物料传送与分拣生产
线变频调速控制
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任务 1 物料传送与分拣生产线控制系统
任务 2 基于 USS 协议网络控制变频器运行
任务 1
物料传送与分拣生产线控制系统
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学习目标
1. 熟悉物料检测生产线装置的主要组成部分及作用。
2. 掌握物料检测生产线装置的工作原理。
3. 能连接常用基本气动回路。
4. 能正确设置变频器参数。
5. 能设计物料检测生产线的 PLC 控制程序。
6. 能正确完成物料传送与分拣生产线控制系统的安装与
调试。
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任务引入
物料检测生产线装置如下图所示。当传送带落料口人工放下已装配的工件
并按下启动按钮时变频器启动，驱动传动电动机以固定频率 30 Hz 对应的速度，
把工件带往分拣区。电感式传感器检测到金属料件后，传送带停止，工件被推
到 1 号槽中；如果工件为白色塑料件，则该工件到达 2 号槽口，光纤传感器检
测到白色塑料件后，传送带停止，工件被推到 2 号槽中；如果工件为黑色塑料
件，则该工件到达 3 号槽口，光纤传感器检测到黑色塑料件后，传送带停止，
工件被推到 3 号槽中。工件被推出料槽后，该工作单元的一个工作周期结束。
仅当工件被推出料槽后，才能人工再次向传送带下料。当传送带运转 120 s后，
未检测到任何料件时，报警指示灯亮 20 s 后熄灭。
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物料检测生产线装置
1—磁性开关 2—传送分拣机构 3—落料口传感器 4—落料口 5—料槽 6—电感式传感器
7—光纤传感器 8—过滤调压阀 9—节流阀 10—三相异步电动机
11—光纤放大器 12—推料气缸
一、物料检测生产线装置的主要组成部分及作用
1. 落料口：用于物料落料位置定位。
2. 料槽：用于放置物料。
3. 电感式传感器：用于检测金属材料，检测距离为 3 ~ 5 mm。
4. 光纤传感器：用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分
不同颜色的灵敏度。
5. 三相异步电动机：用于驱动传送带转动，由变频器控制。
6. 推料气缸：用于将物料推入料槽，由电控气阀控制。
7. 落料口传感器：用于检测是否有物料到传送带上，并给 PLC 一个输入信
号。
相关知识
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二、物料检测生产线装置的工作原理
物料传送过程中，要能实现物料的分拣与准确入仓，需要工件准确地停止，
实现定位。要想得到比较准确的位置，要正确设置变频器的减速时间，使其在
接收到停止信号后能够准确地停下来。当传送带上有物料时，电动机启动后物
料到推料一处时，如果电感式传感器接通，检测到物料是金属件，马上驱动推
料一推杆推动物料，当物料已推到位时，马上复位推料一推杆电磁阀并复位传
送带电动机；
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如果电感式传感器没有接通，则传送带继续传送物料。当物料到推料二处时，
如果光纤传感器接通，检测到物料是白色塑料件，马上驱动推料二推杆推动物
料，当物料已推到位时，马上复位推料二推杆电磁阀并复位传送带电动机；如
果光纤传感器没有接通，则传送带继续传送物料。当物料到推料三处时就只剩
下黑色物料，只要有物料就可以推出，当物料已推到位时，马上复位推料三推
杆电磁阀并复位传送带电动机。
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任务 2
基于 USS 协议网络控制变频器运行
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学习目标
1. 熟悉 USS 通信及硬件连接。
2. 熟悉 USS 协议专用指令。
3. 熟悉与 S7－200 SMART PLC 相关的变频器参数。
4. 能正确设置变频器参数。
5. 能独立完成 PLC 通过 USS 协议网络控制变频器的运
行。
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任务引入
本任务是用 PLC 通过 USS 协议网络控制任务 1 中物料传送与分拣生产线
控制系统中变频器的运行。控制要求是 S7－200 SMART PLC 通过 USS 协议网
络控制 G120 变频器，控制电动机的启动、制动停止、自由停止和正反转，并
能够通过 PLC 设置和读取变频器参数。
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使用 USS 协议的优点如下。
（1）对硬件设备要求低，减少了设备之间布线的数量。
（2）无须重新布线就可以改变控制功能。
