摘  要：文章以某廠車軸檢測系統(tǒng)為研究背景，介紹了PLC通過Profibus總線控制交流電機的應用系統(tǒng)，選擇Siemens 315-2DP作為控制核心，西門子PC847B工控機作為人機交互設備，6SE70變頻器作為執(zhí)行設備，提高了系統(tǒng)的可靠性和檢測精度。
     1.引言
      我國鐵路的幾次大提速，對貨運列車的制造和維修環(huán)節(jié)提出了更高的要求；貨車車軸作為貨運列車的重要部分，其質量的優(yōu)劣對車輛的運行性能有極其重要的影響，這就要求我們對即將投入使用的車輛軸承進行科學的、嚴格的檢驗。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

      本文所敘述的軸承磨合自動測控系統(tǒng)就是一種貨車車軸的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有變載荷模擬，變行駛速度模擬，左、右轉彎模擬和剎車模擬等功能。整個測試系統(tǒng)采用了“PLC +6SE70+PC478”的結構，如圖1所示。    

      2.系統(tǒng)組成
      2.1系統(tǒng)硬件組成
      在該自動測試系統(tǒng)中，選用西門子的PC478B工控機作為人機交互設備，主要負責檢測工藝的實現(xiàn)，運行狀態(tài)的監(jiān)控，實時數(shù)據(jù)的記錄和查詢，同時還將整個系統(tǒng)接入了工廠的局域網(wǎng)，來實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能；系統(tǒng)中選用了兩臺西門子6SE70變頻器控制兩臺交流電機，兩臺交流電機分別和兩側的車輪連接，實現(xiàn)不同行駛工況的模擬；上位機主站選用了一臺西門子315-2DP  PLC，負責將控制數(shù)據(jù)傳送到變頻器中，并監(jiān)控變頻器的實時數(shù)據(jù)，同時車軸的溫度數(shù)據(jù)和電機的實時狀態(tài)也會通過不同的傳感器反饋到PLC中，通過編制的算法由PLC自動決策來完成實驗工藝；為了模擬不同的載荷，設計了獨立的液壓裝置來完成，其結構如圖2所示，
      通過提供不同的液壓力來改變載荷的大小，可以較好地模擬貨車的載荷狀況，液壓力的改變通過一臺西門子226CN PLC來控制。

 
圖2 外部臺架結構圖 

      2.2 6SE70硬件連接和參數(shù)設置
      根據(jù)試驗工藝的要求，選用了6SE70的帶編碼器的矢量控制（VC）功能，這樣能保證電機在較低轉速時也有較高的動態(tài)特性和轉速精度，系統(tǒng)中6SE70的線路連接如圖3所示。

 
圖3 6SE70線路連接圖

      為了模擬運行過程中的各種工況，系統(tǒng)的控制策略要求設計一個魯棒性和實時性均較強的控制器來提高系統(tǒng)的控制指標，而6SE70的軟件設計中并沒有相應的功能，這就要求我們關閉6SE70固有的PI調節(jié)功能，用自己設計的參數(shù)來完成相應的功能。
      為了實現(xiàn)這一功能，首先我們需要設置6SE70的常用參數(shù)[1]：

      （1）P060=6。用于選擇如何進行參數(shù)設置，當P060=6時，允許用戶通過SIMOVIS軟件進行參數(shù)設置，也是最簡單和直觀的參數(shù)設置方式。
     （2）P100=4。參數(shù)P100用于選擇開環(huán)/閉環(huán)控制方式。根據(jù)本系統(tǒng)的要求我們選擇了有測速機的速度控制，即選擇Pl00=4。
     （3）設置交流電機的銘牌參數(shù)。在P101、P102、P104、P107和P108，分別輸入交流電機的額定電壓、額定電流、額定功率、額定頻率和額定轉速。而P103的電機勵磁電流和P109電機極對數(shù)會在離開系統(tǒng)設置后，由系統(tǒng)自動計算。
    （4）電機編碼器的選擇。選擇P130=11，即選擇脈沖編碼器。
    （5）選擇工藝條件啟動控制系統(tǒng)的功能參數(shù)。Pl4l有8個參數(shù)值，分別對應8種工藝過程。根據(jù)系統(tǒng)的特點，我們選擇Pl41=1，即大轉矩齒輪傳動和大慣量驅動。

