主变冷却风扇调速系统设计.docx

主变冷却风扇调速系统设计1/52摘要摘要冷却系统对变压器性能的影响日益显著,几乎所有的变压器强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题，既在提高输出功率的同时,又要兼顾其经济性和环保性。这些都对冷却系统的性能提出了新的要求,开发高效、可靠、经济、环保的冷却系统,已成为变压器进一步实现技术突破的关键所在。因此，采用先进的冷却系统设计理念，对推动变压器冷却系统技术进步具有重要的研究价值。本次设计结合 PLC 及变频技术，采用 MM440 变频器及 USS 通信协议设计出新的变电站主变冷却风扇调速控制系统.主要从整体上分析和研究控制系统的硬件设计、控制流程设计、软件流程设计等部分。设计基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统.该系统通过可编程逻辑控制器（PLC)来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。整个设计过程均采用变频技术，从而控制和调整大型电力变压器冷却装置的输出功率及变压器的总损耗相匹配，结合变压器油温和环境气温的反馈调节，将变压器油温控制在一个较小的给定范围.关键词关键词：PLC；MM440 变频器；USS 通信协议；冷却风扇目录目录主变冷却风扇调速系统设计2/52主变冷却风扇调速系统设计3/52第第 1 章章概述概述近年来,国内外对变电站主变冷却系统的进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，随着电子技术和计算机技术的广泛应用和飞速发展，电部件技术日趋成熟，传统被动式的冷却系统正在走向智能化和自动化。传统冷却系统不能更全面的适应实际运行时的冷却需求，从而无法实现对变压器油温在全运行工况内的合理控制.然而，采用电子驱动及控制技术，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的变压器油温度控制运行,从而提供最佳的冷却介质流量,降低能耗,提高效率.随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的控制是国内外必然发展趋势。是变电站的主要设备之一,随着负荷及外界环境的变化，变压器所需的冷却容量将频繁调整，传统的控制方式分为手动及自动两种方式。手动方式缺点主要是：自动化水平低，增加值班人员工作量；冷却容量不能随温度的变化连续平滑调整，几组冷却风扇同时投入易产生冲击电流，污染电网;几组冷却风扇同时满载运行，噪声较大；远程无法监视情况等。自动方式虽然提高了自动化水平，降低了值班人员工作量，但是变压器负荷变化时由温度继电器启动电磁型开关控制引起频繁启停，开关故障率很高，可靠性低,很少被采用。本次设计结合 PLC 及变频技术,采用 MM440 变频器及 USS 通信协议设计出新的变电站主变冷却风扇调速控制系统。本次设计对节能减排和变压器的安全、经济运行及长期使用寿命具有重要的意义。主变冷却风扇调速系统设计4/52第第 2 章章MM440 变频器变频器2.12.1MM440MM440 变频器介绍变频器介绍变频器 MM440 系列（MicroMaster440)是德国西门子公司广泛应用及工业场合的多功能标准变频器。该变频器由微处理器控制,用现代先进技术的绝缘栅双极晶体管作为输出器件，它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力,以满足广泛的应用场合。主变冷却风扇调速系统设计5/522.1.1MM440 变频器面板的操作变频器面板的操作利用变频器的操作面板和相关参数设置，即可实现对变频器的某些基本操作如正反转、点动等运行。MM440 在缺省设置时，用 BOP 控制电动机的功能是被禁止的。如果要用 BOP 进行控制，参数 P0700 应设置为 1,参数 P1000 也应设置为 1.用基本操作面板(BOP）可以修改任何一个参数。修改参数的数值时，BOP 有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。下面就以设置 P1000=1 的过程为例，来介绍通过基本操作面板（BOP)修改设置参数的流程,见表 21。表 21基本操作面板(BOP)修改设置参数流程操作步骤BOP 显示结果1按键，访问参数2按键，直到显示 P10003按键,直到显示 in000,即 P1000的第 0 组值4按键，显示当前值 25按键，达到所要求的值 16按键，存储当前设置7按键，显示 r00008按键，显示频率2。1。2MM440 变频器参数设置变频器参数设置（1）设定 P001030 和 P09701,按下 P 键，开始复位,复位过程大约 3min,这样就可保证变频器的参数回复到工厂默认值。（2）设置电动机参数，为了使电动机及变频器相匹配，需要设置电动机参数.电动机参数设置见表 22。电动机参数设定完成后,设 P0010=0，变频器当前处于主变冷却风扇调速系统设计6/52准备状态，可正常运行。