学习情境11s7-200与变频器uss通信

胡健主编化学工业出版社2010.08西门子S7-200PLC

与工业网络应用技术学习目标……………3知识准备……………6任务实施1…………37任务实施2…………73自我评估……………83学习情境11——S7-200与变频器的USS通信知识目标…………4技能目标…………5学习目标

了解S7-200PLC自由口通信模式，掌握USS通信协议的特点及应用情况，知道西门子有哪些设备支持USS通信协议；理解S7-200PLC的自由口通信协议控制字（SMB30和SMB130）各位的意义，知道如何将S7-200PLC的通信端口设置为USS方式；知道如何设置MM4系列变频器的相关参数，使其能够通过USS协议与S7-200PLC建立通信连接；理解USS通信指令的功能，掌握USS通信指令的使用。知识目标

能够熟练使用S7-200PLC的发送指令（XMT）、接收指令（RCV）或USS指令（USS_INT、USS_CTRL、USS_RPM_x、USS_WPM_x），通过合理设置通信端口的自由口通信模式，建立S7-200PLC与西门子变频器之间的通信连接，编写设备调试程序，最终能够实现用S7-200PLC的通信端口控制变频器的运行、停止、改变输出频率等目的。

技能目标USS通信概述………………7自由口模式的通信指令…14USS指令库………………16USS指令库的使用步骤…24知识准备USS（UniversalSerialInterfaceProtocol，通用串行接口协议）协议是西门子公司为其变频器所开发的通用通信协议，可以支持变频器与PC或PLC之间的通信连接，是一种基于串行总线进行数据通信的协议。S7-200PLC可以将其通信端口设置为自由口模式的USS协议，以便实现PLC对变频器的控制。

USS协议是主-从结构协议，规定了在USS总线上可以有一个主站（PLC）和最多31个从站（变频器）；总线上的每个从站都有唯一的标识码（即站地址，在从站参数中设定），主站依靠标识码识别各个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通信。另外，还有一种广播通信方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收到报文并做出相应的响应后可不回送报文。USS通信概述——USS协议简介1/2

USS协议的波特率最高可达187.5kbps，通信字符格式为1位起始位、1位停止位、1位偶校验位和8位数据位。

USS通信的刷新周期与PLC的扫描周期是不同步的，一般完成一次USS通信需要几个PLC扫描周期，通信时间和链路上变频器的台数、波特率和扫描周期有关。例如，如果通信的波特率设定为19.2kbps，3台变频器，经实际调试检测通信时间大约为50ms。USS通信概述——USS协议简介2/2

USS协议中每一报文都是以字符STX(=02hex)开始，接着是长度的说明(LGE)和地址字节(ADR)，随后是数据字符1～n，报文以数据块的检验符(BCC)结束，其报文结构如图所示。

STX区为1个字节的ASCII字符，固定为02hex，表示一条信息的开始。

LGE区为1个字节，指明这一条信息中后跟的字节数目。

ADR区为一个字节，标志从站地址。

BCC区是长度为一个字节的校验和，用于检查该报文是否有效。它是该报文中BCC前面所有字节“异或”运算的结果。USS通信概述——USS协议的数据报文结构

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数据区由参数标志值域（PKW）和过程数据域（PZD）组成，典型USS报文的数据区结构如图所示。

PKW域由参数标志（PKE）、参数标号（IND）和参数值（PWE）3部分构成。

PKE为参数标志码，1字长。

IND为参数标号，1字长，用来指定某些数组型设备参数的子参数号。

PWE为参数值，1字长或2字长，是PKE区域中所指定参数的IND指定子参数的值。

PZD区是为控制和监测变频器而设计的。PZD区域的长度是由PZD元素的数量和它们的大小（单字或双字）决定的。每个报文中的最大PZD数量限制为16个字，最小为0个字。USS通信概述——USS协议的数据报文结构

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如果使用USS协议，所有型号的西门子变频器均可通过网络方式与PLC或PC机进行信息交换，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。

USS协议通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，最远可达1000m，因此可有效地减少电缆的数量，从而可以大大减少开发和工程费用，并极大地降低客户的启动和维护成本。另外，通过网络，可以连续地对多台变频器进行监视和控制，实现多台变频器之间的联动控制和同步控制，通过网络还可以实时调整变频器的参数。USS通信概述——使用USS协议的优点USS主站设备包括：S7-200、S7-1200、CPU31xC-PtP、CP340、CP341、CP440、CP441等。USS通信概述——常用USS设备

