H 0H 0H 6H 6H 0H EH 0H 0H 4H 1H 12HAH 10H 4H 0H 1H 0H 1H 84H 0H 4H 40H BAH16H。主站发出这一请求并等待1秒钟之后读取串口，如果PLC正确响应，会发送一个确认字节E5H，主站读取到这个字节后，就在规定时间间隔内发送数据请求确认帧到串口。确认帧内容为：10H02H 00H 5CH 5EH16H。PLC收到这个确认帧后，就读取数据请求帧中所指定得寄存器值，并按照PPI协议规定得发送数据帧格式（图3（a））打包，将数据发送出去。嵌入式主站接收到这个含有所需请求参数值的数据帧，就根据协议的规定将数据解析出来，并存储在本地内存共享区域中，从而完成一次数据采集和存储过程。
数据采集线程的主要代码如下：
Int data_collect (struct acinfo temp)
{
delay.tv_sec=0;
delay.tv_nsec=sleep;
int ret;
unsigned char ack; //打开串口1，设置波特率9600波特
open_comport (19600) ; //向PLC发送数据读取指令帧
white_com (temp);
nanosleep (&delay, NULL); //读取PLC响应帧
ack=read_act();… //对PLC发送确认帧
poll_data();
nanosleep(&delay,NULL); //从串口读取来自PLC的数据
ret=read_com(); //恢复串口设置，关闭串口
com_reset();
com_close();
return();
}
PLC 的响应有一定延迟，需要在程序中调用nanosleep(&delay，NULL)函数让线程暂停一段时间再读取串El。为了保证令牌环网络的正常运转，受令牌占有时间的限制，在波特率为9600时，PLC与主站的一次数据通信时间不应该超过3s，根据所采集的参数规模计算得出小响应和传输时间间隔在0.1s左右。
3、结束语
本测控终端系统经过实际运行，验证了其有效性和实用性。采用嵌入式系统与西门子PLC利用PPI协议进行通信的方法，简化了原本复杂的通信功能实现过程，为对PLC的实时监控提供了一种性价比很高的实现方式。通过嵌入式系统扩展以太网1:3，为原本只有通过串口才能与外界通信的PLC提供了以太网的通信方式，提高了通信效率。基于此技术实现的嵌入式系统与PLC相结合的远程测控终端为分布式实时监控系统的实现提供了一种低价又便捷有效的方式。