1 引言
随着基于现场总线的低层控制网络的发展，各大电气传动厂商纷纷推出了具有强大数据通信能力的产品，其中以ff、profibus、worldfip、controlnet、p-net五大总线为代表的现场总线控制系统(fcs)在各工业自动化领域得到了广泛的应用。这对那些大型和特大型的工程项目提供了整套安全而可靠的解决方案，但对于中小型应用领域，昂贵的硬件配置增加了工程的预算成本，往往限制了fcs在这些领域中的广泛应用。
mm440(micromaster 440)是西门子公司第四代高性能的矢量变频器,它借鉴了master driver vector工程型变频器灵活的参数结构、bico技术及高精度的控制性能，并集成了高达115.2kbd的用于uss通信的rs485接口，若能将二者进行有机结合，便可构成一套低成本、高性能的控制系统。从而完全可以替代fcs在中小型系统的应用。
拉丝机是冶金行业用于生产线材、线缆的成套设备，广泛应用于轮胎钢丝、钢绳、钢帘线、c02气保焊丝、药芯焊丝以及电线电缆等多种领域。随着生产工艺的不断革新，对拉丝机提出了更快、更高、更稳的要求，以提高生产作业效率，降低劳动强度，稳定产品质量。在直线式拉丝机的控制系统中，要求多电机保持严格的同步控制，特别在高速运行时，由于电机参数的非线性和负载的时变性，对控制系统提出了更高的要求。在传统的经典控制中，通常采用采用的是master drive工程变频器基于profibus的现场总线控制系统，并通过t400工艺调节装置实现精确的同步控制。
2 系统构成
2.1 基本技术要求
(1) 进线直径:4.2mm;
(1) 最高线速度:1200m/min;
(3) 记米精度:0.2%;
(4) 整机停车时间:正常停止60s;快速停止≤15s;紧急停止≤3s;
(5) 须对系统控制的过程参数和实时参数进行监控和管理;
2.2 控制系统主要器件选型
(1) 变频器
由于拉丝机的负载为恒转矩负载，并要求有较大起动转矩，根据这些特点，本系统选用了西门子的第四代标准变频器mm440(micromaster 440)，功率为18.5kw共10个，mm440变频器主要特点有:
a) 丰富的控制功能:
通过p1300参数可以选择从v/f控制到带传感器的矢量控制vc等12种不同特点的控制模式，适用于恒转矩、变转矩等各种性质负载，满足各行业的驱动控制要求。在本控制系统中，采用矢量控制方式来驱动各分部电机;
b) 强大的通讯功能:
具有标准的rs485接口，利用mm440内部的uss标准协议，可方便组成uss串行主-从控制系统，硬件支持高达115.2kb/s波特率，可构成满足大多数应用场合的低成本、高性能的网络通讯控制系统。同时，利用profibus通讯可选件，便可以将mm440接入开放的、高速(12mb/s)的dp网，实现性能更佳、精度更高的通讯控制。在本系统中便采用前一种方案。
c) 自由功能模块和bico技术:
mm440继承和吸收了6se70工程型变频器的许多优良特点，其中最具实用性的是具有区别一般通用变频器的自由功能模块和bico技术，利用丰富的自由功能模块和灵活的bico技术，可方便地实现各种不同目的的组态设计，完成复杂控制设计的要求;
d) 丰富的停车和制动功能:
mm440具有3种停车方式，即按斜坡减速停车(off1)、惯性停车(off2)快速停车(off3)。3种制动功能，即直流制动、复合制动、动力制动(须外接制动电阻，75kw以下已内置制动单元)。停车方式和制动方式的灵活配用，可适应不同机械惯性负载的要求。本系统选用了off1、off3、直流制动、动力制动等功能以适应高速时的停车制动不同要求。
e) 多种参数设置方式:
通过基本操作板、高级操作面板进行参数设置、更改、拷贝，也可利用driver monitor和 start调试软件进行参数操作，同时可以运用调试软件监视控制中的各种过程变量。
此外，mm440与在本系统中须重点考验或相关的技术指标有:
l 变频器效率:96%~97%
l 过载能力:150%负载能力:5分钟内持续时间60秒;
200%负载能力:1分钟内持续时间3秒;
l 起动冲击电流:≤额定输入电流
l 频率设定分辨率:0.01hz通讯或数字给定
l 数字输入:6个可切换的pnp/npn带隔离的、可编程的输入口
l 继电器输出:3个可设置为30vdc/5a(电阻性负载)250v ac/2a(感性负载)
l 保护特性
过电压/欠电压
变频器过热保护
接地故障
短路保护
···
(2) 可编程控制器(plc)
由于系统要采用基于uss协议的rs-485串行总线控制方式，对可编程控制器(plc)的性能、容量、速度等都有较高的要求，所以本系统选用西门子s7-300系列的cpu 313-2ptp紧凑型cpu模块，其独特的mmc存储卡，无须后备电池便可对程序和数据进行可靠的保存。位操作和浮点数操作的执行时间仅为0.1μs和15μs，cpu还集成了16di/16do数字接口，包含两个30khz的高速计数器，不必再单独购置fm350计数功能模板。另外，cpu还集成mpi和ptp两个rs845通信接口，利用ptp接口可直接组成基于uss的串行总线控制系统，也无须再购置cp34x通信模块。
此外，根据系统i/o点分布和设置需要，本系统还需要3个32点数字输入模块(di)和2个32点数字输出模块(do)，64kb的mmc存储卡。
