摘要：本文介紹了S7-200CN通過USS協議控制MM440變頻器來實現速度控制，是一種低成本、高性能的控制方案。
關鍵詞：S7-200CN MM440變頻器 USS協議

一、項目介紹
1.簡介
寧波金田銅管有限公司是金田集團的全資子公司之一， 現占地5.6萬平方米，固定資產1．8億元，是專業生產各種空調制冷用銅管、環保銅水管及其它銅制品的專業公司。隨著空調器制造技術的不斷進步，對高效、節能、環保的要求越來越高，從20世紀70年代開始，國外先后開發了使用內螺紋銅盤管和親水鋁箔制作蒸發器和冷凝器的新型空調器。內螺紋管是在光管的基礎上經過旋壓加工而成的，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%，節能15%，成為新型的換代產品。至20世紀80年代，該項技術已得到普遍應用，在主要銅盤管生產企業，內螺紋盤管的比例一般都大于50%。
蘇州奧智機電設備有限公司一直致力于空調用銅、鋁管加工設備的研發、設計、制造及服務，為用戶提供高性價比的卓越產品。此項目中采用S7-200PLC通過USS通訊協議實現對變頻器的速度控制，整個電控系統體系簡明，布線簡單可靠，控制運行準確平穩，收到了良好的效果。

2.簡要工藝介紹
內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，旋壓成形仍是國內最普遍的內螺紋管生產方法。設備外觀如下圖：


系統主要由四個部分構成，盤拉、旋壓、放料、收料。銅管穿過旋壓電機內部，當管材在盤拉的牽引下前進時，旋壓電機帶動其內部的套環高速旋轉，套環內的鋼球繞銅管滾動，而銅管內襯有帶螺紋溝槽的芯頭，通過這種高速旋壓使銅管內壁金屬充分填充芯頭溝槽，從而在銅管內壁形成與其齒形相同的螺紋，便稱為內螺紋銅管。旋壓電機其實是一個高速主軸，目前國內一些銅加工生產企業內的主軸速度大概在24000-35000RPM,主軸速度越高，對應的生產線速度就越高；在國內早期進口的一些設備上有采用磁懸浮高速主軸的，其轉速大概在50000RPM，對應線速度可達120米/分。此項目中主軸速度在35000RPM時，變頻器對應輸出頻率需達到583HZ，而MM440最大輸出頻率為650HZ，仍有一定余量。
生產過程：將螺紋芯頭放入銅管內，制頭，然后將其穿過導套，高速主軸，由夾鉗將管頭咬住；啟動運行，由盤拉電機牽引管材，高速主軸根據工藝配比，其轉速與線速度同步上升，放料、收料也按一定速度比例同步運行，在此系統中盤拉速度是基準。運行到設定圈數，剪切機構將管頭剪掉，拉伸速度自動提升，同時管材排放到下部收料筐。當檢測到管材尾部時，自動慢行，管尾拉出模孔后，自動停車并回原位等待下一個工作過程。

3.控制系統主要器件
1） 變頻器
由于成型機的負載為恒轉矩負載，并要求有較大的起動力矩；根據這些特點，此系統選用MM440。
MM440是全新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，能滿足廣泛的應用場合。具有標準的RS485接口，利用MM440內部的USS標準協議，可方便組成USS串行主—從控制系統，硬件支持高達115.2Kb/s,可構成滿足大多數應用場合的低成本、高性能的網絡通訊控制系統。同時，可選的PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊，實現了通訊的多樣性。
2） PLC
由于系統采用基于USS協議的RS-485串行總線控制方式，S7-200是不二選擇。此系統中選用了新型的CPU226 CN，S7-200CN繼承了S7-200的優良品質和卓越性能，適用于各行各業、各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200CN系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網絡皆能實現復雜控制功能，因此具有極高的性價比。
3） HMI
為了方便對系統的工藝參數，過程參數進行設置或監控，選用了西門子TP170A作為人機界面。

