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(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，選擇Siemens 315-2DP作為控制核心，西門子PC847B工控機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，6SE70變頻器作為執(zhí)行設(shè)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(duì)貨運(yùn)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(yùn)列車的重要部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)車輛的運(yùn)行性能有極其重要的影響，這就要求我們對(duì)即將投入使用的車輛軸承進(jìn)行科學(xué)的、嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

      本文所敘述的軸承磨合自動(dòng)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(zhuǎn)彎模擬和剎車模擬等功能。整個(gè)測試系統(tǒng)采用了“PLC +6SE70+PC478”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。    

      2.系統(tǒng)組成
      2.1系統(tǒng)硬件組成
      在該自動(dòng)測試系統(tǒng)中，選用西門子的PC478B工控機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，主要負(fù)責(zé)檢測工藝的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄和查詢，同時(shí)還將整個(gè)系統(tǒng)接入了工廠的局域網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；系統(tǒng)中選用了兩臺(tái)西門子6SE70變頻器控制兩臺(tái)交流電機(jī)，兩臺(tái)交流電機(jī)分別和兩側(cè)的車輪連接，實(shí)現(xiàn)不同行駛工況的模擬；上位機(jī)主站選用了一臺(tái)西門子315-2DP  PLC，負(fù)責(zé)將控制數(shù)據(jù)傳送到變頻器中，并監(jiān)控變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)車軸的溫度數(shù)據(jù)和電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)也會(huì)通過不同的傳感器反饋到PLC中，通過編制的算法由PLC自動(dòng)決策來完成實(shí)驗(yàn)工藝；為了模擬不同的載荷，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的液壓裝置來完成，其結(jié)構(gòu)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(tái)西門子226CN PLC來控制。

 
圖2 外部臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖 

      2.2 6SE70硬件連接和參數(shù)設(shè)置
      根據(jù)試驗(yàn)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(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)也有較高的動(dòng)態(tài)特性和轉(zhuǎn)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(yùn)行過程中的各種工況，系統(tǒng)的控制策略要求設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒性和實(shí)時(shí)性均較強(qiáng)的控制器來提高系統(tǒng)的控制指標(biāo)，而6SE70的軟件設(shè)計(jì)中并沒有相應(yīng)的功能，這就要求我們關(guān)閉6SE70固有的PI調(diào)節(jié)功能，用自己設(shè)計(jì)的參數(shù)來完成相應(yīng)的功能。
      為了實(shí)現(xiàn)這一功能，首先我們需要設(shè)置6SE70的常用參數(shù)[1]：

      （1）P060=6。用于選擇如何進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，當(dāng)P060=6時(shí)，允許用戶通過SIMOVIS軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也是最簡單和直觀的參數(shù)設(shè)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(jī)的速度控制，即選擇Pl00=4。
     （3）設(shè)置交流電機(jī)的銘牌參數(shù)。在P101、P102、P104、P107和P108，分別輸入交流電機(jī)的額定電壓、額定電流、額定功率、額定頻率和額定轉(zhuǎn)速。而P103的電機(jī)勵(lì)磁電流和P109電機(jī)極對(duì)數(shù)會(huì)在離開系統(tǒng)設(shè)置后，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。
    （4）電機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)的功能參數(shù)。Pl4l有8個(gè)參數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)8種工藝過程。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們選擇Pl41=1，即大轉(zhuǎn)矩齒輪傳動(dòng)和大慣量驅(qū)動(dòng)。

