基于USS協(xié)議的錨具檢測(cè)線調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫承志，俞 娟

（三江學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，南京 210012）

0 引言

錨具是橋梁、軌道工程中的關(guān)鍵連接與固定部件，其質(zhì)量直接影響著工程的整體安全性[1]。傳統(tǒng)的抽檢方式不能杜絕有缺陷的產(chǎn)品流入到橋梁的建設(shè)中，那么必須建立專門的檢測(cè)線對(duì)錨具實(shí)行實(shí)時(shí)在線全檢。檢測(cè)線主要對(duì)錨具進(jìn)行探傷和整體硬度的檢測(cè)，將不合格的產(chǎn)品及時(shí)分選出來。受材質(zhì)、工作強(qiáng)度的影響，本文所用的檢測(cè)線被分成了多個(gè)工序，需要分別進(jìn)行調(diào)速控制。為了避免速度不同步給檢測(cè)帶來誤差，本文引入了USS通信協(xié)議完成系統(tǒng)主控制器對(duì)檢測(cè)線各部分的協(xié)調(diào)同步控制，收到了良好的效果。

1 錨具檢測(cè)線簡(jiǎn)介

由于錨具工件重量比較大，對(duì)檢測(cè)線傳輸帶的要求較高。檢測(cè)探頭對(duì)金屬材料比較敏感，在探頭地方不能出現(xiàn)金屬材料[2]。一般的皮帶在分選的時(shí)候容易磨損，且更換皮帶費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而金屬鏈板作傳送帶又會(huì)影響檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)。為了解決該問題，本文的檢測(cè)線被分成了四個(gè)部分，即探傷檢測(cè)、探傷分選、硬度檢測(cè)和硬度分選，其中探傷和硬度檢測(cè)部分采用皮帶傳輸，分選部分采用了金屬鏈板做傳輸帶，這樣既避免了金屬材料對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，又增加了分選機(jī)構(gòu)的抗磨損能力。錨具檢測(cè)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 錨具檢測(cè)線結(jié)構(gòu)圖

2 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 USS協(xié)議簡(jiǎn)介

USS（Universal Serial Interface， 通 用 串 行接口）協(xié)議是西門子專為驅(qū)動(dòng)裝置開發(fā)的通信協(xié)議[3]。它是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議，USS協(xié)議是主-從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，規(guī)定了在USS 總線上可以有一個(gè)主站和最多31 個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址（在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠它識(shí)別每個(gè)從站；每個(gè)從站也只對(duì)主站發(fā)來的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文，從站之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時(shí)給所有從站發(fā)送報(bào)文，從站在接收到報(bào)文并做出相應(yīng)的響應(yīng)后可不回送報(bào)文。

采用USS協(xié)議通信具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）對(duì)硬件設(shè)備要求低，減少了設(shè)備之間的布線；

2）無需重新連線就可以改變控制功能；

3）可通過串行接口設(shè)置或改變傳動(dòng)裝置的參數(shù)；

4）可實(shí)時(shí)的監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)。

在控制器與傳動(dòng)裝置之間采用USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信對(duì)客戶來說是一種既廉價(jià)又方便的選擇，不僅控制數(shù)據(jù)精確，響應(yīng)及時(shí)，而且工作可靠。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的檢測(cè)線機(jī)械部分被設(shè)計(jì)成四道工序，相應(yīng)的需配備四個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該檢測(cè)線在每道工序上安排了一臺(tái)370瓦的三相異步電動(dòng)機(jī)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求根據(jù)工件尺寸、檢測(cè)精度等指標(biāo)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行調(diào)速，因此每臺(tái)電機(jī)配備了一臺(tái)變頻器。檢測(cè)線要求探傷檢測(cè)和硬度檢測(cè)兩道工序的傳送帶運(yùn)行速度必須保持平穩(wěn)，不能出現(xiàn)抖動(dòng)，而傳統(tǒng)的模擬量控制雖然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，但模擬信號(hào)容易抖動(dòng)，導(dǎo)致傳送帶跟著抖動(dòng)，嚴(yán)重影響檢測(cè)效果，容易出現(xiàn)誤判。另外，由于模擬量的誤差存在，四臺(tái)電機(jī)同速運(yùn)行的要求就無法滿足。本系統(tǒng)選用的變頻器是西門子MM420[4]，三相750瓦。具有RS485接口，支持USS通信協(xié)議。