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USS从站设备包括：MM3、MM4、G110、G120、6RA70、6SE70等变频驱动装置及其他第三方支持USS协议的设备。USS通信概述——常用USS设备

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发送指令（XMT）用于在自由口模式下，将数据缓冲区的数据从指定的通信端口发送出去。用XMT指令一次可发送1~255字节数据，指令格式如图所示。

XMT指令的待发送数据缓冲区在指令中由“TBL”参数指定，其中的第一个字节说明要发送的字节数，其他字节为要发送的消息（Message），发送数据缓冲区字符格式如图所示；通信端口由“Port”参数指定。自由口模式的通信指令

——XMT指令

接收指令（RCV）用于在自由口模式下，从指定的通信端口启动或者终止接收消息，并将接收到的消息存储在数据缓冲区中。用RCV指令一次可接收1-255个数据，指令格式如图所示。

RCV指令的接收数据缓冲区在指令中由“TBL”参数指定，并由数据缓冲区的第一个数据指明接收到的字节数，其他字节为所接收到的消息（Message）；通信端口由“Port”参数指定，指令格式如图所示。

自由口模式的通信指令

——RCV指令

在使用USS协议之前，需要先安装西门子的指令库“Toolbox_V32-STEP7-MicroWIN32InstructionLibrary”，安装USS指令库以后，在STEP7-Micro/win指令树的“/指令/库/USSProtoolPort0”和“/指令/库/USSProtoolPort1”文件夹中分别出现8条指令。PLC将用这些指令来控制变频器的运行和参数的读写操作。USS指令库——安装指令库

初始化指令USS_INIT用于使能或禁止PLC和变频器之间的通信，在执行其他USS协议前，必须先成功执行一次USS_INIT指令。只有当该指令成功执行且其完成位（DONE）置位后，才能继续执行下面的指令。

USS指令库——初始化指令USS_NIT

USS_CTRL指令用于控制已经用USS_INIT激活的变频器，每台变频器只能使用1条这样的指令。该指令将用户命令放在通信缓冲区内，如果指令参数Drive指定的变频器已经激活，缓冲区内的命令将被发送到指定的变频器。USS指令库——控制指令USS_CTRL1/4

USS指令库——控制指令USS_CTRL2/4

其中：对应MM3系列变频器的“Status”参数的意义如图所示

USS指令库——控制指令USS_CTRL3/4

其中：对应MM4系列变频器的“Status”参数的意义如图所示

USS指令库——控制指令USS_CTRL4/4

读取变频器参数的指令，包括USS_RPM_W、USS_RPM_D、USS_RPM_R共3条指令，分别用于读取变频器的一个无符号字参数，一个无符号双字参数和一个实数类型的参数，USS_RPM_x指令的格式及参数的意义如表所列。

USS指令库——读取变频器参数的USS_RPM_x指令

写变频器参数的指令包括USS_WPM_W、USS_WPM_D、USS_WPM_R共3条指令，分别用于向指定变频器写入一个无符号字，一个无符号双字和一个实数类型的参数，该指令的格式及参数的意义如表所列。USS指令库——写变频器参数的USS_WPM_x指令

为了保证在S7-200程序中能够使用USS协议指令实现对变频器的控制，必须按以下步骤对USS指令进行编程调用，并建立与变频器的通信连接。设定USS通信参数——调用USS_INIT启动或改变USS的通信参数，且只需要调用一次即可。在用户程序中每一个被激活的变频器只能用一条USS_CTRL指令，可以使用多条USS_RPM_x或USS_WPM_x指令，但是每次只能激活其中的一条指令。USS指令库的使用步骤——设定USS通信参数

为USS指令分配库存储区——在用户程序中调用USS指令后，用鼠标点击指令树中的“程序块”→“库”图标，在弹出的快捷菜单中执行“库存储区”命令，为USS指令库所使用的397个字节V存储区指定起始地址。USS指令库的使用步骤——分配库存储区