    （6）設置P060=1，即退出了系統(tǒng)設置回到參數(shù)菜單，此時輸入的參數(shù)值將被檢驗是否合理。不合理的參數(shù)設置會導致故障信號的出現(xiàn)，錯誤的設定參數(shù)被寫入?yún)?shù)R949 （故障值）。
      經(jīng)過上述的參數(shù)設置，完成了對6SE70的基本參數(shù)設置和控制工藝的選擇。但是如果想要得到更好的控制效果，還需要進行交流電機的辨識和優(yōu)化，交流電機的辨識和優(yōu)化功能只適用于Pl00=3、4、5的矢量控制功能。參數(shù)優(yōu)化主要是通過對參數(shù)P115設定不同的值來進行優(yōu)化。
      在設置好常用參數(shù)后，為了提高系統(tǒng)的性能，還進行了如下的參數(shù)設定[1][2]：
    （1）設置P95=10。P95為電機類型的選擇，只有選擇了電機類型，才可以選擇其控制方式。
    （2）設置P100=4。P100為選擇開閉環(huán)控制方式的參數(shù)。
    （3）設置P240=32001。P240為輸入速度調節(jié)器積分時間功能參數(shù)，當設置其為32001ms時，積分分量封鎖。
    （4）設置P315=1。P315為Pl調節(jié)器增益的功能參數(shù)。
    （5）設置P222=0。讀入速度調節(jié)器轉速實際值連接量的BICO參數(shù)。
    （6）將自己設計的參數(shù)（在PLC中得到）寫入P438，即附加給定連接量的BICO參數(shù)。
     其中第1步設置被控電機的類型，第2步選擇要用控制方式，第3、4步將原來的速度調節(jié)器關閉，第5步設置關閉了原來速度調節(jié)器前的速度反饋環(huán)節(jié)，最后一步設置則用自設置參數(shù)取代了原有的速度調節(jié)器，實現(xiàn)了速度的閉環(huán)控制。
      2.3 軟件組態(tài)
      為了使所有的控制裝置能夠很好地工作，在程序編制之前，還需要在STEP7軟件中進行相應的組態(tài)，硬件組態(tài)主要包括所選總線類型、裝置種類、中繼器個數(shù)、各站點的地址、連接方式等，大致可分為CPU組態(tài)和從站組態(tài)。
      CPU組態(tài)主要是設置CPU的型號，所用的供電電源、以及附加的輸入、輸出和實現(xiàn)各種功能的功能塊以及他們的機架號等。系統(tǒng)中我們除配置了315-2DP的CPU外，還選擇了一個PS 307 5A作為供電電源，一個計數(shù)模塊FM350，一個數(shù)字量輸入\輸出模塊SM 323 DI16/DO16塊。
      從站組態(tài)則是設置從站的連接方式、傳輸?shù)牟ㄌ芈?、各從站的地址等，我們選擇了通過PROFIBUS總線連接方式，將兩臺6SE70通過CBP2接入，通過EM277模塊將226CN也接入了總線，并將PROFIBUS總線地址分別設為6、8、9。

      3通訊實現(xiàn)
      自動檢測系統(tǒng)中設計的通訊包括315-2DP和6SE70之間的通訊，同時也包括315-2DP和226CN之間的通訊。
      3.1 315-2DP與6SE70之間的通訊
      在STEP7中組態(tài)好硬件的基礎上還需要在SIMATIC Manager中開辟一定的數(shù)據(jù)空間作為對6SE70讀、寫的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。使用了DB1，讀6SE70的數(shù)據(jù)的12個字節(jié)放在0-11中，寫給6SE70的12個字節(jié)數(shù)據(jù)放在12-23中，24-31用來存放通訊的錯誤代碼和與6SE70有關的其他計算數(shù)據(jù)。
      讀6SE70的數(shù)據(jù)則是與6SE70的參數(shù)P734建立對應關系，寫6SE70的數(shù)據(jù)是與6SE70的K3001-K3016建立對應關系。