四臺(tái)變頻器作為USS網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)從站，由一臺(tái)CPU226PLC作為主站[5]。CPU226除了做通信主站外，還負(fù)責(zé)該檢測(cè)線合格與不合格品的分揀工作。通過CPU226的PORT0口，經(jīng)屏蔽雙絞線連接MM420的14、15兩個(gè)RS485端子。為提供網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕膫€(gè)從站按總線方式連接，CPU226PLC處在網(wǎng)絡(luò)的初始端，在CPU226的PORT0口接入一個(gè)終端電阻，以防止信號(hào)的反射對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。

四臺(tái)電機(jī)的主電路均分別接入空氣開關(guān)、熱繼電器、控制繼電器等低壓電氣設(shè)備。電機(jī)外殼注意接保護(hù)地。另外，CPU226控制器與變頻器使用同相的電源，保證變頻器的正常工作。電氣控制原理如圖2所示。

圖2 檢測(cè)線控制電氣原理圖

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化調(diào)速控制是該檢測(cè)線軟件控制的一個(gè)重要組成部分。檢測(cè)線機(jī)械部分由探傷檢測(cè)、探傷分選、硬度檢測(cè)、硬度分選四道工序組成，系統(tǒng)在完成工件分選的基礎(chǔ)上要能夠進(jìn)行調(diào)速，以提高工作效率。其中調(diào)速部分要求能夠進(jìn)行統(tǒng)一控制或者單獨(dú)控制。統(tǒng)一控制可以對(duì)四道工序統(tǒng)一啟動(dòng)、停止，各工序電機(jī)按照同一個(gè)速度運(yùn)轉(zhuǎn)。有時(shí)候生產(chǎn)中只需進(jìn)行探傷或者硬度的檢測(cè)，那么單獨(dú)控制可以只啟動(dòng)某道工序，以降低能源消耗。

USS網(wǎng)絡(luò)是主從網(wǎng)絡(luò)，CPU226作為主站依次輪詢各個(gè)從站，分別給每個(gè)從站發(fā)送控制命令和速度值。作為從站的變頻器只能響應(yīng)主站PLC的訪問。

在主從站通信之前，必須對(duì)CPU的PORT口進(jìn)行初始化，包括站地址分配、通信速率設(shè)定、指定通信接口等操作。本系統(tǒng)控制對(duì)象使用了4個(gè)變頻器，分配的站地址為1、2、3、4；通信速率設(shè)為9600bps；使用PLC的PORT1口進(jìn)行USS通信。

該檢測(cè)線的同步控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 調(diào)速控制流程圖

程序中主要的IO接口如表1所示。

表1 符號(hào)地址表

續(xù)表

同步控制模式可以在用戶按下啟動(dòng)或者停止按鈕的時(shí)候，四道工序的電機(jī)能夠同時(shí)啟動(dòng)或者停止，并按照相同的設(shè)定速度運(yùn)行。下面就是同步控制時(shí)的語(yǔ)句表程序。

