如何通过USS协议实现变频器与PLC之间的通信？

USS协议（Universal Serial Interface Protocol）是西门子公司专为驱动设备设计的基于串行通信的通用协议，它通过RS485物理接口实现PLC与变频器等设备的经济高效通信。以下将详细解析USS协议的工作原理、硬件连接、参数配置及编程实现，并结合实际应用中的注意事项，为工业自动化领域的工程师提供一套完整的解决方案。

一、USS协议的基础原理

USS协议采用主从式通信结构，PLC作为主站（Master），变频器作为从站（Slave），支持1主31从的拓扑。其通信帧结构包含：

● 起始字符：STX（0x02）标志帧开始。

● 地址域：1字节从站地址（0-31）。

● 数据域：包含控制命令和参数数据。

● 校验和：BCC校验确保数据完整性。

● 结束字符：ETX（0x03）。

协议采用半双工方式，波特率可配置为9600-115200bps，默认19200bps。通信内容包含控制命令（如启停、频率设定）和参数读写（如PZD过程数据、PKW参数标识值）。

二、硬件连接与配置

1. 物理层搭建：

● 使用屏蔽双绞线连接PLC的RS485接口（如西门子S7-200的Port0）与变频器（如MM440）的USS端子（P+、N-）。

● 终端电阻（120Ω）需在总线两端并联。

● 确保接地良好以避免共模干扰。

2. 变频器参数设置：

plaintext

P0700 = 5（选择USS控制）

P2010 = 6（波特率19200bps）

P2011 = 3（从站地址）

P2012 = 2（PZD长度）

P2013 = 127（PKW长度）

3. PLC硬件组态：

● 在STEP 7中配置通信端口为USS协议。

● 设置与变频器匹配的波特率、奇偶校验（通常为偶校验）。

三、PLC编程实现

以西门子S7-1200为例，使用USS指令库进行编程：

1. 初始化USS通信：

STL

CALL "USS_PORT_CFG"

PORT := 1, // 硬件接口号

BAUD := 19200, // 波特率

USS_DB := "USS_DB" // 数据块地址

2. 控制指令发送：

STL

CALL "USS_CTRL"

RUN := M0.0, // 启动信号

SPEED := 50.0, // 设定频率（%）

USS_DB := "USS_DB",

RESP_R := MW20 // 响应状态字

3. 参数读写操作：

STL

CALL "USS_RPM"

INDEX := 108, // 参数号P108

USS_DB := "USS_DB",

VALUE := MD30 // 读取值存储地址

四、通信故障排查

1. 常见问题处理：

● 通信中断：检查终端电阻、电缆长度（<50米）、地址冲突。

● 数据错误：验证BCC校验算法，调整波特率容差（P2014参数）。

● 响应超时：修改P2015（USS报文间隔时间）。

2. 信号优化技巧：

● 使用示波器检测信号波形，确保上升沿陡峭。

● 在干扰环境中增加磁环滤波器。

● 采用光纤转换器实现长距离传输。

五、高级应用场景

1. 多变频器同步控制：

● 通过广播地址（0）同时控制多台设备

● 结合PKW协议实现参数批量读写

2. 与MODBUS协议对比：

特性	USS协议	MODBUS RTU
开发成本	无需授权费	需协议栈授权
数据效率	专用优化帧	通用格式
功能扩展	支持驱动专用指令	需自定义功能码

3. 安全增强方案：

● 在P971参数中设置通信超时保护

● 通过P2100-P2103配置故障应急措施

六、实际工程案例

某纺织厂细纱机控制系统采用S7-1500通过USS协议控制20台G120变频器，实现：

● 实时采集电机电流（P0064）、温度（P0625）。

● 动态调整卷绕张力（P2253-P2257）。

● 通过PROFINET网关将USS数据集成到上位机系统。

该方案相比传统硬接线节省60%布线成本，故障诊断时间缩短75%。

USS协议以其简洁高效的特性，在中小型驱动系统中仍具有不可替代的优势。随着PROFINET等实时以太网技术的普及，USS可通过串口服务器（如CP341）实现与现代控制系统的无缝集成。工程师在实施时需特别注意电磁兼容性设计，并合理规划通信时序，以充分发挥其经济性和可靠性优势。

审核编辑 黄宇