基于USS协议的锚具检测线调速系统设计

孙承志，俞 娟

（三江学院 电气与自动化工程学院，南京 210012）

0 引言

锚具是桥梁、轨道工程中的关键连接与固定部件，其质量直接影响着工程的整体安全性[1]。传统的抽检方式不能杜绝有缺陷的产品流入到桥梁的建设中，那么必须建立专门的检测线对锚具实行实时在线全检。检测线主要对锚具进行探伤和整体硬度的检测，将不合格的产品及时分选出来。受材质、工作强度的影响，本文所用的检测线被分成了多个工序，需要分别进行调速控制。为了避免速度不同步给检测带来误差，本文引入了USS通信协议完成系统主控制器对检测线各部分的协调同步控制，收到了良好的效果。

1 锚具检测线简介

由于锚具工件重量比较大，对检测线传输带的要求较高。检测探头对金属材料比较敏感，在探头地方不能出现金属材料[2]。一般的皮带在分选的时候容易磨损，且更换皮带费时费力，而金属链板作传送带又会影响检测传感器的检测信号。为了解决该问题，本文的检测线被分成了四个部分，即探伤检测、探伤分选、硬度检测和硬度分选，其中探伤和硬度检测部分采用皮带传输，分选部分采用了金属链板做传输带，这样既避免了金属材料对检测结果的影响，又增加了分选机构的抗磨损能力。锚具检测线结构如图1所示。

图1 锚具检测线结构图

2 调速控制系统设计

2.1 USS协议简介

USS（Universal Serial Interface， 通 用 串 行接口）协议是西门子专为驱动装置开发的通信协议[3]。它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议，USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS 总线上可以有一个主站和最多31 个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识别每个从站；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讯。另外，还有一种广播通讯方式，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。

采用USS协议通信具有以下四个优点：

1）对硬件设备要求低，减少了设备之间的布线；

2）无需重新连线就可以改变控制功能；

3）可通过串行接口设置或改变传动装置的参数；

4）可实时的监控传动系统。

在控制器与传动装置之间采用USS协议实现通信对客户来说是一种既廉价又方便的选择，不仅控制数据精确，响应及时，而且工作可靠。

2.2 硬件系统设计

本文中的检测线机械部分被设计成四道工序，相应的需配备四个传动机构。该检测线在每道工序上安排了一台370瓦的三相异步电动机。生产现场要求根据工件尺寸、检测精度等指标，系统能够进行调速，因此每台电机配备了一台变频器。检测线要求探伤检测和硬度检测两道工序的传送带运行速度必须保持平稳，不能出现抖动，而传统的模拟量控制虽然可以实现连续调速，但模拟信号容易抖动，导致传送带跟着抖动，严重影响检测效果，容易出现误判。另外，由于模拟量的误差存在，四台电机同速运行的要求就无法满足。本系统选用的变频器是西门子MM420[4]，三相750瓦。具有RS485接口，支持USS通信协议。

四台变频器作为USS网络的四个从站，由一台CPU226PLC作为主站[5]。CPU226除了做通信主站外，还负责该检测线合格与不合格品的分拣工作。通过CPU226的PORT0口，经屏蔽双绞线连接MM420的14、15两个RS485端子。为提供网络传输的可靠性，四个从站按总线方式连接，CPU226PLC处在网络的初始端，在CPU226的PORT0口接入一个终端电阻，以防止信号的反射对网络的影响。

四台电机的主电路均分别接入空气开关、热继电器、控制继电器等低压电气设备。电机外壳注意接保护地。另外，CPU226控制器与变频器使用同相的电源，保证变频器的正常工作。电气控制原理如图2所示。

图2 检测线控制电气原理图

2.3 软件系统设计

网络化调速控制是该检测线软件控制的一个重要组成部分。检测线机械部分由探伤检测、探伤分选、硬度检测、硬度分选四道工序组成，系统在完成工件分选的基础上要能够进行调速，以提高工作效率。其中调速部分要求能够进行统一控制或者单独控制。统一控制可以对四道工序统一启动、停止，各工序电机按照同一个速度运转。有时候生产中只需进行探伤或者硬度的检测，那么单独控制可以只启动某道工序，以降低能源消耗。