(3) 人机界面(hmi)
为了对系统的工艺参数、记米参数、电机参数、变频器参数、过程参数及i/o点的设置和实时监控，本系统选用西门子tp170-b触摸屏作为人机界面，对控制系统进行全面的管理，为设备维修人员提供便利。
2.3 系统构成
根据系统选型，可组成如下的控制结构图如图1所示。
从上图可看出，plc的ptp口连接10个变频器的rs-485口，构成了uss串行总线系统，另一个mpi口连接到tp170b。变频器通过外接电阻构成动力制动，编码器的反馈信号进入变频器构成了速度的闭环控制，调谐辊的张力反馈信号进入变频器，构成了pid的闭环调节，变频器的进线端加入交流电抗器，可抑制来自电网的干扰和谐波，同时也可限制本系统对电网的冲击和谐波干扰。
3 系统实现
3.1 uss串行总线的实现
(1) 硬件的连接
uss总线是基于rs-485的物理接口而实现的，单一的rs-485链路最多可连接30台变频器，由于其采用差动电压传输信号，有着很高的抗噪声能力，最远允许传输距离可达1000m，但必须在总线末端的两个端子(p+和n-)之间连接相应的终端电阻，而且至少应在总线的一端安装适当的上拉/下拉电阻，如图2所示。
图2中plc作为uss主站，vc1至vc10为从站1到从站10，plc和vc10作为总线的两个终端，分别连接了相应的终端电阻。注意:无论总线是否在进行通讯，终端2的+10v电源必须处于接通状态！
(2) 软件的实现
a) uss基本定义
uss协议是由siemens ag定义的按照主-从通讯原理来确定访问方法的串行数据通信协议，从osi/rm 7层模型来讲，uss协议属于数据链路层，rs485为其物理层。运用uss协议，主站根据通讯报文(数据帧)中的地址字符来选择要传输数据的从站，在主站没有要求从站进行通讯时，从站自己不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。每个数据报文都是标准的异步报文格式(11位):1个起始位、8个数据位、1个偶检验位和1个停止位，最高通讯波特率可达187.5kb/s。
b) uss通讯报文的结构
uss协议报文结构如下:
stx:占1个字节，数据恒为02hex，表示一条信息的开始;
lge:占1个字节，表示这条信息中后跟的字节长度;
adr:占1个字节，表示从站结点变频器的地址号;
bcc:占1个字节，表示从stx开始的所有字节异或运算的结果;
1，2……n:占n个字节，表示信息交换的有效数据;其结构如下:
pkw:参数识别码区，总长4个字:
前两个字(pke和ind)是关于主站请求的任务或应答报文的类型，pkw的b0~b10位(b.pnu)是基本参数号值，b12~b15位(ak)是请求或应答任务的标记id。ind的b0~b7位是参数的下标值，b12~b15位是参数的pnu扩展(pnu页号)，所以一个完整的参数号可由下式计算:
完整的pnu= 基本b.pnu+(pnu页号*2000)
后两个字(pwe1和pwe2)是被访问参数的数值，对于mm440有多种不同类型的参数值:整型(单字长或双字长)、十进制数、数组等;
pzd:过程数据区域，是为控制和监测变频器而设计的，其优先级高于pkw的优先级;
c) uss通讯软件实现
用plc的step 7 v5.1组态软件进行硬件组态和参数参数赋值:
l 启动simatic管理器，在你的项目中调用硬件组态。
l 双击你的cpu的“ptp”子模块。打开“属性”对话框。
l 编辑“ptp”子模块的参数，使用“ok”，关闭参数赋值工具。
l 使用station > save and compile，将你的组态保存在“hw config(硬件组态)”。
l 在cpu处于“stop”模式中时，通过plc> download to module，可以将参数数据下载到你的cpu中。现在，输入的数据将保存在cpu系统数据存储器中。
l 启动cpu
完成参数组态后，还须创建三个通讯数据块db10，db50，db100.
在db100中，定义了各从站通讯的接口数据区域，为每个从站指定了ppo数据发送和接受缓冲区，同时定义了通讯控制的状态字，以支持用户程序的通信判断和冗错处理。db50包含了从站的参数请求和建立通讯轮询表，cpu以此表从站的次序进行循环访问。db10则建立了cpu与通讯单元的数据交换接口，plc程序通过此db块依次发送和接受uss数据报文。
在本项目中，首先编制出数据通讯功能块fc30，然后，利用uss协议报文规范，编制出电机驱动控制功能块fc100(drv_ctrl)，它由10个输入参数和7个输出参数构成，输入参数有:允许运行(run)、正向点动(cw_jog)、反向点动(ccw_jog)、制动2(off2)、制动3(off2)、直流制动(off_dc)、故障复位(f_ak)、pid使能(pid_en)、速度设定(speed_sp)、驱动器地址号(drive)等，输出参数有:通讯允许(com_en)、通讯错误(com_error)、通讯状态字(com_stw)、变频器状态字1(drv_stw1)、变频器准备好(run_en)、变频器禁止(inhibit)、变频器故障(fault)等。要实现对电机的控制，只须对fc100的各参数进行正确赋值，便可实现对电机、变频器的各种控制和全面监控，以及对通讯过程的状态判断和冗错处理。