对于MM3系列变频器，使用USS协议时，在将MM3系列变频器接入PLC之前，必须先设置MM3系列变频器的以下参数。（1）将变频器恢复为出厂设置（可选）按〈P〉键→显示P000→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P944→按〈P〉键输入参数，使P944=1。（2）使能对所有参数的读/写访问按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P009→按〈P〉键输入参数，使P009=3。（3）检查变频器的电机设置这些设置因使用的电机而不同。按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示变频器的电机设置→按〈P〉键输入下列参数。P081=电机的标识频率（Hz）P082=电机的标识速度（RPM）P083=电机的标识电流（A）P084=电机的标识电压（V）P085=电机的标识功率（kW/HP）USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数1/9

（6）输入从站地址每个变频器（最多31）都可通过总线操作。按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P091→按〈P〉键输入参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示您想要的从站地址（0-31）→按〈P〉输入。（7）斜坡上升时间（可选）这是一个以秒为单位的时间，在这个时间内，电机加速至最高频率。按〈P〉键→按向上〉或〈向下〉键直至P002显示→按〈P〉键输入参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示想要的斜坡加速时间（0-650.00，单位为ms）→按〈P〉键输入。（8）斜坡下降时间（可选）这是一个以秒为单位的时间，在这个时间内，电机减速至完全停止。P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键至P003显示。按〈P〉键输入参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示想要的减速时间（0-650.00，单位为ms）→按〈P〉键输入。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数2/9

（9）串行链接超时设置两个数据报文之间最大的间隔时间，可用来在通讯失败时关断变频器。当收到一个有效的数据报文后计时启动，如果在指定的时间内未收到下一个数据报文，变频器将触发并显示故障代码F008，该值设为零则关断该控制。按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P093→按〈P〉键输入参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示想要的串行链接超时（0-240，0为缺省，时间单位为s）→按〈P〉键输入。（10）串行链接标识系统设定值该值可能不一样，但典型值为50Hz或60Hz，它定义了PV或SP的100％值。按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P094→按〈P〉键输入这些参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示您想要的串行链接标识系统设定（0-400.00）→按〈P〉键输入。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数3/9

（11）USS兼容性（可选）按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P095→按〈P〉键输入这些参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示与您想要的USS兼容性相对应的号码→按〈P〉键输入。其中：

P095=0，表示0.1Hz分辨（缺省）；P095=1，表示0.01Hz分辨。（12）EEPROM存储控制（可选）按〈P〉键→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示P971→按〈P〉键输入这些参数→按〈向上〉或〈向下〉键直至显示与EEPROM存储控制相对应的号码→按〈P〉键输入。其中：

P971=0，表示掉电时参数设置的改变（包括P971）丢失；

P971=1（缺省），表示掉电时，参数设置的改变保留。（13）操作显示按〈P〉键退出参数模式。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数4/9

对于MM4系列变频器，使用USS协议时，在将MM4系列变频器接入PLC之前，必须先设置MM4系列变频器的以下参数。（1）将变频器恢复为出厂设置（可选）

P0010=30P0970=1，表示允许变频器通过参数复位。如果您忽略该步骤，确保以下参数的设置：

USSPZD长度：P2012.2=2USSPKW长度：P2013.0=127

（2）使能对所有参数的读/写访问

P0003=3，表示允许访问变频器的所有参数（专家模式）。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数5/9

（3）检查变频器的电机设置P0304=额定电机电压（V）P0305=额定电机电流（A）P0307=额定功率（W）P0310=额定电机频率（Hz）P0311=额定电机速度（RPM）这些设置因使用的电机而不同。要设置参数P304，P305，P307，P310和P311，必须先将参数P010设为1（快速调试模式）。完成参数设置后，将参数P010再设为0。参数P304，P305，P307，P310和P311只能在快速调试模式下修改。（4）通信源选择

P0700.0=5，设置为远程控制模式，从USS通信接口控制。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数6/9

（5）频率设定源选择

P1000.0=5，从USS通信接口设定频率。（6）斜坡上升时间（可选）

P1120=0-650.00，这是一个以s为单位的时间，在这个时间内，电机加速至最高频率。（7）斜坡下降时间（可选）

P1121=0-650.00，这是一个以s为单位的时间，在这个时间内，电机减速至完全停止。（8）设置串行链接参考频率

P2000=1-650Hz

（9）设置USS标准化

P2009.0=0USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数7/9

（10）设置RS485串口波特率P2010.0=4，表示2400bps；P2010.0=5，表示4800bps；P2010.0=6，表示9600bps；P2010.0=7，表示19200bps；P2010.0=8，表示38400bps；P2010.0=9，表示57600bps；P2010.0=12，表示115200bps。（11）输入USS从站地址