USS网络是主从网络，CPU226作为主站依次轮询各个从站，分别给每个从站发送控制命令和速度值。作为从站的变频器只能响应主站PLC的访问。

在主从站通信之前，必须对CPU的PORT口进行初始化，包括站地址分配、通信速率设定、指定通信接口等操作。本系统控制对象使用了4个变频器，分配的站地址为1、2、3、4；通信速率设为9600bps；使用PLC的PORT1口进行USS通信。

该检测线的同步控制程序流程图如图3所示。

图3 调速控制流程图

程序中主要的IO接口如表1所示。

表1 符号地址表

续表

同步控制模式可以在用户按下启动或者停止按钮的时候，四道工序的电机能够同时启动或者停止，并按照相同的设定速度运行。下面就是同步控制时的语句表程序。

//防止出现无效站地址

LD SM0.0

LPS

AB＞ VB510, 4

MOVB 1, VB510

LPP

AB＜ VB510, 1

MOVB 1, VB510

//每个从站间隔VW528 ×4 毫秒被轮询一次

LD SM0.0

AN T38

TON T38, VW528

//USS从站地址加1，

LD T38

EU

INCB VB510 //本次站地址存入VB510

//同步模式下启动所有变频器

LD FR1_4_START:I0.2

O V500.0

A ContlMode_Sw:I0.0 // I0.0＝ 1时为同步控制；I0.0＝0时 为单独控制

EU

S M14.0, 1 //置位同步启动标志

R M14.5, 1 //复位同步停止标志

//同步模式下停止所有变频器

LD FR1_4_STOP:I0.3

O V500.1

A ContlMode_Sw:I0.0 // I0.0＝ 1时为同步控制；I0.0＝0时 为单独控制

EU

R M14.0, 1 //复位同步启动标志

S M14.5, 1 //置位同步停止标志

//设定变频器的运行速度

LD SpeedSet_Sour_Swh:I0.1

MOVR VD140, VD550

*R VD144, VD550

//调用USS_CTRL_P1指令，发送命令和速度值

LD SM0.0

= L60.0 //暂存于一个临时变量中

LD M14.0 // 同步启动命令

= 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 //调用USS_CTRL_P1

对每道工序进行单独控制的时候，每台电机的启停和运转速度是独立的，需要根据站地址分别进行赋值。站地址的修改与同步控制是一样的。控制命令和速度的确定参见下面的程序。

//1号从站启动命令确定

LDB= VB510, 1 //判断当前站地址是否为1

AN ContlMode_Sw:I0.0 // 模式为单独控制

A V501.0

EU

S M14.1, 1 //置位1号站的启动命令标志

R M14.6, 1 //复位1号站的停止命令标志

//1号从站停止命令确定

LDB= VB510, 1 //判断当前站地址是否为1

AN ContlMode_Sw:I0.0

A V502.0

EU

R M14.1, 1 //复位1号站的启动命令标志

S M14.6, 1 //置位1号站的停止命令标志

//1号从站运行速度确定

LD SM0.0

AB= VB510, 1 //判断当前站地址是否为1

AN ContlMode_Sw:I0.0

MOVR VD100, VD550

*R VD144, VD550 //计算当前站变频器的运行速度

同理可以编写2、3、4号站的启动、停止和运行速度确定程序。

当所有站的控制命令和速度均设置好以后，同样调用USS_CTRL_P1指令，发送命令和速度值给相应的变频器。

3 结束语

西门子的USS协议是专门用于驱动控制的网络协议，可实现低成本的控制网络。本文借助USS网络，将检测线上的触摸屏、变频器、PLC等器件通过两根RS485总线进行了可靠的连接，实现了锚具检测线的网络化调速控制。这套系统不仅极大地简化了检测线的电气接线，还有效地解决了传统模拟量控制存在的速度不稳定、生产线抖动等问题，保证了探伤检测和硬度检测的精度。由于自动化程度高，后期的维护成本也比较低。

[1] 李国平, 谢正元, 沈毅, 等. 预应力锚具锚下病害原因分析及建议[J]. 预应力技术, 2011, 2.

[2] 赵杰, 金属硬度检测方法及选择[J]. 品牌与标准化, 2009,10.

[3] 严利明, 贾昌武, 王庆超. USS协议控件及其应用[J]. 电测与仪表, 2005, 2.

[4] 西门子工业自动化与驱动集团. MM420通用变频器使用大全[M], 2003.

[5] 徐家明, 程耕国. PLC与变频器基于USS的标准化通信[J].微计算机信息, 2009, 3.