（3）可通过串行接口设置来修改变频器的参数。
（4）可连续对变频器的特性进行监测和控制。
（5）利用 S7－200 SMART CPU 组成 USS 通信的控制网络具有较高的性
价比。
相关知识
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一、USS 通信及硬件连接
USS 通信是由主站发起的，USS 主站不断循环轮询各个从站，从站根据收
到的指令，决定是否以及如何响应。从站不会主动发送数据。
1. S7－200 SMART CPU 通信接口
S7－200 SMART CPU 采用与 RS－485 兼容的 D 型连接器，其通信接口的
引脚分配及定义见下表。
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D 型连接器通信接口的引脚分配及定义
2. G120 变频器通信接口
在 G120 变频器前面板上的通信接口是 RS－485，与 USS 通信有关的前面
板接口如图所示。
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与 USS 通信有关的前面板接口
3. S7－200 SMART 与 G120 的 USS 通信接线
将 G120 变频器的通信接口 29 和 30 分别接至 S7－200 SMART 通信接口
的 3 脚与 8 脚，如图所示。
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S7－200 SMART 与 G120 的 USS 通信接线图
通信接线注意事项如下。
（1）在条件许可的情况下，USS 主站尽量选用直流型的 CPU。
（2）一般情况下，USS 通信电缆采用双绞线即可，如果干扰比较大，可
采用屏蔽双绞线。
（3）在采用屏蔽双绞线作为通信电缆时，把具有不同电位参考点的设备
互联后，在连接电缆中形成不应有的电流，这些电流会导致通信错误或设备损
坏。
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（4）尽量采用较高的波特率，通信速率只与通信距离有关，与干扰没有
直接关系。
（5）终端电阻的作用是用于防止信号反射，并不用于抗干扰。
（6）不要带电插拔通信电缆，尤其是正在通信的过程中，这样极易损坏
传动装置和 PLC 的通信接口。
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二、USS 协议专用指令
1. USS_ INIT 指令
使用其他 USS 协议指令之前，必须使用 USS_ INIT 指令对变频器进行
USS 通信参数初始化。USS_ INIT 指令如图所示。
317USS_ INIT 指令
指令解释如下。
（1）EN：使能输入端，应用中可以使用 SM0. 1 或边沿触发指令调用
USS_ INIT 指令。
（2）Mode：模式选择端，执行 USS_ INIT 指令时，Mode 的状态决定是
否在 Port 接口上使用 USS 通信功能。
（3）Baud：USS 通信波特率，此参数要和变频器的参数设置一致，将波
特率设为 1 200 bit / s、2 400 bit / s、4 800 bit / s、9 600 bit / s、19 200 bit / s、
38 400 bit / s、57 600 bit / s 或 115 200 bit / s。
（4）Active：激活驱动器，某些驱动器仅支持地址 0 ~ 31。
（5）Done：初始化完成标志。
（6）Error：初始化错误代码。
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2. USS_ CTRL 指令
USS_ CTRL 指令用于对单台处于激活状态的变频器进行运行控制。这个功
能块利用了 USS 协议中的 PZD 数据传输，控制和反馈信号更新较快。网络上
每一个激活的 USS 变频器从站都要在程序中调用一个独立的 USS_ CTRL 指令，
而且只能调用一次。需要控制的变频器必须在 USS 初始化指令运行时定义为“
激活” 。USS_ CTRL 指令如图所示。
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320USS_ CTRL 指令
指令解释如下。
（1）EN：使能输入端，使用 SM0. 0 使能 USS_ CTRL 指令。
（2）RUN：驱动装置的启动 / 停止控制端，0 为停车，1 为启动。
（3）OFF2：停车信号 2，此信号为 1 时，变频器将封锁主电路输出，电
动机自由停车。
（4）OFF3：停车信号 3，此信号为 1 时，变频器将快速停车。
（5）F_ ACK：故障确认，当驱动装置发生故障后，将通过状态字向 USS
主站报告。
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（6）DIR：电动机运转方向控制，其 0 / 1 状态决定电动机的运行方向。
