基于USS協議的錨具檢測線調速系統設計

孫承志，俞 娟

（三江學院 電氣與自動化工程學院，南京 210012）

0 引言

錨具是橋梁、軌道工程中的關鍵連接與固定部件，其質量直接影響著工程的整體安全性[1]。傳統的抽檢方式不能杜絕有缺陷的產品流入到橋梁的建設中，那么必須建立專門的檢測線對錨具實行實時在線全檢。檢測線主要對錨具進行探傷和整體硬度的檢測，將不合格的產品及時分選出來。受材質、工作強度的影響，本文所用的檢測線被分成了多個工序，需要分別進行調速控制。為了避免速度不同步給檢測帶來誤差，本文引入了USS通信協議完成系統主控制器對檢測線各部分的協調同步控制，收到了良好的效果。

1 錨具檢測線簡介

由于錨具工件重量比較大，對檢測線傳輸帶的要求較高。檢測探頭對金屬材料比較敏感，在探頭地方不能出現金屬材料[2]。一般的皮帶在分選的時候容易磨損，且更換皮帶費時費力，而金屬鏈板作傳送帶又會影響檢測傳感器的檢測信號。為了解決該問題，本文的檢測線被分成了四個部分，即探傷檢測、探傷分選、硬度檢測和硬度分選，其中探傷和硬度檢測部分采用皮帶傳輸，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檢測結果的影響，又增加了分選機構的抗磨損能力。錨具檢測線結構如圖1所示。

圖1 錨具檢測線結構圖

2 調速控制系統設計

2.1 USS協議簡介

USS（Universal Serial Interface， 通 用 串 行接口）協議是西門子專為驅動裝置開發的通信協議[3]。它是一種基于串行總線進行數據通訊的協議，USS協議是主-從結構的協議，規定了在USS 總線上可以有一個主站和最多31 個從站；總線上的每個從站都有一個站地址（在從站參數中設定），主站依靠它識別每個從站；每個從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文，從站之間不能直接進行數據通訊。另外，還有一種廣播通訊方式，主站可以同時給所有從站發送報文，從站在接收到報文并做出相應的響應后可不回送報文。

采用USS協議通信具有以下四個優點：

1）對硬件設備要求低，減少了設備之間的布線；

2）無需重新連線就可以改變控制功能；

3）可通過串行接口設置或改變傳動裝置的參數；

4）可實時的監控傳動系統。

在控制器與傳動裝置之間采用USS協議實現通信對客戶來說是一種既廉價又方便的選擇，不僅控制數據精確，響應及時，而且工作可靠。

2.2 硬件系統設計

本文中的檢測線機械部分被設計成四道工序，相應的需配備四個傳動機構。該檢測線在每道工序上安排了一臺370瓦的三相異步電動機。生產現場要求根據工件尺寸、檢測精度等指標，系統能夠進行調速，因此每臺電機配備了一臺變頻器。檢測線要求探傷檢測和硬度檢測兩道工序的傳送帶運行速度必須保持平穩，不能出現抖動，而傳統的模擬量控制雖然可以實現連續調速，但模擬信號容易抖動，導致傳送帶跟著抖動，嚴重影響檢測效果，容易出現誤判。另外，由于模擬量的誤差存在，四臺電機同速運行的要求就無法滿足。本系統選用的變頻器是西門子MM420[4]，三相750瓦。具有RS485接口，支持USS通信協議。

四臺變頻器作為USS網絡的四個從站，由一臺CPU226PLC作為主站[5]。CPU226除了做通信主站外，還負責該檢測線合格與不合格品的分揀工作。通過CPU226的PORT0口，經屏蔽雙絞線連接MM420的14、15兩個RS485端子。為提供網絡傳輸的可靠性，四個從站按總線方式連接，CPU226PLC處在網絡的初始端，在CPU226的PORT0口接入一個終端電阻，以防止信號的反射對網絡的影響。

四臺電機的主電路均分別接入空氣開關、熱繼電器、控制繼電器等低壓電氣設備。電機外殼注意接保護地。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 檢測線控制電氣原理圖

2.3 軟件系統設計

網絡化調速控制是該檢測線軟件控制的一個重要組成部分。檢測線機械部分由探傷檢測、探傷分選、硬度檢測、硬度分選四道工序組成，系統在完成工件分選的基礎上要能夠進行調速，以提高工作效率。其中調速部分要求能夠進行統一控制或者單獨控制。統一控制可以對四道工序統一啟動、停止，各工序電機按照同一個速度運轉。有時候生產中只需進行探傷或者硬度的檢測，那么單獨控制可以只啟動某道工序，以降低能源消耗。

