USS 通信技術(shù)在高精度縱剪分條機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

張志川

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

1 縱剪分條機(jī)的控制要求

本文研究通信網(wǎng)絡(luò)所采用的是有活套的分條沖套，具體的工藝流程：板卷存放→上卷→開卷→引頭→夾送粗矯→對(duì)中→縱剪→廢邊卷取→活套→分離漲緊→分離收卷→卸料。為了適應(yīng)縱剪分條機(jī)每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的同步要求，要求開放卷和收卷的控制電機(jī)，能完成對(duì)應(yīng)工序的張力控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，使整條生產(chǎn)線的每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步。這就要求控制系統(tǒng)的通信要能實(shí)現(xiàn)速度和電流等重要數(shù)據(jù)的傳輸工作。

2 通信系統(tǒng)

2.1 通信協(xié)議

USS 通信協(xié)議是由SIEMENS AG 定義的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，SIEMENS 所有傳動(dòng)產(chǎn)品都支持這個(gè)通用協(xié)議。它被廣泛應(yīng)用于基于西門子 TIA 全自動(dòng)化系統(tǒng)集成工業(yè)控制相關(guān)產(chǎn)品中[1]，它與Profibus 及其他協(xié)議相比，USS 協(xié)議是一種低成本、高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)連接方案，通過(guò)內(nèi)部集成的RS485 通信端子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USS 協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)采用主—從結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)上可以建立1 個(gè)主站和最多31 個(gè)從站[2]，本系統(tǒng)以S7-200 PLC 為主站，6SE70、MM420、MM440變頻器為從站，從站不能主動(dòng)進(jìn)行傳輸，只有在主站要求從站通信的時(shí)候，從站才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。STEP7-MicroWIN 編程軟件（V4.0 或以上）有實(shí)現(xiàn)USS 通信協(xié)議的USS 庫(kù)指令，需要添加USS 協(xié)議庫(kù)（V2.0 以上）及分配相應(yīng)的庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)，共包括14 個(gè)子程序、3 個(gè)中斷程序和8條指令，編寫通信程序時(shí)需要在程序中調(diào)用指令塊?？v剪分條機(jī)USS網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 縱剪分條機(jī)USS 網(wǎng)絡(luò)

2.2 USS通信協(xié)議指令

西門子USS協(xié)議庫(kù)指令包含USS_INT指令如圖2所示、USS_CTRL 指令如圖3 所示以及USS 參數(shù)讀寫指令[4]，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中需要正確地設(shè)置相關(guān)參數(shù)如通信波特率、通信地址等重要參數(shù)才能完成相應(yīng)通信要求。

圖2 USS_INT 指令

圖3 USS_CTRL 指令

2.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器投入運(yùn)行之前，必須確保變頻器參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確，參數(shù)的設(shè)置既可以使用變頻器上基本操作面板的按鍵設(shè)置，也可以利用變頻器組態(tài)軟件STARTER來(lái)完成。由于MM440、MM420和6SE70變頻器如果采用組態(tài)軟件調(diào)試，需要連接USB轉(zhuǎn)RS232和RS232轉(zhuǎn)RS485的串口線，硬件需購(gòu)置，所以直接采用基本操作面板來(lái)完成變頻器的參數(shù)設(shè)置。將MM440、MM420變頻器參數(shù)設(shè)置完畢后，電機(jī)試運(yùn)行，確定無(wú)誤后，開始進(jìn)行6SE70變頻器參數(shù)的設(shè)置。6SE70參數(shù)設(shè)置完畢后，連接電機(jī)試運(yùn)行，確定無(wú)誤后連接通信電纜，以備PLC利用USS串口通信控制變頻器的操作。

2.4 通信電纜連接

USS串口通信電纜的連接用到的主要部件有PROFIBUS電纜和PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)連接器。1）連接網(wǎng)絡(luò)連接器，打開PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)連接器的電纜張力釋放壓塊。2）掀開芯線鎖，將除去電纜芯線外的保護(hù)層按照相應(yīng)的顏色標(biāo)記插入芯線鎖。其中S7-200 Port1口的針腳3對(duì)應(yīng)RS485信號(hào)B+，針腳8對(duì)應(yīng)RS485信號(hào)A-，S7-200 CPU通信端口引腳定義如表1所示。3）把鎖塊用力壓下，使內(nèi)部導(dǎo)體接觸，電纜屏蔽層與屏蔽連接壓片接觸。本控制系統(tǒng)為單主站控制模式，S7-200 作為主站，驅(qū)動(dòng)裝置作為從站，因?yàn)檫€連接人機(jī)界面西門子Smart 700，監(jiān)視畫面如圖5 所示。所以網(wǎng)絡(luò)連接器選用帶編程口的網(wǎng)絡(luò)連接器，將連接好通信線的連接器插接到S7-200 CPU Port1口。PLC為通信站首站，將終端電阻開關(guān)撥到“ON”的位置接入終端電阻。終端電阻是在線型網(wǎng)絡(luò)兩端并聯(lián)在一對(duì)通信線上的電阻，終端電阻可以吸收網(wǎng)絡(luò)上的反射波，能有效地增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，兩個(gè)終端電阻并聯(lián)后的值應(yīng)等于傳輸線在通訊頻率上的特性阻抗。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器通信線的連接，將通信線直接插接到6SE70 的接口板X101 的10、11 端子上，MM440 的端子29、30 上，MM420的端子14、15 上。從站驅(qū)動(dòng)器之間通信線的連接采用并聯(lián)接線。圓盤剪驅(qū)動(dòng)器為通信站的尾站，在圓盤剪驅(qū)動(dòng)器MM440 變頻器端子29、30 之間連接一終端電阻，完成驅(qū)動(dòng)器通信線的連接。

