摘要：本文介紹了S7-200CN通過USS協(xié)議控制MM440變頻器來實(shí)現(xiàn)速度控制，是一種低成本、高性能的控制方案。
關(guān)鍵詞：S7-200CN MM440變頻器 USS協(xié)議

一、項(xiàng)目介紹
1.簡(jiǎn)介
寧波金田銅管有限公司是金田集團(tuán)的全資子公司之一， 現(xiàn)占地5.6萬平方米，固定資產(chǎn)1．8億元，是專業(yè)生產(chǎn)各種空調(diào)制冷用銅管、環(huán)保銅水管及其它銅制品的專業(yè)公司。隨著空調(diào)器制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)高效、節(jié)能、環(huán)保的要求越來越高，從20世紀(jì)70年代開始，國外先后開發(fā)了使用內(nèi)螺紋銅盤管和親水鋁箔制作蒸發(fā)器和冷凝器的新型空調(diào)器。內(nèi)螺紋管是在光管的基礎(chǔ)上經(jīng)過旋壓加工而成的，其與光管相比，可增加熱交換面積2-3倍，加之形成的湍流作用，可提高熱交換效率20-30%，節(jié)能15%，成為新型的換代產(chǎn)品。至20世紀(jì)80年代，該項(xiàng)技術(shù)已得到普遍應(yīng)用，在主要銅盤管生產(chǎn)企業(yè)，內(nèi)螺紋盤管的比例一般都大于50%。
蘇州奧智機(jī)電設(shè)備有限公司一直致力于空調(diào)用銅、鋁管加工設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造及服務(wù)，為用戶提供高性價(jià)比的卓越產(chǎn)品。此項(xiàng)目中采用S7-200PLC通過USS通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的速度控制，整個(gè)電控系統(tǒng)體系簡(jiǎn)明，布線簡(jiǎn)單可靠，控制運(yùn)行準(zhǔn)確平穩(wěn)，收到了良好的效果。

2.簡(jiǎn)要工藝介紹
內(nèi)螺紋管的制造方法目前主要有兩種：
1） 無縫銅管旋壓成形
2） 帶材軋制成形—卷管及焊接
以無縫光面銅管作為母材，旋壓成形仍是國內(nèi)最普遍的內(nèi)螺紋管生產(chǎn)方法。設(shè)備外觀如下圖：


系統(tǒng)主要由四個(gè)部分構(gòu)成，盤拉、旋壓、放料、收料。銅管穿過旋壓電機(jī)內(nèi)部，當(dāng)管材在盤拉的牽引下前進(jìn)時(shí)，旋壓電機(jī)帶動(dòng)其內(nèi)部的套環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，套環(huán)內(nèi)的鋼球繞銅管滾動(dòng)，而銅管內(nèi)襯有帶螺紋溝槽的芯頭，通過這種高速旋壓使銅管內(nèi)壁金屬充分填充芯頭溝槽，從而在銅管內(nèi)壁形成與其齒形相同的螺紋，便稱為內(nèi)螺紋銅管。旋壓電機(jī)其實(shí)是一個(gè)高速主軸，目前國內(nèi)一些銅加工生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)的主軸速度大概在24000-35000RPM,主軸速度越高，對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線速度就越高；在國內(nèi)早期進(jìn)口的一些設(shè)備上有采用磁懸浮高速主軸的，其轉(zhuǎn)速大概在50000RPM，對(duì)應(yīng)線速度可達(dá)120米/分。此項(xiàng)目中主軸速度在35000RPM時(shí)，變頻器對(duì)應(yīng)輸出頻率需達(dá)到583HZ，而MM440最大輸出頻率為650HZ，仍有一定余量。
生產(chǎn)過程：將螺紋芯頭放入銅管內(nèi)，制頭，然后將其穿過導(dǎo)套，高速主軸，由夾鉗將管頭咬??；啟動(dòng)運(yùn)行，由盤拉電機(jī)牽引管材，高速主軸根據(jù)工藝配比，其轉(zhuǎn)速與線速度同步上升，放料、收料也按一定速度比例同步運(yùn)行，在此系統(tǒng)中盤拉速度是基準(zhǔn)。運(yùn)行到設(shè)定圈數(shù)，剪切機(jī)構(gòu)將管頭剪掉，拉伸速度自動(dòng)提升，同時(shí)管材排放到下部收料筐。當(dāng)檢測(cè)到管材尾部時(shí)，自動(dòng)慢行，管尾拉出模孔后，自動(dòng)停車并回原位等待下一個(gè)工作過程。

3.控制系統(tǒng)主要器件
1） 變頻器
由于成型機(jī)的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，并要求有較大的起動(dòng)力矩；根據(jù)這些特點(diǎn)，此系統(tǒng)選用MM440。
MM440是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過載能力，能滿足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，利用MM440內(nèi)部的USS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可方便組成USS串行主—從控制系統(tǒng)，硬件支持高達(dá)115.2Kb/s,可構(gòu)成滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的低成本、高性能的網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng)。同時(shí)，可選的PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊，實(shí)現(xiàn)了通訊的多樣性。
2） PLC
由于系統(tǒng)采用基于USS協(xié)議的RS-485串行總線控制方式，S7-200是不二選擇。此系統(tǒng)中選用了新型的CPU226 CN，S7-200CN繼承了S7-200的優(yōu)良品質(zhì)和卓越性能，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200CN系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此具有極高的性價(jià)比。
3） HMI
為了方便對(duì)系統(tǒng)的工藝參數(shù)，過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或監(jiān)控，選用了西門子TP170A作為人機(jī)界面。