 
圖4 DB1結構圖

       在本系統(tǒng)中我們將DB1.DBW12- DB1.DBW23對應P734的W01-W06，DB1.DBW0- DB1.DBW11對應K3001-K3012.315-2DP讀取6SE70的數(shù)據(jù)可以通過設置參數(shù)P734的值來實現(xiàn)，315-2DP寫給6SE70的數(shù)據(jù)存放在K3001-K3012中，在6SE70的參數(shù)設置中可以進行調用，從而建立彼此的對應關系，其中DB1的結構如圖4所示。
      在了解通訊數(shù)據(jù)結構的基礎上，我們通過315-2DP中的SFC14和SFC15來完成數(shù)據(jù)通訊。其中，SFC14（DPRD-DAT）用于讀6SE70從站的數(shù)據(jù)，SFC15（DPWR-DAT）用于將數(shù)據(jù)寫入6SE70從站，程序如下：
      CALL SFC 14  //6SE70----->PLC
      LADDER：= W#16#100 //通訊地址
      RET_VAL：=DB1.DBW24 //錯誤代碼
      RECORD：=P#DB1.DBX0.0 BYTE 12 //傳送起始地址及長度
      CALL SFC 15  // PLC ----->6SE70
      LADDER：= W#16#100 //通訊地址
      RET_VAL：=DB1.DBW26 //錯誤代碼
      RECORD：=P#DB1.DBX12.0 BYTE 12 //傳送起始地址及長度
      3.2 315-2DP與226 CN之間的通訊
      315-2DP與226CN 的數(shù)據(jù)交換是一種數(shù)據(jù)映射關系；不需要寫通訊程序。在S7-300中定義好V的起始位置和長度就可以。

 
圖5 226CN通訊映射圖

      在本系統(tǒng)中，我們在組態(tài)226CN時，將EM277組態(tài)為8 Bytes Out/8 Bytes In類型從站，并將EM277模塊對應的V區(qū)的地址偏移設為100，如圖5所示，則226CN的VB100－VB107對應315-2DP的PQB0-PQB7，226CN的VB108－VB115對應315-2DP的PIB0-PIB7。分別在226CN和315-2DP中編寫程序，將要通訊的數(shù)據(jù)存放在相應的地址中，則可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

      4 程序設計
      系統(tǒng)中，施加載荷大小由226CN中的程序完成，檢測工藝主要依靠315-2DP中的手動和自動程序來完成，人機界面部分的程序用WinCC來完成[5]，其操作主界面如圖6所示。
      其中：1-操作及報警信息提示框；2-輸入狀態(tài)指示；3-輸出狀態(tài)指示；4-動態(tài)監(jiān)控圖；5-溫度曲線圖； 6-測試輸入信息及反饋信息顯示；7-系統(tǒng)設置顯示；8-系統(tǒng)工作進度顯示；9-功能按鈕； 10-啟動，停止，新建，退出按鈕。

      5 系統(tǒng)調試及運行
      系統(tǒng)調試包括硬件、軟件、模擬調試和現(xiàn)場運行。模擬調試是檢查硬件和軟件的整體性能，為現(xiàn)場運行做準備。在進行系統(tǒng)調試時要遵守：先進行單機調試，再進行聯(lián)機調試；先空載試驗，再帶載調試。調試過程中，許多故障是由于6SE70和PLC的參數(shù)設置不當造成的，因此，正確設置參數(shù)是保證系統(tǒng)正常運行的前提。

圖 6 系統(tǒng)操作主界面

      6 結束語
      本文通過一個實際項目，實現(xiàn)了上位機、Siemens S7-300 PLC和6SE70的Profibus-DP通信。經(jīng)現(xiàn)場調試及運行表明，此方法是控制交流電機的較為可靠、方便而且經(jīng)濟的方法，系統(tǒng)設計具有普遍性，對實際的工程有一定參考價值。

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