6ES7511-1TL03-0AB0技术参数

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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**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**的整体。西门子变频器USS自由口通信以其通信质量高、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
2.1 USS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，仅有较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，较远可达1000m，因此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。具有较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:报文同时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。
●PKE PKE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**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较新，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**的控制理论(模糊控制、神经网络控制等)就很的通过上位机实现，从而控制交直流驱动器实现调速的智能化。该系统通过S7-200 CPU226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1 USS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**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MASTERDRIVER 6SE71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);同时控制字的*十位必须为1来通信;再将通信所发控制字及给定发到接口地址……;同时在总线起端和末端接终端电阻。
同时为了降低电磁干扰，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)，同时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

Siva Sivaram提到：“从QLC到PLC的过渡会比较慢。因此，也许在这个十年的后半期，我们将看到一些细分市场会获得5位/单元（PLC）的存储产品“。她表示，具体原因为目前的主控芯片技术还不够**，无法处理 PLC 闪存庞大的数据量。

这种观点与英特尔、不同，这两家公司对 PLC 技术呈乐观态度，其他闪存供应商认为未来几年3D PLC SSD就可以进入市场和HDD竞争。

PLC闪存每个单元可以存储5比特数据，相比QLC多出25%。为了25%的容量红利需要牺牲很多，包括额外的ECC纠错能力、额外的OP保留空间、额外的性能损失等等。当前较新主控的4K LDPC算法都无法满足PLC闪存的纠错需要。

每种新闪存投入市场都会降低SSD的价格，但相对的耐用性和性能都会大幅下降，QLC闪存已经出现在市场上多年了，但它并没有迅速的取代TLC闪存，过渡时间要比TLC取代MLC长得多，就是因为这两个原因，耐久度的问题可以通过使用较大的容量来解决，但性能的问题必须等待较**的主控和改进的闪存。

PLC较广为人知的是在电子技术领域，它是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称。在光通信技术领域，PLC是平面光路（Planar Lightwave Circuit）的简称，它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构，在技术上，可实现的功能性器件有方向耦合器DC、Y分支器、多模干涉耦合器MMI、阵列波导光栅AWG、光学梳状滤波器ITL、马赫－增德尔MZ电光调制器、热光可调衰减器TO－VOA、热光开关TO－SW等。

在光通信产业界，得到广泛应用的PLC器件主要有光分路器、AWG、MZ电光调制器、TO－VOA等，其中光分路器是基于Y分支串并联实现的分光器件，比如一个1×16端口的光分路器，需要15个Y分支器。AWG是一种1×N端口器件，它可以将输入的数十个波长分开到不同输出端口。基于铌酸锂光波导制备的MZ调制器，是目前较主流的调制器方案；而硅光调制器技术业已发展成熟，成为50G以上高速调制器的可以选择方案。基于PLC技术的TO－VOA与AWG结合，构成具备信道均衡功能的波分复用／解复用器VMUX模块。

基于PLC技术、得到广泛应用的光通信器件有多种，但是在产业界，PLC通常指的是光分路器，它是一种在FTTH网络中应用较多的光无源器件。在2000年的互联网泡沫之后，光通信产业进入萧条期；2004年左右，在应用场景还没出现的情况下，日本将FTTH作为基础设施进行投资建设；2008年后随着中国的加入，FTTH建设在2012年左右达到高峰。FTTH通常采用无源光网络PON，其**就是PLC光分路器，在各种商业楼宇和住宅中被广泛敷设。在生活体验中，离我们较近的就是，入户调制解调器的“猫”尾巴，由早期的双绞线升级至目前的光纤跳线，就是引自PLC光分路器的一个端口，光纤入户通常能支持100－200M的网速，这比电缆所能支持的4M传输速率高得多。

光分路器（PLC）制作工艺大全

在光通信领域，PLC是平面光路的简称，它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构，以实现某种功能性器件。光波导的制备工艺，主要有四种：离子交换，离子注入，化学气相沉积和火焰水解法。

1） 离子交换

离子交换工艺的原理，是将含有A＋离子的玻璃材料浸泡在含有B＋离子的溶液中，利用离子会从高浓度区域向低浓度区域扩散的性质，以溶液中的B＋离子将玻璃中的A＋离子交换出来。由于含A＋离子的玻璃材料比含B＋离子的玻璃材料具有较高的折射率，从而在发生离子交换的区域获得高折射率，作为光波导的芯层，未发生离子交换的区域作为光波导的包层，得到所需的光波导结构。

通过离子交换制备光波导的大致工艺流程如图1所示：

1）通过蒸镀或者溅射工艺，在玻璃基底上覆盖一层掩模层；

2）通过光刻和腐蚀工艺，在掩膜层开出一个波导结构的窗口；

3）将制备好掩模层并开窗口的玻璃材料，浸泡在溶液中进行离子交换；

4）通过电场驱动，将分布在表层的交换离子驱动到一定深度，形成波导结构。

实际工艺中，为了较好的保离子交换效果，上述3－4两步需要同时进行，这有赖于具体的工艺设计