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1.硬件配置
電源模塊 SITOP 24V/10A 1塊
CPU模塊 CPU226 CN 1塊
開關(guān)量輸入模塊 EM221 CN 2塊
開關(guān)量輸入輸出模塊 EM223 CN 1塊
模擬量輸入模塊 EM231 CN 1塊
人機(jī)界面 TP170A 1個(gè)
變頻器 MM440 4臺(tái)

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上的選型，組成了如下的控制結(jié)構(gòu)圖：


下圖為參數(shù)設(shè)置及監(jiān)視畫面：



3.方案比較
同樣的設(shè)備，根據(jù)用戶要求，我們也用S7-300+MM440+DP通訊來實(shí)現(xiàn)過；相比之下，此方案通訊速率明顯提高，數(shù)據(jù)采集更實(shí)時(shí)，但缺點(diǎn)是成本會(huì)增加。

三、控制系統(tǒng)
1.USS串行總線的硬件連接
USS總線是基于RS-485的物理接口，單一的RS-485鏈路最多可連接30臺(tái)變頻器，由于其采用差動(dòng)電壓傳輸信號(hào)，有著很高的抗噪聲能力，最遠(yuǎn)允許傳輸距離可達(dá)1000米，但必須在總線的末端連接終端電阻。MM440變頻器每臺(tái)都附帶終端電阻，只需在最末端那臺(tái)將其連上，PLC側(cè)采用PROFIBUS-DP總線插頭，使用時(shí)需把插頭上的開關(guān)打到ON位置，這樣實(shí)際上就接了“上拉下拉”電阻和發(fā)送端的終端電阻，這兩個(gè)上拉下拉電阻實(shí)際上就起到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的“驅(qū)動(dòng)作用”。通訊電纜采用西門子PRIOFIBUS總線電纜，有很好的抗干擾性能，同時(shí)電纜的顏色也非常好看。
2.USS軟件實(shí)現(xiàn)
S7-200的編程軟件里已附帶了USS協(xié)議庫，使用這些指令可以控制變頻器及讀寫變頻器參數(shù)。當(dāng)選擇USS協(xié)議指令時(shí)，會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)或幾個(gè)有關(guān)的子程序（USS1到USS7），而不需要編程者的參與。實(shí)際編程中首先要為USS變量預(yù)留400字節(jié)的V存儲(chǔ)器區(qū)域，然后在主程序中調(diào)用USS-INIT指令，激活將要控制的幾個(gè)變頻器通訊（注意變頻器的地址要和激活的地址相對(duì)應(yīng)）；再通過調(diào)用USS-CTRL和讀寫指令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。
3.程序
為了體現(xiàn)程序的可讀性，實(shí)用性，采用了模塊化編程；具體是將程序根據(jù)控制對(duì)象進(jìn)行模塊化分割，實(shí)際分為六個(gè)模塊：
1） 組織塊 用于調(diào)用其它五個(gè)塊
2） 初始化塊 用于初始化、使能與MM440的通訊，并對(duì)程序內(nèi)部一些調(diào)用的字作初始化
3） 順序控制塊 系統(tǒng)是一個(gè)以各個(gè)環(huán)節(jié)檢測(cè)執(zhí)行為條件，一步接一步的順序控制。通過 移位指令可以將機(jī)組從啟動(dòng)到停止的整個(gè)工作過程貫穿起來，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)過程明晰、一目了然，如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，根據(jù)移位指令中目前所處的狀態(tài)，可以通過監(jiān)控很容易地找到問題所在點(diǎn)。
4） 執(zhí)行塊 主要用來控制外部的各種電磁閥
5） 速度控制塊 用來控制系統(tǒng)各部分電機(jī)運(yùn)行及速度。通過USS_CTRL指令即可以控制激活的MM440裝置，使得程序非常簡(jiǎn)潔、易讀。
6） 顯示塊 用來存儲(chǔ)與HMI通訊的相關(guān)值
4. HMI
在人機(jī)界面中共設(shè)置了四個(gè)頁面，分別是主頁面，參數(shù)設(shè)定頁面、狀態(tài)顯示頁面、故障報(bào)警頁面。便于直觀地進(jìn)行操作及維護(hù)。

四、項(xiàng)目運(yùn)行
系統(tǒng)自2006年8月投入使用，經(jīng)過連續(xù)不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)，一直保持穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)由于操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)性強(qiáng)，深受用戶好評(píng)。這也是對(duì)西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的一種肯定。

五、應(yīng)用體會(huì)
通過本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、調(diào)試，認(rèn)為有以下幾個(gè)方面值得重視：
1.變頻器本體要用大截面積導(dǎo)線直接連到接地母排，開關(guān)電源的M要接地。
2.變頻電機(jī)的連接電纜須采用屏蔽電纜，并雙端接地。
3.由于變頻器本身是強(qiáng)干擾源，加之此系統(tǒng)中高頻電機(jī)的頻率須達(dá)到580HZ,因此進(jìn)線端一定要配置進(jìn)線電抗器；同時(shí)通訊電纜須采用西門子PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)電纜。
4.TP170A的通訊電纜最好能單獨(dú)走線，如不能則需穿鐵管，鐵管兩端要接地。
總之，通過本項(xiàng)目的成功開發(fā)與應(yīng)用，體現(xiàn)了西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的穩(wěn)定性，易用性，靈活性以及較高的性價(jià)比。