李曉佳， 張鐵力

(廣州廣重分離機(jī)械有限公司，廣東 廣州 511495)

0 引 言

動平衡機(jī)是一種檢測旋轉(zhuǎn)體動平衡的設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)械振動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及電氣測量系統(tǒng)三部分。機(jī)械振動系統(tǒng)用于支承轉(zhuǎn)子并允許轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生有規(guī)則的振動，振動的物理量經(jīng)傳感器檢測后轉(zhuǎn)換成電信號送入電氣測量系統(tǒng)進(jìn)行處理；電氣測量部分是將傳感器傳來的電信號進(jìn)行濾波處理，并以轉(zhuǎn)速信號為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，顯示出被測轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)速和不平衡量；電氣控制系統(tǒng)是控制電機(jī)的啟動、停止及調(diào)速的部分，分為直流控制和交流控制。本文以我公司現(xiàn)有的一臺舊SCHENCK動平衡機(jī)為研究對象，設(shè)計一套全新的電氣控制系統(tǒng)，使其能更好地與其他系統(tǒng)配合并重新投入生產(chǎn)測試中使用。

1 設(shè)計方案

該設(shè)備原采用瑞士Brown Boveri公司生產(chǎn)的直流電機(jī)為主拖動，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速3 500 rad/min，皮帶變比為1.84。由于動平衡機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 rad/min，為了更好地實現(xiàn)主電機(jī)的調(diào)速性能。本次控制系統(tǒng)改造選用西門子公司生產(chǎn)的SINAMICS DC Master直流調(diào)速器產(chǎn)品作為驅(qū)動器，通過控制電樞電壓來調(diào)節(jié)平衡機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，設(shè)備包含風(fēng)機(jī)、油泵電機(jī)各一個，以及油路打開、頂起工件、扶穩(wěn)工件和油路卸荷等四個電磁閥，設(shè)計選用德國西門子公司S7-1200PLC作為核心控制器，以確保控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)平穩(wěn)以及與測量系統(tǒng)平臺的對接，同時人機(jī)界面采用西門子精智系列觸摸屏TP-900完成設(shè)備的啟停、速度設(shè)定及讀取等操作。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

由于篇幅有限，本文重點闡述PLC、直流調(diào)速器以及HMI之間的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及如何采用通信方式實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2 PROFIBUS DP通信的建立

PROFIBUS是SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)中的車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制。PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息[1]。

2.1 DP主站系統(tǒng)組態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備需求，本次設(shè)計選擇CPU1215C作為控制器，該模塊本身集成雙以太網(wǎng)口，可以輕松實現(xiàn)與HMI之間的PORFINET通信。但為了建立與DC Master 之間的PROFIBUS DP通信，還需擴(kuò)展一個DP主站模塊CM 1243-5。DP主站的組態(tài)全部在TIA Portal V13軟件中完成。

在TIA Portal軟件中打開“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”，從“硬件目錄”中選擇主站S7-1200控制器以及DP主站模塊，注意硬件版本要與現(xiàn)場硬件完全一致。按照以下順序配置DP主站模塊，在網(wǎng)絡(luò)視圖中雙擊該模塊，依次打開“屬性”-“常規(guī)”-“DP接口”-“操作模式”，將該模塊配置為“主站”，并建立主站系統(tǒng)：DP-Mastersystem(1)。然后配置PROFIBUS地址，如圖2所示，需注意此處的PROFIBUS地址為“2”以及傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?.5 Mbps，在DCM從站中會自動識別PROFIBUS(1)的波特率。

圖2 DP主站設(shè)置

2.2 DP從站系統(tǒng)組態(tài)

直流調(diào)速裝置SINAMICS DCM 6RA80模塊本身標(biāo)配PROFIBUS[2]，但是要與主站建立PROFIBUS DP通信還同時需要使用兩個軟件：TIA Portal V13以及STARTER V4.4。