P2011.0=0-31。每个变频器（最多31）都可通过总线操作。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数8/9

（12）设置串行链接超时

P2014.0=0-65535，单位为ms，0=超时禁止。这是到来的两个数据报文之间最大的间隔时间。该特性可用来在通讯失败时关断变频器。当收到一个有效的数据报文后，计时启动。如果在指定时间内未收到下一个数据报文，变频器触发并显示故障代码F0070。该值设为零则关断该控制。（13）从RAM向EEPROM传送数据：

P0971=1，启动传送，将参数设置的改变存入EEPROM。USS指令库的使用步骤——设置变频器的通信参数9/9

USS主站尽量选用直流型的CPU（针对S7-200系列），当使用交流型的CPU和单相变频器进行USS通信时，CPU和变频器的电源必须接成同相位的。建议使用CPU226（或CPU224+EM277）来调试USS通信程序。一般情况下，USS通信电缆采用双绞线即可（如常用的以太网电缆），如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线（如ProfibusDP电缆）。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连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通信口的损坏。要确保通信电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9芯D型插头的插针1。建议将变频器上的0V端子连接到机箱接地点。USS指令库的使用步骤——建立USS通信连接USS主站尽量选用直流型的CPU（针对S7-200系列），当使用交流型的CPU和单相变频器进行USS通信时，CPU和变频器的电源必须接成同相位的。建议使用CPU226（或CPU224+EM277）来调试USS通信程序。一般情况下，USS通信电缆采用双绞线即可（如常用的以太网电缆），如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线（如ProfibusDP电缆）。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连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通信口的损坏。要确保通信电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9芯D型插头的插针1。建议将变频器上的0V端子连接到机箱接地点。USS指令库的使用步骤——建立USS通信连接控制要求…………38任务分析…………39实施方案…………40方案调试…………72任务实施1——S7-200与MM3系列变频器的USS通信

要求用S7-200PLC与一台西门子MM3系列变频器建立USS通信连接，并用S7-200的发送（XMT）及接收（RCV）指令编写USS通信的基通信程序，能够对变频器进行启动、停止及变频调节控制。控制要求S7-200PLC与西门子MM3系列变频器的USS通信，既可以使用USS字协议，用S7-200的发送（XMT）及接收（RCV）指令编写USS通信程序，也可以用USS指令库编写通信程序。在连接变频器之前，必须先将通信程序下载到S7-200CPU，并对变频器进行相关参数的设置，然后才能用RS485电缆将变频器连接到S7-200CPU的通信端口。如果用S7-200的发送（XMT）及接收（RCV）指令编写USS通信程序，则需要编写若干个子程序，分别实现端口初始化、恒速运转操作、变速运转操作、倍频操作、分频操作、停机操作、块校验和计算、发送定时器初始化等功能。另外还要编写几个中断子程序，分别实现发送结束中断处理、发送超时中断处理、接收中断处理、接收超时中断处理等功能。任务分析实施方案——设置MM3系列变频器的相关参数

设置MM3系列变频器的相关参数：使变频器工作在远程控制模式（P910=1）；波特率为19.2kbps（P092=7）；变频器的USS从站地址为1（P091=1）。其他参数根据具体电动机的参数进行设置。实施方案——S7-200系统资源分配实施方案——编写USS通信程序

按要求如果用USS字协议编写通信程序，则程序必须包括以下几个子程序：Main主程序，监视用于自由口/PPI通信切换的RUN/TERM开关，寻找输入。SBR_0初始化子程序，首次扫描时设置自由通信口模式的参数。SBR_1RUN子程序。设定电机恒速运转SBR_2PAMP子程序，设定电机变速运转。SBR_3增加频率倍率的子程序，增加变频器的输出频率SBR_4降低频率倍率的子程序，降低变频器的输出频率SBR_5Stop子程序，停止电机。SBR_6计算输出信息的BBCSBR_7发送信息，初始化发送定时器。INT_0发送结束的中断处理程序，打开接收器。INT_1发送超时的中断处理程序，再试发送，最多试发三次INT_2接收字符的中断程序，结束后进行有效性检验。INT_3接收超时的中断处理程序，再试接收最多试收3次。实施方案——Main主程序（OB1）1/3