（7）Drive：变频器在 USS 网络上的站号，从站必须先在初始化时激活才
能进行控制，有效地址 0 ~ 31。
（8）Type：向 USS_ CTRL 功能块输入变频器类型。
（9）Speed_ SP：速度设定值，速度设定值必须是一个实数，给出的数值
是变频器的频率范围百分比还是绝对的频率值取决于变频器中的参数设置。
（10）Resp_ R：从站应答确认信号，主站从 USS 从站收到有效的数据后，
此位将为 1，即一个程序扫描周期。
（11）Error：错误代码，0 = 无出错。
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（12）Status：变频器的状态字，表示变频器当时的实际运行状态，详细
的状态字信息含义参考相应的变频器手册。
（13）Speed：驱动装置返回的实际运转速度值。
（14）Run_ EN：运行模式反馈，表示变频器是在运行（为 1）还是停止
（为 0）。
（15）D_ Dir：指示变频器的运转方向。
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（16）Inhibit：变频器禁止状态指示（0 表示未禁止，1 表示禁止状态），
在禁止状态下驱动装置无法运行。
（17）Fault：故障指示位（0 表示无故障，1 表示有故障），表示驱动装
置处于故障状态，驱动装置上会显示故障代码（如果有显示装置）。要复位故
障报警状态，必须先消除引起故障的原因，然后用 F_ ACK 或驱动装置的端子
或操作面板复位故障状态。
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3. USS_ RPM 指令
USS_ RPM 指令用于读取变频器的参数，USS 协议共有 3 种读指令，如图
所示。
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USS 协议的 3 种读指令
（1）USS_ RPM_ W 指令用于读取一个无符号字类型的参数。
（2）USS_ RPM_ D 指令用于读取一个无符号双字类型的参数。
（3）USS_ RPM_ R 指令用于读取一个浮点数类型的参数。
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指令解释如下。
1）一次仅限将一条读取（USS_ RPM_ ×）指令设为激活。
2）EN 位必须为 ON）才能启用请求传送，并应当保持 ON，直至设置
Done 位，表示进程完成。
3）Drive 用于输入变频器的地址，USS_ RPM_ ×指令被发送至该地址。单
台变频器的有效地址是 0 ~ 31。
4）Param 是参数号码。Index 是需要读取参数的索引值。Value 表示参数
数值已恢复。
5）当 USS_ RPM_ ×指令完成时，Done 输出 ON，Error 输出字节，Value
输出包含执行指令的结果。
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4. USS_ WPM 指令
USS_ WPM 指令用于写入变频器的参数，USS 协议共有 3 种写指令，如图
所示。
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USS 协议的 3 种写指令
（1）USS_ WPM_ W 指令用于写入无符号字类型的参数。
（2）USS_ WPM_ D 指令用于写入无符号双字类型的参数。
（3）USS_ WPM_ R 指令用于写入浮点数类型的参数。
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指令解释如下。
1）一次仅限将一条写入（USS_ WPM_ ×）指令设为激活。
2）当变频器确认收到命令或发送一则错误条件时，USS_ WPM_ ×事项完
成。
3）EN 位必须为 ON，才能启用请求传送，并应当保持打开，直至设置
Done 位，表示进程完成。
4）当 EEPROM 输入接通时，该指令将数据写入变频器的 RAM 和
EEPROM；当 EEPROM 输入断开时，该指令将数据写入变频器 RAM。
5）其他参数的含义及使用方法参考 USS_ RPM 指令。
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三、与 S7－200 SMART PLC 相关的变频器参数
变频器与 S7－200 SMART PLC 连接时，变频器接口宏设置为 21。电动机
的启停、旋转方向和转速通过 USS 总线控制。变频器自动设置的参数（接口宏
21）见下表，与接口宏 21 相关的需要手动设置的参数见下表。
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变频器自动设置的参数（接口宏 21）
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与接口宏 21 相关的需要手动设置的参数