表1 PROFIBUS 連接器指針連接說(shuō)明表

2.5 通信系統(tǒng)調(diào)試

連接完通信線后，再次檢查所連接的通信線和其他硬件的選型、接線是否準(zhǔn)確，確保硬件連接無(wú)誤就可以開始程序的調(diào)試。在完成開卷機(jī)、圓盤剪、卷取機(jī)、刀座、廢邊卷取機(jī)的速度給定計(jì)算后，需要將計(jì)算得到的速度給定值給定到變頻器。由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，各變頻器通過(guò)控制USS_CTRL指令中的RUN啟動(dòng)運(yùn)行。對(duì)于MM4xx系列變頻器，通過(guò)控制USS 指令中的RUN 和DIR 來(lái)控制變頻器正反轉(zhuǎn)輸出，對(duì)于6SE70變頻器，則是通過(guò)改變頻率給定值實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。若頻率給定值為正值，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；頻率給定值為負(fù)值，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.6 通信系統(tǒng)調(diào)試故障及故障分析

2.6.1 故障

1）調(diào)試時(shí)，利用USS_CTRL指令不能控制變頻器，指令中的錯(cuò)誤字節(jié)顯示為1；

2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，6SE70變頻器顯示故障號(hào)“F006”；

3）機(jī)列運(yùn)行一段時(shí)間后6SE70 變頻器顯示故障號(hào)“F021”。

2.6.2 故障分析

1）PLC 與變頻器采用RS485 串口通信協(xié)議，PLC 通過(guò)USS協(xié)議與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。出現(xiàn)的故障是通信出錯(cuò)，首先檢查通信線的連接是否正確，還有就是通信線連接器開關(guān)在首尾站點(diǎn)兩端是否撥到“ON”，中間站點(diǎn)是否撥到“Off”，以連接或斷開終端電阻和偏置電阻，檢查變頻器地址和通信波特率的設(shè)置是否跟USS_INIT 指令中設(shè)置的一致。在檢查上述可能出現(xiàn)的問(wèn)題后，發(fā)現(xiàn)是變頻器中的波特率設(shè)置錯(cuò)誤，修正后PLC與變頻器通信正常。

2）通過(guò)查看6SE70 變頻器使用說(shuō)明書，查看故障號(hào)F006，為直流母線電壓過(guò)高，該裝置關(guān)機(jī)，直流母線電壓范圍為510 V～650 V。說(shuō)明書中提示的解決措施是增大下降時(shí)間P464、激活母線電壓調(diào)節(jié)器P515、減小搜索速度P526或減小最大發(fā)電功率P529。通過(guò)查看r006 參數(shù)后，此時(shí)r006=810 V，增大下降時(shí)間P464，將其設(shè)為10 s，還是顯示F006 故障，此時(shí)r006=790 V，無(wú)法解決問(wèn)題。最后檢查變頻器的接線，包括電源輸入和電機(jī)接線，發(fā)現(xiàn)電機(jī)接地線接錯(cuò)，變頻器接出的接地線沒(méi)有接到電機(jī)的接地端子，通過(guò)斷電將電機(jī)接線修正，有了前車之鑒，在修正后也檢查了其他變頻器的接線，確定無(wú)誤后通電，變頻器顯示處于準(zhǔn)備狀態(tài)，故障排除。

3）通過(guò)查看6SE70 變頻器使用說(shuō)明書，查看故障號(hào)F021，為超過(guò)電機(jī)監(jiān)控參數(shù)設(shè)置的極限值，說(shuō)明書中提示的解決措施是檢查P383 參數(shù)。查看P383 參數(shù)發(fā)現(xiàn)此時(shí)P383=1 000，檢查電機(jī)型號(hào)，因?yàn)殡姍C(jī)的功率是2.2 kW，為4極電機(jī)，應(yīng)將P383設(shè)為660，而此時(shí)P383=1 000已經(jīng)超過(guò)660還是出現(xiàn)F021故障，排除了P383參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤的可能?？紤]到P383 為電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)，想到了會(huì)不會(huì)是因?yàn)殡姍C(jī)電磁轉(zhuǎn)矩過(guò)大導(dǎo)致故障的發(fā)生，通過(guò)將張力倍率減小，將原先的1.0改為0.6后，變頻器正常工作，故障排除。

2.7 開卷機(jī)變頻器電氣圖

開卷機(jī)變頻器電氣圖，如圖4所示。

圖4 開卷機(jī)變頻器電氣圖

2.8 應(yīng)用中的監(jiān)視畫面

應(yīng)用中的西門子Smart 700監(jiān)視畫面，如圖5所示。

圖5 西門子Smart 700 監(jiān)視畫面

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際運(yùn)行證明，基于USS 通信的高精度縱剪分條機(jī)控制系統(tǒng)，是低成本、高性能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)連接方案，極大簡(jiǎn)化分條機(jī)控制系統(tǒng)配置，提高操作穩(wěn)定性，具有比較好的市場(chǎng)推廣意義。