//防止出現(xiàn)無效站地址

LD SM0.0

LPS

AB＞ VB510, 4

MOVB 1, VB510

LPP

AB＜ VB510, 1

MOVB 1, VB510

//每個(gè)從站間隔VW528 ×4 毫秒被輪詢一次

LD SM0.0

AN T38

TON T38, VW528

//USS從站地址加1，

LD T38

EU

INCB VB510 //本次站地址存入VB510

//同步模式下啟動(dòng)所有變頻器

LD FR1_4_START:I0.2

O V500.0

A ContlMode_Sw:I0.0 // I0.0＝ 1時(shí)為同步控制；I0.0＝0時(shí) 為單獨(dú)控制

EU

S M14.0, 1 //置位同步啟動(dòng)標(biāo)志

R M14.5, 1 //復(fù)位同步停止標(biāo)志

//同步模式下停止所有變頻器

LD FR1_4_STOP:I0.3

O V500.1

A ContlMode_Sw:I0.0 // I0.0＝ 1時(shí)為同步控制；I0.0＝0時(shí) 為單獨(dú)控制

EU

R M14.0, 1 //復(fù)位同步啟動(dòng)標(biāo)志

S M14.5, 1 //置位同步停止標(biāo)志

//設(shè)定變頻器的運(yùn)行速度

LD SpeedSet_Sour_Swh:I0.1

MOVR VD140, VD550

*R VD144, VD550

//調(diào)用USS_CTRL_P1指令，發(fā)送命令和速度值

LD SM0.0

= L60.0 //暫存于一個(gè)臨時(shí)變量中

LD M14.0 // 同步啟動(dòng)命令

= L63.7

LD M14.5 // 同步停止命令

= L63.6

LD #temp4:L0.3

= L63.5

LD #temp2:L0.1

= L63.4

LD #temp3:L0.2

= L63.3

LD L60.0

CALL USS_CTRL_P1:SBR8, L63.7, L63.6,L63.5, L63.4, L63.3, VB510, 1, VD550, V1901.1,VB1902, VW1904, VD554, V1901.2, V1901.3,V1901.4, V1901.5 //調(diào)用USS_CTRL_P1

對(duì)每道工序進(jìn)行單獨(dú)控制的時(shí)候，每臺(tái)電機(jī)的啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)速度是獨(dú)立的，需要根據(jù)站地址分別進(jìn)行賦值。站地址的修改與同步控制是一樣的?？刂泼詈退俣鹊拇_定參見下面的程序。

//1號(hào)從站啟動(dòng)命令確定

LDB= VB510, 1 //判斷當(dāng)前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0 // 模式為單獨(dú)控制

A V501.0

EU

S M14.1, 1 //置位1號(hào)站的啟動(dòng)命令標(biāo)志

R M14.6, 1 //復(fù)位1號(hào)站的停止命令標(biāo)志

//1號(hào)從站停止命令確定

LDB= VB510, 1 //判斷當(dāng)前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0

A V502.0

EU

R M14.1, 1 //復(fù)位1號(hào)站的啟動(dòng)命令標(biāo)志

S M14.6, 1 //置位1號(hào)站的停止命令標(biāo)志

//1號(hào)從站運(yùn)行速度確定

LD SM0.0

AB= VB510, 1 //判斷當(dāng)前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0

MOVR VD100, VD550

*R VD144, VD550 //計(jì)算當(dāng)前站變頻器的運(yùn)行速度

同理可以編寫2、3、4號(hào)站的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行速度確定程序。

當(dāng)所有站的控制命令和速度均設(shè)置好以后，同樣調(diào)用USS_CTRL_P1指令，發(fā)送命令和速度值給相應(yīng)的變頻器。

3 結(jié)束語(yǔ)

西門子的USS協(xié)議是專門用于驅(qū)動(dòng)控制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)低成本的控制網(wǎng)絡(luò)。本文借助USS網(wǎng)絡(luò)，將檢測(cè)線上的觸摸屏、變頻器、PLC等器件通過兩根RS485總線進(jìn)行了可靠的連接，實(shí)現(xiàn)了錨具檢測(cè)線的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)速控制。這套系統(tǒng)不僅極大地簡(jiǎn)化了檢測(cè)線的電氣接線，還有效地解決了傳統(tǒng)模擬量控制存在的速度不穩(wěn)定、生產(chǎn)線抖動(dòng)等問題，保證了探傷檢測(cè)和硬度檢測(cè)的精度。由于自動(dòng)化程度高，后期的維護(hù)成本也比較低。

[1] 李國(guó)平, 謝正元, 沈毅, 等. 預(yù)應(yīng)力錨具錨下病害原因分析及建議[J]. 預(yù)應(yīng)力技術(shù), 2011, 2.

[2] 趙杰, 金屬硬度檢測(cè)方法及選擇[J]. 品牌與標(biāo)準(zhǔn)化, 2009,10.

[3] 嚴(yán)利明, 賈昌武, 王慶超. USS協(xié)議控件及其應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表, 2005, 2.

[4] 西門子工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). MM420通用變頻器使用大全[M], 2003.

[5] 徐家明, 程耕國(guó). PLC與變頻器基于USS的標(biāo)準(zhǔn)化通信[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2009, 3.