表 22 电动机参数设置参数号出厂值设置值说明P000311设定用户访问级为标准级P001001快速调试P010000功率以 KW 表示，频率为 50HzP0304230380电动机额定电压(V）P03053.251.05电动机额定电流（A)P03070.750.37电动机额定功率（KW）P03105050电动机额定频率（Hz)P031101400电动机额定转速（r/min）（3）设置面板操作控制参数，见表 23。表 2-3 面板基本操作控制参数参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P001000正确地进行运行命令的初始化P000407命令和数字 I/OP070021由键盘输入设定值（选择命令源）P000311设用户访问级为标准级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P100021由键盘（电动电位计)输入设定值P108000电动机运行的最低频率（Hz）P10825050电动机运行的最高频率（Hz)P000312设用户访问级为扩展级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P1040520设定键盘控制的频率值（Hz）主变冷却风扇调速系统设计7/522。1.3MM440 变频器控制端子的介绍变频器控制端子的介绍表 24变频器端子介绍端子号标识功能1输出+10V2输出 0V3ADC+模拟输入（+)4ADC模拟输入（)5DIN1数字输出 16DIN2数字输出 27DIN3数字输出 38带电位隔离的输出+24 V/最大。100mA9带电位隔离的输出 0 V/最大.100 mA10RL1_B数字输出/NO（常开）触头11RL1_C数字输出/切换触头12DAC+模拟输出(+）13DAC模拟输出（-）14P+RS485 串行接口15N-RS485 串行接口2.1.4MM440 变频器的数字输入端口介绍变频器的数字输入端口介绍1。MM440 变频器有 6 个数字输入端口，具体如图 2。1 所示.P1058510正向点动频率(Hz）P1059510反向点动频率（Hz）P1060105点动斜坡上升时间（s）P1061105点动斜坡下降时间(s)主变冷却风扇调速系统设计8/52图 2.1 MM440 变频器的数字输入端口2。数字输入端口功能MM440 变频器的 6 个数字输入端口（DIN1DIN6)，即端口“5”、“6”、“7”、“8、“16”和“17，每一个数字输入端口功能很多，用户可根据需要进行设置。参数号 P0701P0706 为及端口数字输入 1 功能至数字输入 6 功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均为 099，出厂默认值均为 1.以下列出其中几个常用的参数值,各数值的具体含义见表 25。表 25 MM440 数字输入端口功能设置表参数值功能说明0禁止数字输入1ON/OFF1（接通正转、停车命令 1）2ON/OFF1(接通反转、停车命令 1)3OFF2（停车命令 2)，按惯性自由停车4OFF3（停车命令 3），按斜坡函数曲线快速降速9故障确认10正向点动11反向点动主变冷却风扇调速系统设计9/5212反转13MOP(电动电位计）升速（增加频率)14MOP 降速（减少频率）15固定频率设定值(直接选择）16固定频率设定值(直接选择+ON 命令）17固定频率设定值（二进制编码选择+ON 命令）25直流注入制动是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。是由由和控制带电路组成的。主电路是给异步提供可控电源的电力转换部分，变频器的主电路分为两类，其中电压型是将的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波部分是电容.电流型是将的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波部分是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为的部分,吸收在转变中产生的电压脉动的部分，将直流功率变换为交流功率的逆变部分。控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它有决定频率和电压的，检测主电路数值的电压、电流检测电路，检测电动机速度的的速度检测电路，将运算电路的控制信号放大的,以及对和进行保护的保护电路组成.MICROMASTER 440 变频器适用于多种变速驱动应用。其灵活性使之具有极为广泛的应用范围.主变冷却风扇调速系统设计10/52第第 3 章章PLC 可编程控制器可编程控制器3 3。1 1PLCPLC 概述概述可编程控制器（Programmable Controller,简称 PC）是在传统的顺序控制器的基础上，为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。其功能基本限于开关量逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能 所以当时称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC）。