一、前言
船模試驗水池（船池）是從事船舶與海洋工程領(lǐng)域高新技術(shù)研究的主要手段。船池拖車是船模試驗水池必備的大型設(shè)備，它具有良好的控制性能，高精度的調(diào)速系統(tǒng)，并且具有高可靠性。
武漢理工大學(xué)船池拖車原控制系統(tǒng)是模擬量測控的，多為分離元件，使用時間長了，故障率增加，且影響拖車速度精度。為了適應(yīng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展，武漢理工大學(xué)船池進(jìn)行了數(shù)字化改造。由于該系統(tǒng)速度精度要求高（速度誤差要求±1‰），為使系統(tǒng)具有先進(jìn)性、高可靠性、易擴展性和操作簡便，系統(tǒng)采用上位工控機+WinCC組態(tài)軟件+S7 300 PLC+6SE70變頻器組成。
二、系統(tǒng)介紹
整個系統(tǒng)如圖1所示。驅(qū)動部分由4臺45kW SEW三合一電機和2臺3kW SEW三合一電機構(gòu)成。在高速工況下( 0.8～8m/s)，拖車由4臺45kW電機驅(qū)動；在低速工況下(0.06～0.8m/s)，通過離合器切換，拖車由2臺3kW電機驅(qū)動。司機室內(nèi)設(shè)有工控機一臺及操作臺，工控機通過 CP5611卡與PLC進(jìn)行Profibus-DP通訊，實時交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)操作功能及顯示拖車速度。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖
圖2 電氣系統(tǒng)單線圖
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)主要由S7 300 PLC、6SE70變頻器及上位工控機組成。進(jìn)行高速試驗時，4臺6SE7031-2EF60-2變頻器分別控制四臺45kW電機，閉環(huán)矢量控制(P100.1=4)，且4臺變頻器通過SLB卡連成SIMOlink環(huán)網(wǎng)。其中，一臺變頻器為主變頻器，速度控制(P587.1=0)，通過 PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行控制，另外三臺變頻器為從變頻器，轉(zhuǎn)矩控制(P587.1=1)，通過SIMOlink網(wǎng)進(jìn)行控制。當(dāng)進(jìn)行低速試驗時，2臺6SE7021-OEA61變頻器分別控制2臺3kW電機，閉環(huán)矢量j控制，且2臺變頻器通過SLB卡連成SIMOlink環(huán)網(wǎng)。其中，一臺變頻器為主變頻器，速度控制，j通過PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行控制，另外1臺變頻器為從變頻器，轉(zhuǎn)矩控制，通過SIMOlink網(wǎng)4進(jìn)行控制。
圖3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4 4臺6SE7031-2EF60-2變頻器控制圖
圖5 2臺6SE7021-OEA61變頻器控制圖
2．系統(tǒng)硬件配置
表 1
1 |
| CPU | 6ES7 315-2AG10-OABO | 1 | 西門子 |
2 | MMC卡 | 6ES7 953-8LFOO-OAAO | 1 | 西門子 |
3 | 接口模塊 | 6ES7 365-OBA01-OAAO | 1 | 西門子 |
4 | ·PLC | 輸入模塊 | 6ES7-321-1BH02-OAAO | 7 | 西門子 |
5 | 輸出模塊 | 6ES7-322-1BH01-OAAO | 4 | 西門子 |
6 | 編碼器模塊 | 6ES7-338-4BCOO-OABO | 1 | 西門子 |
7 | Profibus總線連接器 | 6ES7972-OBA40-OXAO | 3 | 西門子 |
8 | 變頻器 |
| 6SE7031-2EF60-2 | 4 | 西門子 |
9 | 變頻器 |
| 6SE7021-OEA61-2 | 1 | 西門子 |
10 | CBP2卡 |