    （6）設(shè)置P060=1，即退出了系統(tǒng)設(shè)置回到參數(shù)菜單，此時(shí)輸入的參數(shù)值將被檢驗(yàn)是否合理。不合理的參數(shù)設(shè)置會(huì)導(dǎo)致故障信號(hào)的出現(xiàn)，錯(cuò)誤的設(shè)定參數(shù)被寫入?yún)?shù)R949 （故障值）。
      經(jīng)過上述的參數(shù)設(shè)置，完成了對(duì)6SE70的基本參數(shù)設(shè)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(jìn)行交流電機(jī)的辨識(shí)和優(yōu)化，交流電機(jī)的辨識(shí)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(duì)參數(shù)P115設(shè)定不同的值來進(jìn)行優(yōu)化。
      在設(shè)置好常用參數(shù)后，為了提高系統(tǒng)的性能，還進(jìn)行了如下的參數(shù)設(shè)定[1][2]：
    （1）設(shè)置P95=10。P95為電機(jī)類型的選擇，只有選擇了電機(jī)類型，才可以選擇其控制方式。
    （2）設(shè)置P100=4。P100為選擇開閉環(huán)控制方式的參數(shù)。
    （3）設(shè)置P240=32001。P240為輸入速度調(diào)節(jié)器積分時(shí)間功能參數(shù)，當(dāng)設(shè)置其為32001ms時(shí)，積分分量封鎖。
    （4）設(shè)置P315=1。P315為Pl調(diào)節(jié)器增益的功能參數(shù)。
    （5）設(shè)置P222=0。讀入速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速實(shí)際值連接量的BICO參數(shù)。
    （6）將自己設(shè)計(jì)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(shè)置被控電機(jī)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(diào)節(jié)器關(guān)閉，第5步設(shè)置關(guān)閉了原來速度調(diào)節(jié)器前的速度反饋環(huán)節(jié)，最后一步設(shè)置則用自設(shè)置參數(shù)取代了原有的速度調(diào)節(jié)器，實(shí)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(jìn)行相應(yīng)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(gè)數(shù)、各站點(diǎn)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(shè)置CPU的型號(hào)，所用的供電電源、以及附加的輸入、輸出和實(shí)現(xiàn)各種功能的功能塊以及他們的機(jī)架號(hào)等。系統(tǒng)中我們除配置了315-2DP的CPU外，還選擇了一個(gè)PS 307 5A作為供電電源，一個(gè)計(jì)數(shù)模塊FM350，一個(gè)數(shù)字量輸入\輸出模塊SM 323 DI16/DO16塊。
      從站組態(tài)則是設(shè)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(tái)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(shè)為6、8、9。

      3通訊實(shí)現(xiàn)
      自動(dòng)檢測系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的通訊包括315-2DP和6SE70之間的通訊，同時(shí)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(chǔ)上還需要在SIMATIC Manager中開辟一定的數(shù)據(jù)空間作為對(duì)6SE70讀、寫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。使用了DB1，讀6SE70的數(shù)據(jù)的12個(gè)字節(jié)放在0-11中，寫給6SE70的12個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)放在12-23中，24-31用來存放通訊的錯(cuò)誤代碼和與6SE70有關(guān)的其他計(jì)算數(shù)據(jù)。
      讀6SE70的數(shù)據(jù)則是與6SE70的參數(shù)P734建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，寫6SE70的數(shù)據(jù)是與6SE70的K3001-K3016建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

 
圖4 DB1結(jié)構(gòu)圖

       在本系統(tǒng)中我們將DB1.DBW12- DB1.DBW23對(duì)應(yīng)P734的W01-W06，DB1.DBW0- DB1.DBW11對(duì)應(yīng)K3001-K3012.315-2DP讀取6SE70的數(shù)據(jù)可以通過設(shè)置參數(shù)P734的值來實(shí)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(shè)置中可以進(jìn)行調(diào)用，從而建立彼此的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中DB1的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
      在了解通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(cuò)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(cuò)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(guān)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(shí)，將EM277組態(tài)為8 Bytes Out/8 Bytes In類型從站，并將EM277模塊對(duì)應(yīng)的V區(qū)的地址偏移設(shè)為100，如圖5所示，則226CN的VB100－VB107對(duì)應(yīng)315-2DP的PQB0-PQB7，226CN的VB108－VB115對(duì)應(yīng)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(yīng)的地址中，則可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

      4 程序設(shè)計(jì)
      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(dòng)和自動(dòng)程序來完成，人機(jī)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(bào)警信息提示框；2-輸入狀態(tài)指示；3-輸出狀態(tài)指示；4-動(dòng)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(shè)置顯示；8-系統(tǒng)工作進(jìn)度顯示；9-功能按鈕； 10-啟動(dòng)，停止，新建，退出按鈕。

      5 系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行
      系統(tǒng)調(diào)試包括硬件、軟件、模擬調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行。模擬調(diào)試是檢查硬件和軟件的整體性能，為現(xiàn)場運(yùn)行做準(zhǔn)備。在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)要遵守：先進(jìn)行單機(jī)調(diào)試，再進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試；先空載試驗(yàn)，再帶載調(diào)試。調(diào)試過程中，許多故障是由于6SE70和PLC的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的，因此，正確設(shè)置參數(shù)是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。

圖 6 系統(tǒng)操作主界面

      6 結(jié)束語
      本文通過一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)、Siemens S7-300 PLC和6SE70的Profibus-DP通信。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試及運(yùn)行表明，此方法是控制交流電機(jī)的較為可靠、方便而且經(jīng)濟(jì)的方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有普遍性，對(duì)實(shí)際的工程有一定參考價(jià)值。

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