由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中,因此对它下一个确切的定义是困难的。为了使其生产和发展标准化,美国国际电工委员会(IEC）于 1982 年颁布了可编程序控制器标准草案,1985年提交了第二版,1987年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其相关主变冷却风扇调速系统设计11/52的外围设备都应该按照易于及控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。总之,可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。3.23.2PLCPLC 的系统组成及工作原理的系统组成及工作原理3.2。1 PLC 的组成结构的组成结构PLC 本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它及一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC 的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。整体式 PLC 是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体,构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元及主机配合使用.主机中,CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 及现场设备之间的接口电路,通信接口用于 PLC 及编程器和上位机等外部设备的连接。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板.CPU 底板及扩展底板之间通过电缆连接,距离一般不超过 10m。3。2。2PLC 的扫描工作原理的扫描工作原理及微机等待命令的工作方式不同，PLC 采用循环扫描的工作方式CPU 从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指主变冷却风扇调速系统设计12/52令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期主要分为三个阶段:1.输入刷新阶段2.程序执行阶段3.输出刷新阶段用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读输入刷新程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为 IO 刷新阶段。实际上，除了执行程序和 IO 刷新外，PLC 还要进行各种错误检测(自诊断功能)并及编程工具通讯,这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行.扫描周期的长短主要取决于程序的长短。由于每一个扫描周期只进行一次 I0 刷新，故使系统存在输入、输出滞后现主变冷却风扇调速系统设计13/52象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序,必要时采用一些特殊功能,以减少因扫描周期造成的响应滞.目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：(1）向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。(2）向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。可编程控制器输入输出容量已超过 32K，扫描速度小于 1mS/千步。（3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段.这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代.可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。3。2。3PLC 的优势的优势PLC的主要优点可概括如下:1、高可靠性（1)所有的输入接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路及PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰.（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块主变冷却风扇调速系统设计14/52PLC针对不同的工业现场信号，如:交流或直流;开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位;强电或弱电等.