| 6SX 7010-OFF05 | 2 | 西門子 |
11 | SLB卡 |
| 6SX7010-OFJOO | 6 | 西門子 |
12 | 制動單元 |
| 6SE7018-OES87-2DAO | 2 | 西門子 |
13 | 制動單元 |
| 6SE7028-OEA87-2DAO | 4 | 西門子 |
14 | CP5611卡 |
| 6GK1561-1AAO | 1 | 西門子 |
15 | 編程軟件 | STEP7 V5.2 | 6ES7810-4CC06-OYXO | 1 | 西門子 |
16 | 組態(tài)軟件 | WINCC V5.1 | 6AV6 381-1BN05-1AVO | 1 | 西門子 |
四、控制系統(tǒng)完成的功能及難點實現(xiàn)
1．結(jié)合上位工控機的WinCC組態(tài)軟件，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能
(1)多種車速的選擇功能
通過PROFIBUS-DP修改主變頻器的速度給定，可實現(xiàn)拖車速度的多種切換，達(dá)到一次試驗完成多種速度段的測量。
(2)加減速時間的自動設(shè)定功能
通過PROFIBUS-DP修改主變頻器的加減速時間，實現(xiàn)不同速度時加減速時間不同，實現(xiàn)拖車啟動停止的平穩(wěn)。
(3)故障類別判斷功能
通過WinCC的故障報表功能，完成故障的實時顯示及儲存。
(4)拖車的操作功能
在操作臺及組態(tài)軟件中，均可實現(xiàn)對船池拖車的操作。
(5)實時顯示拖車速度及拖車位置
通過6ES7-338-4BCOO-OABO位置模塊讀取拖車自由輪上的多圈絕對值編碼器的圈數(shù)和位置數(shù)，利用STEP7中的OB35硬件時間中斷來計算拖車的實時速度。
(6)數(shù)據(jù)記錄功能
組態(tài)軟件WinCC與PLC通過PROFIBUS-DP交換數(shù)據(jù)，實時顯示及記錄各變頻器的電流、頻率等數(shù)據(jù)。
2．系統(tǒng)中的難點及實現(xiàn)方法
(1)拖車速度精度（高速）的實現(xiàn)
由于船池拖車的速度精度要求高（速度誤差±1‰），為保證拖車的拖車速度精度，我們進(jìn)行過多種方案的試驗。
方案一：四臺變頻器均采用速度控制，主從控制，即一臺變頻器為主變頻器，速度控制，另三臺變頻器為從變頻器，速度控制，跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)速。這種方案下，由于四臺變頻器的實際頻率不可能達(dá)到完全一致，只要變頻器的實際頻率相差一點，便有某臺電機被拖著走，造成各電機電流不一致，甚至造成電機過流。
圖6 WINCC組態(tài)軟件主要界面
方案二：我們試驗了2主2從的方案，即拖車左側(cè)一臺主變頻器和一臺從變頻器，主變頻器采用速度控制，從變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制，跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩，拖車右側(cè)與左側(cè)一樣，右側(cè)2臺變頻器也采用主從控制。這種方案下，由于拖車兩側(cè)主變頻器速度仍可能不一致，也會造成各電機電流不一致，而且如果拖車一側(cè)速度快，一側(cè)速度慢，拖車便會“歪”著行駛，影響拖車速度精度。
方案三：我們試驗了1主3從的方案，即一臺變頻器為主變頻器，速度控制，另3臺變頻器為從變頻器，轉(zhuǎn)矩控制，跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩。這種方案下，主變頻器控制拖車的速度精度，3臺從變頻器出力，保證拖車的驅(qū)動能力。由于3臺從變頻器跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩，四臺變頻器電流一致，而且從變頻器的出力也有效地防止了拖車車輪打滑的現(xiàn)象出現(xiàn)（拖車加速度要小于物理臨界加速度O.lg，一般為0.08g左右）。試驗結(jié)果證明此方案的效果最好。
根據(jù)試驗結(jié)果，我們采用了方案三。方案三的變頻器主要參數(shù)設(shè)置如下
主變頻器：