二、控制系統構成
1.硬件配置
電源模塊 SITOP 24V/10A 1塊
CPU模塊 CPU226 CN 1塊
開關量輸入模塊 EM221 CN 2塊
開關量輸入輸出模塊 EM223 CN 1塊
模擬量輸入模塊 EM231 CN 1塊
人機界面 TP170A 1個
變頻器 MM440 4臺

2.系統結構
根據以上的選型，組成了如下的控制結構圖：


下圖為參數設置及監視畫面：



3.方案比較
同樣的設備，根據用戶要求，我們也用S7-300+MM440+DP通訊來實現過；相比之下，此方案通訊速率明顯提高，數據采集更實時，但缺點是成本會增加。

三、控制系統
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臺變頻器，由于其采用差動電壓傳輸信號，有著很高的抗噪聲能力，最遠允許傳輸距離可達1000米，但必須在總線的末端連接終端電阻。MM440變頻器每臺都附帶終端電阻，只需在最末端那臺將其連上，PLC側采用PROFIBUS-DP總線插頭，使用時需把插頭上的開關打到ON位置，這樣實際上就接了“上拉下拉”電阻和發送端的終端電阻，這兩個上拉下拉電阻實際上就起到對網絡的“驅動作用”。通訊電纜采用西門子PRIOFIBUS總線電纜，有很好的抗干擾性能，同時電纜的顏色也非常好看。
2.USS軟件實現
S7-200的編程軟件里已附帶了USS協議庫，使用這些指令可以控制變頻器及讀寫變頻器參數。當選擇USS協議指令時，會自動添加一個或幾個有關的子程序（USS1到USS7），而不需要編程者的參與。實際編程中首先要為USS變量預留400字節的V存儲器區域，然后在主程序中調用USS-INIT指令，激活將要控制的幾個變頻器通訊（注意變頻器的地址要和激活的地址相對應）；再通過調用USS-CTRL和讀寫指令來實現相應功能。
3.程序
為了體現程序的可讀性，實用性，采用了模塊化編程；具體是將程序根據控制對象進行模塊化分割，實際分為六個模塊：
1） 組織塊 用于調用其它五個塊
2） 初始化塊 用于初始化、使能與MM440的通訊，并對程序內部一些調用的字作初始化
3） 順序控制塊 系統是一個以各個環節檢測執行為條件，一步接一步的順序控制。通過 移位指令可以將機組從啟動到停止的整個工作過程貫穿起來，優點是系統過程明晰、一目了然，如果在運行過程中出現問題，根據移位指令中目前所處的狀態，可以通過監控很容易地找到問題所在點。
4） 執行塊 主要用來控制外部的各種電磁閥
5） 速度控制塊 用來控制系統各部分電機運行及速度。通過USS_CTRL指令即可以控制激活的MM440裝置，使得程序非常簡潔、易讀。
6） 顯示塊 用來存儲與HMI通訊的相關值
4. HMI
在人機界面中共設置了四個頁面，分別是主頁面，參數設定頁面、狀態顯示頁面、故障報警頁面。便于直觀地進行操作及維護。

四、項目運行
系統自2006年8月投入使用，經過連續不間斷的運轉，一直保持穩定運行；同時由于操作簡便，適應性強，深受用戶好評。這也是對西門子自動化產品的一種肯定。

五、應用體會
通過本項目的設計、調試，認為有以下幾個方面值得重視：
1.變頻器本體要用大截面積導線直接連到接地母排，開關電源的M要接地。
2.變頻電機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干擾源，加之此系統中高頻電機的頻率須達到580HZ,因此進線端一定要配置進線電抗器；同時通訊電纜須采用西門子PROFIBUS標準電纜。
4.TP170A的通訊電纜最好能單獨走線，如不能則需穿鐵管，鐵管兩端要接地。
總之，通過本項目的成功開發與應用，體現了西門子自動化產品的穩定性，易用性，靈活性以及較高的性價比。