有相应的I/O模块及工业现场的器件或设备,如：按钮;行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构.PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合.4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备及PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行.各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行.3。2。4PLC 类型的选择类型的选择S7200 PLC 系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架由成系统的 CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。S7200 除具有 PLC 基本的控制功能外,更在如下方面具有独到之处。功能强大的指令集指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID 指令、字符串指令、时钟指令,以及和智能模块配合的专用指令等。丰富强大的通讯功能S7200 提供了近 10 种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的 S7200主变冷却风扇调速系统设计15/52之间的通讯到 S7-200 通过 PROFIBUSDP 网络通讯,甚至到 S7-200 通过以太网通讯.在联网需要已日益成为必需的今天，强大的通讯无疑会使 S7200 为更多的用户服务。可以说，S7-200 的通讯功能已经远远超过了小型 PLC 的整体通讯水平。编程软件的易用性STEP7-MICRO/WIN32 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境.全中文的界面、中文的在线帮助信息、WINDOWS 的界面网络以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手.主变冷却风扇调速系统设计16/52第第 4 章章通信协议的介绍通信协议的介绍4 4。1 1S7S7200200 的通信方式及通信参数的设置的通信方式及通信参数的设置4.1。1S7-200 的通信方式的通信方式S7200 的通信功能强,有多种通信方式可供用户选择。在运行 Windows 或Windows NT 操作系统的个人计算机（PC）上安装了 STET 7Micro/WIN 32 编程软后,PC 可作为通信中的主站。(1）单主站方式单主站及一个或多个从站相连，STEP 7-Micro/WIN32 每次和一个 S7-200 CPU通信，但是它可以访问网络上的所有 CPU.（2）多主站方式通信网络中有多个主站,一个或多个从站。带 CP 通信卡的计算机和文本显示器TD200、操作面板 OP15 是主站，S7200 CPU 可以是从站或主站.4.1。2网络部件网络部件1、通信口S7-200 CPU 上的通信口是及 RS485 兼容的 9 针 D 型连接器，符合欧洲标准EN 50170.表 41 给出了通信口的引脚分配.表 4-1S7-200 CPU 通信口引脚分配针PROFIBUS 名称端口 0/端口 1主变冷却风扇调速系统设计17/521屏蔽逻辑地224V 返回逻辑地3RS485 信号 BRS-485 信号 B4发送申请RTS(TTL）55V 返回逻辑地6+5V+5V,100串联电阻7+24V+24V8RS-485 信号 ARS-485 信号 A9不用10 位协议选择连接器外壳屏蔽屏蔽2、网络连接器利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易的连到网络中。两种连接器都有两组螺钉端子，可以连接网络的输入和输出。一种连接器仅提供连接到 CPU 的接口，而另一种连接器增加了一个编程接口。两种网络连接器还有网络偏置和终端偏置的选择开关,该开关在 ON 位置时的内部接线图，在 OFF 位置时未接终端电阻。接在网络端部的连接器上的开关应放在 ON 位置。带有编程器接口的连接器可以把 SIMATIC 编程器或操作员面板接到网络中，而不用改动现有的网络连接.编程器接口的连接器把 CPU 来的信号传到编程器接口，这个连接器对于连接从 CPU 获取电源的设备（例如操作员面板 TD200 或 OP3）很有用.4。1。3使用使用 PC/PPI 电缆通信电缆通信使用 PC/PPI 电缆可实现 S7200CPU 及 RS-232 标准兼容的设备的通信。有两种不同型号的 PC/PPI 电缆：1、带 RS232 口的隔离型 PC/PPI 电缆，用 5 个 DIP 开关设置波特率和其他配置项。通信的波特率用 PC/PPI 电缆盒上的 DIP 开关来设置。主变冷却风扇调速系统设计18/522、带 RS-232 口的非隔离型 PC/PPI 电缆，用 4 个 DIP 开关设置波特率，这种电缆已经被隔离型 PC/PPI 电缆取代。