P443.1=K3002 主變頻器的主給定為PROFIBUS PZD2
P554.1=B3100 主變頻器啟動為PROFIBUS PZD1的位O
P571.1= B3111 主變頻器正轉(zhuǎn)為PROFIBUS PZD1的位1 1
P571.1=B3112 主變頻器反轉(zhuǎn)為PROFIBUS PZD1的位12
P587.1=0 主變頻器為速度控制
P734.1=K22 主變頻器至PLC的PZD1為主變頻器的電流
P734.2=KK20 主變頻器至PLC的PZD2為主變頻器的轉(zhuǎn)速
P734.3=K7001 主變頻器至PLC的PZD3為從變頻器1的電流
P734.4=K7002 主變頻器至PLC的PZD4為從變頻器1的轉(zhuǎn)速
P734.5=K7003 主變頻器至PLC的PZD3為從變頻器2的電流
P734.6=K7004 主變頻器至PLC的PZD4為從變頻器2的轉(zhuǎn)速
P734.7=K7005 主變頻器至PLC的PZD3為從變頻器3的電流
P734.8=K7006 主變頻器至PLC的PZD4為從變頻器3的轉(zhuǎn)速
P740.1=0 主變頻器為SIMOlink環(huán)網(wǎng)的主站
P751.1=KO
P751.2=K30 SLB傳輸數(shù)據(jù)源的通道0為主變頻器控制字
P751.1=KO
P751.2=K153 SLB傳輸數(shù)據(jù)源的通道1為主變頻器轉(zhuǎn)矩
從變頻器：
P486.1=K7004 從變頻器的力矩給定為SLB傳送的主變頻器的轉(zhuǎn)矩
P554.1=B7200 從變頻器起動為SLB傳送的主變頻器的起動信號
P571.1=B7211 從變頻器正轉(zhuǎn)為SLB傳送的主變頻器的正轉(zhuǎn)信號
P571.1=B7212 從變頻器反轉(zhuǎn)為SLB傳送的主變頻器的反轉(zhuǎn)信號
P587.1=1 從變頻器為轉(zhuǎn)矩控制
P740.1=1 從變頻器為SIMOlink環(huán)網(wǎng)的從站
P749.1=0.0 從變頻器的SLB接收數(shù)據(jù)通道0為主變頻器的通道0
P949.2=0.1 從變頻器的SLB接收數(shù)據(jù)通道1為主變頻器的通道1
P751.1=K22 SLB傳輸數(shù)據(jù)源的通道0的高字為從變頻器的電流
P751.2=KK20 SLB傳輸數(shù)據(jù)源的通道0的低字為從變頻器的轉(zhuǎn)速
(2)閉環(huán)反饋編碼器位置的選擇
最初我們將編碼器（1024脈沖/轉(zhuǎn)）裝在拖車車輪上，認(rèn)為這樣可通過變頻器的速度環(huán)消除機械部分的傳動誤差，但這種方案效果并不理想。原因可能如下：①車輪的加工精度不夠高②由于電機到拖車車輪有減速機，機械傳動比為5.8:1，拖車車輪的1024脈沖，轉(zhuǎn)折算到電機端僅176脈沖／轉(zhuǎn)( 1024/5.8=176)，折算到電機端的編碼器脈沖數(shù)太小，精度不夠。后來我們更換高精度編碼器（4096脈沖，轉(zhuǎn)），但試驗效果仍不理想。最后，我們將編碼器裝在電機端，試驗證明此方案效果較好。
(3)變頻器速度環(huán)的調(diào)整
通過DriveMonitor軟件中的TRACE功能將變頻器速度給定及速度反饋記錄下來，仔細(xì)分析速度曲線，調(diào)整變頻器速度環(huán)的參數(shù)（P235速度環(huán)的比例增益P240速度環(huán)的積分時間），這樣邊調(diào)整邊分析，即可達(dá)到較好的變頻器速度環(huán)調(diào)整效果。
這樣在拖車不同速度段分別試驗，可得到不同速度段時的變頻器最佳速度環(huán)的參數(shù)。
在WinCC組態(tài)軟件中，設(shè)置不同速度時，通過查表法得到變頻器的速度環(huán)參數(shù)，然后通過 PROFIBUS-DP修改變頻器的速度環(huán)參數(shù)即可。
圖7 DRIVEMONITOR軟件的TRACE功能波形示意圖
五、結(jié)束語
在調(diào)試過程中，我們感受到了6SE70變頻器的靈活性、開放性和強大的功能。借助于6SE70變頻器的優(yōu)異的調(diào)速性能，武漢理工大學(xué)船池控制系統(tǒng)改造基本上達(dá)到了預(yù)計目標(biāo)。