2.2.1TIAPortal軟件配置

圖3 DP從站配置

(1)打開TIA Portal V13“網(wǎng)絡(luò)視圖”，按圖3所示，從硬件目錄中選擇與現(xiàn)場硬件版本一致的DCM模塊并將其插入到PROFIBUS(1)中作為從站，站名稱為Slave(1)，站地址為“3”，傳輸率為1.5 Mbps。

(2)組態(tài)數(shù)據(jù)通信報文：報文是連接主站和從站的橋梁，通常根據(jù)需要傳輸?shù)竭^程數(shù)據(jù)數(shù)量選擇合適的報文[3]。從驅(qū)動設(shè)備的角度來看，接收到的過程數(shù)據(jù)是接收字，即主站發(fā)給從站的控制字或設(shè)定值，發(fā)送的過程數(shù)據(jù)是發(fā)送字，即主站通過從站讀取的狀態(tài)字或?qū)嶋H值。

(3)網(wǎng)絡(luò)視圖中雙擊Slave(1)從站，從硬件目錄中選擇SIEMENS telegram PZD 6/6，該報文包含6個PZD，這樣，不僅可以讀寫、控制速度參數(shù)，還可以讀取輸出電流、轉(zhuǎn)矩以及系統(tǒng)警告和故障代碼等參數(shù)。項目報文配置如圖4所示。

圖4 DP從站報文配置

(4)在TIA“網(wǎng)絡(luò)視圖”中對直流調(diào)速裝置DCM 6RA80“分配設(shè)備名稱”，這樣在STARTER軟件中才可以在PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)中搜索并組態(tài)該模塊。

2.2.2STARTER軟件配置

STARTER軟件是西門子公司開發(fā)針對其變頻器進(jìn)行調(diào)試的軟件。它可以對參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場更改，并具有在線測控、現(xiàn)場故障檢測、設(shè)備復(fù)位，以及強(qiáng)大的監(jiān)督跟蹤功能。采用STARTER軟件進(jìn)行項目配置及調(diào)試是通過集成的DP接口來完成的，因此要在PC機(jī)上配置DP接口卡CP5512。

(1)創(chuàng)建一個空白項目，執(zhí)行“Drive_unit(1)”-“communication”-“commiss.interface”，設(shè)置Online access point，PG/PC interface 以及Target device address，然后點擊“Accessible nodes”，在節(jié)點列表中選擇PROFIBUS地址為“3”的DCM模塊，并點擊“Upload”(上傳)按鈕，將控制單元及可識別的組件上傳到項目中，點擊工具欄中的“編譯保存”按鈕執(zhí)行編譯保存。

(2)手動配置電機(jī)模塊。在項目導(dǎo)航欄中找到要手動配置的組件，執(zhí)行“Drive_1”-“Configure DDS...”[4]，在向?qū)У闹敢?，配置如下?nèi)容：①Function Modules；②Power units；③Motor data 此項為配置的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格按照電機(jī)銘牌輸入電機(jī)參數(shù)，如電機(jī)電樞電壓、勵磁電流等，否則會對整個項目的配置調(diào)試及電機(jī)運行造成影響。 ④Motor brake；⑤Encoder；⑥Specification for the field；⑦Process data exchange(drive) 此項選擇報文方式，要與TIA項目中設(shè)定的報文類型一致，這里選擇SIEMENS telegram 352，發(fā)送控制字與速度給定，接收狀態(tài)字與實際速度、電流、轉(zhuǎn)矩及報警等參數(shù)；⑧Important parameters包含電流、轉(zhuǎn)矩的限制值以及上升、下降時間，這些參數(shù)也是電機(jī)的升降速調(diào)節(jié)的重要參數(shù)；⑨Summary總結(jié)以上配置并拷貝保存記錄。