当数据从 RS-232 传送到 RS-485 口时，PC/PPI 电缆是发送模式。当数据从RS-485 传送到 RS-232 口时，PC/PPI 电缆是接收模式。检测到 RS-232 的发送线有字符时，电缆立即从接收模式切换到发送模式。RS-232 发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时,电缆又切换到接收模式。这个时间及电缆上的 DIP 开关设置的波特率有关。开关 PC/PPI 电缆的 5 号 DIP 设为 0 时，RS232 口为数据通信设备（DCE）模式,设置为 1 时，为数据终端设备（DTE)模式。表 4-2 是 PC/PPI 电缆各个引脚的定义。表 42RS-485 至 RS-232DTE 连接器引脚RS-485 连接器引脚RS-232DTE 连接器引脚引脚号信号说明引脚号信号说明1地（RS-485 逻辑地）1数 据 载 波 检 测(DCD）（不用)224V（RS 485 逻 辑地）2接收数据（RD，输入到 PC/PPI 电缆)3信号 B(RxD/TxD+)3发送数据（TD，从PC/PPI 电缆输出）4RTS(TTL 电平)4数 据 终 端 就 绪（DTR,不用）5地(RS485 逻辑地)5地(RS 232 逻 辑地）6+5V(带 100 串 联 电阻)6数 据 设 置 就 绪（DSR,不用)主变冷却风扇调速系统设计19/52724V 电源7申请发送（RTS，PC/PPI 电缆输出)8信号 A(RxD/TxD)8清除发送（CTS，不用）9协议选择9振铃指示器（RI，不用）注：调制解调器需要一个阴到阳的 9 针到 25 针的转换。4。1。4计算机使用的通信接口参数的设置计算机使用的通信接口参数的设置打开“设置 PG/PC 接口”对话框，“Micro/WIN”应出现在“Access Point ofthe Application（应用的访问接点）”列表框中。PC/PPI 电缆只能选用 PPI 协议:选择好通信协议后，单击“设置 PG/PC 接口”对话框中的“属性(Properties）按钮，然后在弹出的窗口中设置通信参数.PC/PPI 电缆的 PPI 参数设置：如果使用 PC/PPI 电缆，在“设置 PG/PC 接口”对话框中单击“属性”按钮，就会出现 PC/PPI 电缆（PPI)的属性窗口。进行通信时，STEP 7-Micro/WIN 32 的默认设置为多主站 PPI 协议。此协议允许 STEP 7Micro/WIN 32 及其他主站（TD 200 及操作员面板）在网络中共为主站。选中 PG/PC 接口中 PC/PPI 电缆属性对话框中的“多主站网络（MultipleMasterNetword）,即可启动此模块,未选择时为单主站协议。4。1.5S7200 的网络通信协议的网络通信协议S7-200 支持多种通信协议，如点对点接口（PPI)、多点接口(MPI)和 PROFIBUS。它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8 位数据、偶校验和 1 个停止位。通信帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性校验和组成.只要波特率相同,三个协议可以在网络中同时运行，不会相互影响。协议支持一个网络上的 127 个地址(0126)，网络上最多可有 32 个主站，网主变冷却风扇调速系统设计20/52络上各设备的地址不能重复。运行 STEP 7Micro/WIN 32 的计算机的默认地址为0,操作员面板的默认地址为 1,可编程控制器的默认地址为 2。1。点对点接口协议PPI（PointtoPoint）是主/从协议，网络上的 S7200 CPU 均为从站,其他 CPU、SIMATIC 编程器或 TD200 为主站。如果在用户程序中允许 PPI 主站模式,一些 S7-200 CPU 在 RUN 模式下可以作主站,它们可以用网络读(NETR)和网络写(NETW)指令读写其他CPU中的数据。S7200CPU 作 PPI 主站时，还可以作为从站响应来自其他主站的通信申请。PPI 没有限制可以有多少个主站及一个从站通信，但是在网络中最多只能有 32 个主站。2。多点接口协议（MPI)MPI 是集成在西门子公司的可编程序控制器、操作员界面和编程器上的集成通信接口，用于建立小型的通信网络。最多可接 32 个节点，典型数据长度为 64 字节，最大距离 100m。MPI（MultiPoint)可以是主/主协议或主/从协议。S7-300 CPU 作为网络主站,使用主/主协议.对 S7-200 CPU 建立主/从连接,因为 S7200 CPU 是从站。MPI 在两个相互通信的设备之间建立连接，一个连接可能是两个设备之间的非公用连接，另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的连接.主站可以短时间建立连接，或使连接长期断开.每个 S7200 CPU 支持四个连接，每个 EM277 模块支持 6 个连接。它们保留两个连接，其中一个给 SIMATIC 编程器或计算机，另一个给操作员面板.保留的连接不能被其他类型的主站（如 CPU）使用。