USS 通信技術在高精度縱剪分條機控制系統中的運用

張志川

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

1 縱剪分條機的控制要求

本文研究通信網絡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→對中→縱剪→廢邊卷取→活套→分離漲緊→分離收卷→卸料。為了適應縱剪分條機每個傳動點的同步要求，要求開放卷和收卷的控制電機，能完成對應工序的張力控制，進而實現調速目的，使整條生產線的每個傳動點實現同步。這就要求控制系統的通信要能實現速度和電流等重要數據的傳輸工作。

2 通信系統

2.1 通信協議

USS 通信協議是由SIEMENS AG 定義的串行數據通信協議，SIEMENS 所有傳動產品都支持這個通用協議。它被廣泛應用于基于西門子 TIA 全自動化系統集成工業控制相關產品中[1]，它與Profibus 及其他協議相比，USS 協議是一種低成本、高性能的工業網絡組態連接方案，通過內部集成的RS485 通信端子進行數據傳輸。USS 協議的通信網絡采用主—從結構，通信網絡上可以建立1 個主站和最多31 個從站[2]，本系統以S7-200 PLC 為主站，6SE70、MM420、MM440變頻器為從站，從站不能主動進行傳輸，只有在主站要求從站通信的時候，從站才能進行數據傳輸[3]。STEP7-MicroWIN 編程軟件（V4.0 或以上）有實現USS 通信協議的USS 庫指令，需要添加USS 協議庫（V2.0 以上）及分配相應的庫存儲區，共包括14 個子程序、3 個中斷程序和8條指令，編寫通信程序時需要在程序中調用指令塊。縱剪分條機USS網絡如圖1所示。

圖1 縱剪分條機USS 網絡

2.2 USS通信協議指令

西門子USS協議庫指令包含USS_INT指令如圖2所示、USS_CTRL 指令如圖3 所示以及USS 參數讀寫指令[4]，在實際運用過程中需要正確地設置相關參數如通信波特率、通信地址等重要參數才能完成相應通信要求。

圖2 USS_INT 指令

圖3 USS_CTRL 指令

2.3 變頻器參數設置

變頻器投入運行之前，必須確保變頻器參數設置準確，參數的設置既可以使用變頻器上基本操作面板的按鍵設置，也可以利用變頻器組態軟件STARTER來完成。由于MM440、MM420和6SE70變頻器如果采用組態軟件調試，需要連接USB轉RS232和RS232轉RS485的串口線，硬件需購置，所以直接采用基本操作面板來完成變頻器的參數設置。將MM440、MM420變頻器參數設置完畢后，電機試運行，確定無誤后，開始進行6SE70變頻器參數的設置。6SE70參數設置完畢后，連接電機試運行，確定無誤后連接通信電纜，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 網絡連接器。1）連接網絡連接器，打開PROFIBUS 網絡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層按照相應的顏色標記插入芯線鎖。其中S7-200 Port1口的針腳3對應RS485信號B+，針腳8對應RS485信號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，使內部導體接觸，電纜屏蔽層與屏蔽連接壓片接觸。本控制系統為單主站控制模式，S7-200 作為主站，驅動裝置作為從站，因為還連接人機界面西門子Smart 700，監視畫面如圖5 所示。所以網絡連接器選用帶編程口的網絡連接器，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，將終端電阻開關撥到“ON”的位置接入終端電阻。終端電阻是在線型網絡兩端并聯在一對通信線上的電阻，終端電阻可以吸收網絡上的反射波，能有效地增強信號強度，兩個終端電阻并聯后的值應等于傳輸線在通訊頻率上的特性阻抗。對于驅動器通信線的連接，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。從站驅動器之間通信線的連接采用并聯接線。圓盤剪驅動器為通信站的尾站，在圓盤剪驅動器MM440 變頻器端子29、30 之間連接一終端電阻，完成驅動器通信線的連接。

表1 PROFIBUS 連接器指針連接說明表

2.5 通信系統調試

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、接線是否準確，確保硬件連接無誤就可以開始程序的調試。在完成開卷機、圓盤剪、卷取機、刀座、廢邊卷取機的速度給定計算后，需要將計算得到的速度給定值給定到變頻器。由變頻器驅動電機運轉，各變頻器通過控制USS_CTRL指令中的RUN啟動運行。對于MM4xx系列變頻器，通過控制USS 指令中的RUN 和DIR 來控制變頻器正反轉輸出，對于6SE70變頻器，則是通過改變頻率給定值實現正反轉。若頻率給定值為正值，則電機正轉；頻率給定值為負值，則電機反轉。

2.6 通信系統調試故障及故障分析

2.6.1 故障

1）調試時，利用USS_CTRL指令不能控制變頻器，指令中的錯誤字節顯示為1；

2）現場調試時，6SE70變頻器顯示故障號“F006”；

3）機列運行一段時間后6SE70 變頻器顯示故障號“F021”。

2.6.2 故障分析

1）PLC 與變頻器采用RS485 串口通信協議，PLC 通過USS協議與變頻器進行數據傳輸。出現的故障是通信出錯，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在首尾站點兩端是否撥到“ON”，中間站點是否撥到“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置是否跟USS_INIT 指令中設置的一致。在檢查上述可能出現的問題后，發現是變頻器中的波特率設置錯誤，修正后PLC與變頻器通信正常。

2）通過查看6SE70 變頻器使用說明書，查看故障號F006，為直流母線電壓過高，該裝置關機，直流母線電壓范圍為510 V～650 V。說明書中提示的解決措施是增大下降時間P464、激活母線電壓調節器P515、減小搜索速度P526或減小最大發電功率P529。通過查看r006 參數后，此時r006=810 V，增大下降時間P464，將其設為10 s，還是顯示F006 故障，此時r006=790 V，無法解決問題。最后檢查變頻器的接線，包括電源輸入和電機接線，發現電機接地線接錯，變頻器接出的接地線沒有接到電機的接地端子，通過斷電將電機接線修正，有了前車之鑒，在修正后也檢查了其他變頻器的接線，確定無誤后通電，變頻器顯示處于準備狀態，故障排除。

3）通過查看6SE70 變頻器使用說明書，查看故障號F021，為超過電機監控參數設置的極限值，說明書中提示的解決措施是檢查P383 參數。查看P383 參數發現此時P383=1 000，檢查電機型號，因為電機的功率是2.2 kW，為4極電機，應將P383設為660，而此時P383=1 000已經超過660還是出現F021故障，排除了P383參數設置錯誤的可能。考慮到P383 為電機的熱時間常數，想到了會不會是因為電機電磁轉矩過大導致故障的發生，通過將張力倍率減小，將原先的1.0改為0.6后，變頻器正常工作，故障排除。

2.7 開卷機變頻器電氣圖

開卷機變頻器電氣圖，如圖4所示。

圖4 開卷機變頻器電氣圖

2.8 應用中的監視畫面

應用中的西門子Smart 700監視畫面，如圖5所示。

圖5 西門子Smart 700 監視畫面

3 結語

實際運行證明，基于USS 通信的高精度縱剪分條機控制系統，是低成本、高性能的工業網絡組態連接方案，極大簡化分條機控制系統配置，提高操作穩定性，具有比較好的市場推廣意義。