实施方案——Main主程序（OB1）2/3

实施方案——Main主程序（OB1）3/3

实施方案——通信端口初始化子程序SBR_0

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实施方案——通信端口初始化子程序SBR_0

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实施方案——通信端口初始化子程序SBR_0

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实施方案——恒速运行控制子程序SBR_1

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实施方案——恒速运行控制子程序SBR_1

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实施方案——变速运行控制子程序SBR_2

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实施方案——变速运行控制子程序SBR_2

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实施方案——变速运行控制子程序SBR_2

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实施方案——增加频率倍率的子程序SBR_3实施方案——减少频率倍率的子程序SBR_4实施方案——停机控制子程序SBR_5实施方案——块校验和计算子程序SBR_6

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实施方案——块校验和计算子程序SBR_6

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实施方案——USS消息发送子程序SBR_7实施方案——发送结束中断子程序INT_0

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实施方案——发送结束中断子程序INT_0

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实施方案——发送超时中断子程序INT_1

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实施方案——发送超时中断子程序INT_1

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实施方案——发送超时中断子程序INT_1

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实施方案——接收中断子程序INT_2

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实施方案——接收中断子程序INT_2

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实施方案——接收中断子程序INT_2

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实施方案——接收中断子程序INT_2

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实施方案——接收超时中断处理子程序INT_3

1/3

实施方案——接收超时中断处理子程序INT_3

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实施方案——接收超时中断处理子程序INT_3

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方案调试

用一根带9针阳性插头的通信电缆接在CPU226通信端口0的1，3，8端上，电缆另一端是无插头的，以便接到MM3变频器的13，14，15端子上（1接15，3接13，8接14）。用RS232/PPI电缆连接计算机和CPU226的端口1，然后接通变频器和CPU226的电源。并将S7-200PLC的通信程序下载到CPU。分别按动变频器的控制按钮，观察电动机的启动、停机、恒速运转、变速运转等情况，并用S7-200PLC的状态表监视接收数据缓冲区的数据变化情况。控制要求…………74任务分析…………75实施方案…………76方案调试…………82任务实施2——S7-200与MM4系列变频器的USS通

要求用S7-200PLC与一台西门子MM4系列变频器建立USS通信连接，并用S7-200的USS指令库编写USS通信的基通信程序，能够对变频器进行启动及停止控制，并读出或写入变频器参数。控制要求

如果用S7-200PLC的USS指令库编写USS通信程序，方法则比较简单，只需按“USS从站初始化（USS_INIT）→USS从站控制（USS_CTRL）→读USS从站参数（USS_RPM_x）→写USS从站参数（USS_WPM_x）”的步骤调用USS指令即可。任务分析实施方案——设置MM4系列变频器的相关参数

设置MM4系列变频器的相关参数：使变频器工作在远程控制模式（P0700=5）；使用USS通信接口设置变频器频率（P1000=5）；波特率为19.2kbps（P2010.0=7）；变频器的USS从站地址为1（P2011.0=1）；禁止通信超时（P2014.0=0）。实施方案——S7-200PLC资源分配

实施方案——编写USS通信程序1/3

在主程序（OB1）中使用USS库指令编写S7-200PLC与MM4变频器的通信程序。实施方案——编写USS通信程序2/3

实施方案——编写USS通信程序3/3

实施方案——为USS通信配置分配库存储区

参照图11-8为USS指令分配库存储区。在用户程序中调用USS指令后，用鼠标点击指令树中的“程序块”→“库”图标，在弹出的快捷菜单中执行“库存储区”命令，为USS指令库所使用的397个字节V存储区指定起始地址。方案调试

连接MM4系列变频器，将RS485电缆的两端插入为USS操作提供的两个卡式接线端。连接电缆用标准的ProfibusDP电缆和连接器，其中一端通过连接器连接CPU226的端口0，另一端不要连接器，将电缆的两根接线必须插在MM4变频器的终端。在做MM4