S7-200 及计算机之间的 MPI 通信,S7-200 要及计算机之间进行 MPI 通信,计算机内必须安装有CP5611 网卡.4 4。2 2USSUSS 通信协议通信协议USS协是由SIEMENSAG定义的，简单的串行数据通讯协议，SIEMENS所有传动产品都支持这个通用协议。及Profibus及其它协议相比，USS协议无须购置通讯附件,是一种低成本、高性能的工业网络组态连接方案。USS协议采用主-从结构,总线上可以连接1个主站和最多31个从站。在主站没主变冷却风扇调速系统设计21/52有要求从站通信时，从站不能首先发送数据；各个从站之间也不能直接进行数据传输.主站一般为PLC或者PC机，从站可以是变频器或者直流调速器。在其他一些串行通讯场合,例如PC机及智能终端，嵌入式系统网络，由于缺乏现成的标准协议，用户不得不自己制定一些协议。USS协议由于其简单、高效、灵活、易于实现，也被广泛的应用在这些场合。USS 协议具有以下一些优点：（1)是开放的，定义透明的系统。(2）由不同的制造商开发了多种产品.（3）在工业应用中证明效果很好.（4)减少了现场布线的数量;便于（不用更改布线)重新编程，监测和控制。（5）速度快,可达12Mbaud.（6)一个DP 系统最多可以连接125 个从站。（7)可以由一个主站或多个主站进行操作.（8）通讯方式可以是点对点或广播方式。（9）有支持和开发软件供使用。4。2.1USS 协议的网络结构协议的网络结构国际化标准组织ISO（International Standard Origination)制定的开放式系统互连OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是一个7层次的标准模型,它定义了不同机种互连网络的标准框架结构,是一种概念性的和功能型的结构，它并不涉及任何特定系统互连的具体技术和方法。（1)物理层 主要为数据链路实体之间的比特传输而建立、维持和拆除物理连接，提供机械、电气、功能及规程方法，其功能是负责一个数据终端设备和一个数据电路终接设备之间的建立、维持、和拆除物理连接。(2)数据链路层 主要负责数据在信道上的传输，提供功能和规章方面的手段,用于网络实体之间建立、维持和释放数据链路的连接，并传送数据链路服务数据单元.主变冷却风扇调速系统设计22/52（3)网络层 是在开放系统之间建立、保持和终止网络连接的手段，并且为传送实体间提供功能和规程方面的手段,如负责路由选择和拥挤控制等。(4)传输层 提供两个进程之间可靠、透明的数据传输。(5）会话层 是合作实体组织同步它们之间的对话，以及管理其数据交换。(6)表示层 提供实体在通信时需要引用的信息表示方法，在两个表示实体之间提供会话连接的服务，并支持有序交换数据的交互。(7)应用层 为应用进程提供访问OSI的手段，是用户使用OSI环境的唯一窗口，为使用OSI的应用程序提供有意义的信息.从 OSI/RM7层模型来看，USS协议包含数据链路层和物理层，没有提供其他的五个层。1。串行接口协议通用的串行接口协议（USS）按照串行总线的主从通讯原理来确定访问的方法。总线上可以连接一个主站和最多31个从站。主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。在主站没有要求它进行通讯时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。2.通讯报文的结构每条报文都是以字符STX(=02hex)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。STXLGEADR12.。.。.。nBCC|采用数据字符|图4。1 通讯报文的结构有效的数据块分成两个区域，即PKW区（参数识别ID数值区)和PZD区(过程数据）.如图4。2所示.|PKW区|PZD区PKE INDPWE1PWE2.。.。PWEnPZD1PZD2.。.。PZDn图4。2 PKW和PZD区域主变冷却风扇调速系统设计23/52PKW 区定义通讯双方参数传递的机制，通过PKW 可以完成从站参数的读写。它包括三部分:PKE，IND,PWE。PKE和IND的信息是关于主站请求的任务（任务识别标记ID）或者应答报文的类型(应答识别标记）。PWE是被访问参数的数值。USS协议的报文长度不是固定的，可以根据需要来确定。标准的USS报文长度为14字节，格式如下:主站发往从站的报文如图4。3所示：STXLGEADRPKEINDPWESTWHSWBCC图4。3主发站报文主站发往从站的报文和从站应答的报文结构一样，只是数据代表的含义有所变化，STW 及ZSW 相对应，HSW及HIW相对应。STX:STX 区是一个字节的ASCII字符(02hex)，表示一条信息的开始。4.2。2USS 协议有关信息的详细说明协议有关信息的详细说明STX：STX 区是一个字节的ASCII 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 的技术说明，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符数，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个字（8字节)的PKW 区和2个字（4字节)的PZD 区，共有12 个数据字符.