USS網絡是主從網絡，CPU226作為主站依次輪詢各個從站，分別給每個從站發送控制命令和速度值。作為從站的變頻器只能響應主站PLC的訪問。

在主從站通信之前，必須對CPU的PORT口進行初始化，包括站地址分配、通信速率設定、指定通信接口等操作。本系統控制對象使用了4個變頻器，分配的站地址為1、2、3、4；通信速率設為9600bps；使用PLC的PORT1口進行USS通信。

該檢測線的同步控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 調速控制流程圖

程序中主要的IO接口如表1所示。

表1 符號地址表

續表

同步控制模式可以在用戶按下啟動或者停止按鈕的時候，四道工序的電機能夠同時啟動或者停止，并按照相同的設定速度運行。下面就是同步控制時的語句表程序。

//防止出現無效站地址

LD SM0.0

LPS

AB＞ VB510, 4

MOVB 1, VB510

LPP

AB＜ VB510, 1

MOVB 1, VB510

//每個從站間隔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

//同步模式下啟動所有變頻器

LD FR1_4_START:I0.2

O V500.0

A ContlMode_Sw:I0.0 // I0.0＝ 1時為同步控制；I0.0＝0時 為單獨控制

EU

S M14.0, 1 //置位同步啟動標志

R M14.5, 1 //復位同步停止標志

//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時為同步控制；I0.0＝0時 為單獨控制

EU

R M14.0, 1 //復位同步啟動標志

S M14.5, 1 //置位同步停止標志

//設定變頻器的運行速度

LD SpeedSet_Sour_Swh:I0.1

MOVR VD140, VD550

*R VD144, VD550

//調用USS_CTRL_P1指令，發送命令和速度值

LD SM0.0

= L60.0 //暫存于一個臨時變量中

LD M14.0 // 同步啟動命令

= 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 //調用USS_CTRL_P1

對每道工序進行單獨控制的時候，每臺電機的啟停和運轉速度是獨立的，需要根據站地址分別進行賦值。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號從站啟動命令確定

LDB= VB510, 1 //判斷當前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0 // 模式為單獨控制

A V501.0

EU

S M14.1, 1 //置位1號站的啟動命令標志

R M14.6, 1 //復位1號站的停止命令標志

//1號從站停止命令確定

LDB= VB510, 1 //判斷當前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0

A V502.0

EU

R M14.1, 1 //復位1號站的啟動命令標志

S M14.6, 1 //置位1號站的停止命令標志

//1號從站運行速度確定

LD SM0.0

AB= VB510, 1 //判斷當前站地址是否為1

AN ContlMode_Sw:I0.0

MOVR VD100, VD550

*R VD144, VD550 //計算當前站變頻器的運行速度

同理可以編寫2、3、4號站的啟動、停止和運行速度確定程序。

當所有站的控制命令和速度均設置好以后，同樣調用USS_CTRL_P1指令，發送命令和速度值給相應的變頻器。

3 結束語

西門子的USS協議是專門用于驅動控制的網絡協議，可實現低成本的控制網絡。本文借助USS網絡，將檢測線上的觸摸屏、變頻器、PLC等器件通過兩根RS485總線進行了可靠的連接，實現了錨具檢測線的網絡化調速控制。這套系統不僅極大地簡化了檢測線的電氣接線，還有效地解決了傳統模擬量控制存在的速度不穩定、生產線抖動等問題，保證了探傷檢測和硬度檢測的精度。由于自動化程度高，后期的維護成本也比較低。

[1] 李國平, 謝正元, 沈毅, 等. 預應力錨具錨下病害原因分析及建議[J]. 預應力技術, 2011, 2.

[2] 趙杰, 金屬硬度檢測方法及選擇[J]. 品牌與標準化, 2009,10.

[3] 嚴利明, 賈昌武, 王慶超. USS協議控件及其應用[J]. 電測與儀表, 2005, 2.

[4] 西門子工業自動化與驅動集團. MM420通用變頻器使用大全[M], 2003.

[5] 徐家明, 程耕國. PLC與變頻器基于USS的標準化通信[J].微計算機信息, 2009, 3.