(3)在工具欄中點擊“在線”圖標(biāo)進(jìn)入“在線”模式。執(zhí)行“Download”操作，將項目下載到控制單元的RAM中，此處需注意的是必須執(zhí)行“Copy RAM to ROM”使項目內(nèi)容保存到CF卡中，否則如果系統(tǒng)斷電，RAM中的內(nèi)容都會立即丟失，等下次上電時，系統(tǒng)會將CF卡中舊的數(shù)據(jù)讀到RAM中。為了保證在線與離線項目的一致性，還需執(zhí)行“Load to PG”，將RAM區(qū)中的內(nèi)容讀到當(dāng)前項目中，最后點擊“Save and compile”按鈕，執(zhí)行保存編譯，保存到硬盤上。

STARTER軟件可以實現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化，以此來實現(xiàn)對電機(jī)的最優(yōu)控制。有關(guān)于電機(jī)優(yōu)化的內(nèi)容可以參考相關(guān)文獻(xiàn)，此處不再贅述。

3 PROFINET通信的建立

PROFINET是一種真正的實時工業(yè)以太網(wǎng)，在一條網(wǎng)線上可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)、工廠實時數(shù)據(jù)、運動控制IRT數(shù)據(jù)的同時傳輸，是最有生命力的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一[5]。S7-1200PLC的CPU 集成標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET以太網(wǎng)接口，可以與編程PC、人機(jī)界面和其他支持PROFINET以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備通信。

在TIA項目中插入SIMATIC HMI Station TP-900 Comfort，為了能實現(xiàn)該站與S7-1200PLC的PROFINET通信，需要配置二者的PROFINET端口的IP地址及變量的連接方式，如圖5所示。

圖5 HMI與PLC的PROFINET通信配置

建立PLC與HMI的PROFINET通信后，創(chuàng)建HMI畫面對S7-1200PLC變量進(jìn)行監(jiān)控與設(shè)置，實現(xiàn)對動平衡機(jī)的操作。動平衡系統(tǒng)HMI主畫面如圖6所示。

圖6 HMI主畫面

4 電機(jī)速度讀、寫

打開“網(wǎng)絡(luò)視圖”，將對應(yīng)硬件按各自的通信方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即得到整個電控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。將整個TIA項目進(jìn)行“編譯”-“保存”-“下載”，并“轉(zhuǎn)到在線”，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。以下簡要說明電機(jī)的速度轉(zhuǎn)速控制。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

主電機(jī)啟動之前，首先確保啟動風(fēng)機(jī)和油泵電機(jī)，還需要設(shè)置STARTER軟件主接觸器的信號源參數(shù)p51619[0]，當(dāng)p51619[0]設(shè)置為r53081[0]時[6]，主接觸器的吸合條件滿足，其狀態(tài)也可以通過STARTER軟件在線的條件下實時顯示出來。要啟動、停止電機(jī)，在程序中使用MOVE指令直接向控制字1(STW1)中送入16#047F和16#047E，讀寫電機(jī)速度需要在PLC程序中調(diào)用“DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”指令。通過HMI面板上“主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值”IO域?qū)㈦姍C(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值送給控制字PZD2(NSOLL_A)，PLC通過狀態(tài)字PZD2(NIST_A_GLATT)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速讀回，并通過HMI輸出域顯示出來。其他參數(shù)如電流、轉(zhuǎn)矩等可參考相同的讀取方式，但要注意,不同的PZD代表的參數(shù)意義也是不同的。PLC控制流程如圖8所示。

圖8 PLC控制流程圖

5 結(jié)束語

筆者采用西門子公司全系列產(chǎn)品，將PROFIBUS DP通信與PROFINET通信有機(jī)融合，并結(jié)合西門子TIA Portal與STARTER軟件，設(shè)計開發(fā)了立式動平衡機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融入了西門子的最新的控制理念，從設(shè)備控制的平穩(wěn)性、人機(jī)界面的友好型以及與機(jī)械、測量系統(tǒng)的配合性能上相比早期的控制系統(tǒng)有了明顯的改善，也為今后類似的控制提供了很好的范本，具有廣泛的應(yīng)用性及擴(kuò)展性。