故得：LGE=12+2=14ADR：ADR 区是一个字节，是从站结点（即变频器）的地址.地址字节每一位的寻址如图4.4所示.76543210主变冷却风扇调速系统设计24/520XX|从站节点地址图4.4 地址(ADR）的位号位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。不用的位应设置为0。BCCBCC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。如果根据校验和的运算结果,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.PKE：用来控制从站的运行参数设定，是一个16位的区域(两个字节）,如图4。5所示。1514131211109876543210控制位0参数值图4.5 PKE各个位的说明IND:参数的下标.PWE：被访问参数的数值。PZD 区域过程数据区)是为控制和监测从站而设计的。通讯报文的PZD 区是为控制和监测从站而设计的.在主站和从站中收到的PZD 总是以最高的优先级加以处理.处理PZD的优先级高于处理PKW 的优先级。PZD包括STW 和HSW，STW为从站的控制字，用于控制从机的运行动作,各位的具体含义应参考从机的说明书。ZSW 为 从站的状态字，及STW相对应,为一个16位的区域。HSW：控制从机的输出频率。满额的值为16384（4000H），对应100的输出频率。最大值为32768，即200的输出频率。当取值为3276865535时，表示反向的输出频率从0-200%变化，电机反转。HIW：运行参数实际值，及FEW 定义相同，为从站的实际频率值。USS协议的主变冷却风扇调速系统设计25/52时序USS 中 定义数据传送格式为:1个启始位，8位数据，1个偶校验位,1个停止位，共11位.每一帧数据的开头都有启动标志STX（02hex）,但是这对于从站清楚识别报文是不充分的，因为数据区中也会出现02(hex）。因此主站在STX前定义了一个启动间隔，它是工作帧的一部分。启动间隔最少是两个字节的传送时间。例如，如果波特率为9600bps,那么最小启动间隔为：2X 1 1bi t/9600bps=2。3ms.常见波特率一F的最小启动间隔，如表4-3所示。表43 常见波特率的最小启动间隔波特率启动时间4800bps4。6ms9600bps2。3ms19200bps1.15ms38400bps0.58ms187500bps0.12ms主站传送帧的结束标志BCC及从站应答帧的启动标志STX之间的时间间隔为应答延时，应答延时最大不超过20ms，并且大于启动间隔，即:启动间隔小于等于应答延时小于等于20ms所以，一个完整的通讯周期为=启动时间+主站传送帧时间+应答时间+从站应答帧时间在一个完整的通讯周期中,主站和从站完成了一次通讯，互相交换了信息.显然通讯速率越快，通讯周期越短。表44是一些常用通讯速率下的通信周期。在实际使用时,通常要考虑系统的稳定性，周期设置的长一些，给主机和从机充分的处理和响应时间表44 常用波特率的通讯周期波特率通讯周期4800bps100ms9600bps50ms主变冷却风扇调速系统设计26/5219200bps25ms38400bps15ms4.2.3 USS 的物理连接的物理连接USS采用RS485连接主站和从站。RS485采用差动电压，有着很高的抗噪声能力,通讯速度高达1OMbps，而且允许工作在超长距离的场合可达1000m)。RS485是为多台机器之间进行通讯而设计的，一个RS485连接最多可以有256个节点。所有的西门子变频器都采用RS485硬件,有的也提供RS232接口。RS232适用于个人计算机及外围设备的接口。为了进行通讯，通讯伙伴之间要连接若干条互连线，并且约定如何交换数据。最简单的情况是由3条连线组成，即发送线（TX)，接收线(RX)和地线（GND)。RS232的设计仅适用于相距不远的两台机器之间的通讯，而且,这一台机器的TX线应连接到另一台机器的RX线，反之,这一台机器的RX线应连接到另一台机器的TX线。典型的电压等级是+/12V。当使用PC机及变频器相连接时，需要一个RS232及RS485接口转换的设备，及主站USS的连接为线性拓扑结构，RS-485数据线的两端均为节点。图4.6表示USS的线性拓扑结构。主机从站 n从站 1从站 2（最多 31 个）图 4。6 USS 的拓扑结构主变冷却风扇调速系统设计27/52USS协议支持的波特率为：300bps，600bps,1200bps，2400bps，4800bps,9600bps等，最高可达1875006ps。常用的有9600bps,57600bps等4。2。4MICROMASTER4 有关有关 USS 通讯的参数设置通讯的参数设置MICROMASTER4 可以有两种USS 通讯接口：RS232 和RS485。RS232 接口用选件模块实现。RS485 接口是将端子14 和15 分别连接到P+和N来实现。在有关参数的文献中，采用RS485 的USS 有时称为USS2，而采用