基于工控機(jī)的行星齒輪減速器試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

吳焱明，徐湛楠，葉云龍，朱家誠，吳天星

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

行星齒輪減速器試驗(yàn)臺根據(jù)工作原理可以分為兩種結(jié)構(gòu)，一是開放功率流型試驗(yàn)臺，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡單，通用性好，成本低，但是其加載裝置為純耗能裝置，能耗大，使用成本較高。二是封閉功率流型試驗(yàn)臺，又可以分為機(jī)械封閉功率流型和電封閉功率流型兩類［1］。機(jī)械封閉功率流型試驗(yàn)臺，通過系統(tǒng)中各齒輪產(chǎn)生嚙合力，使機(jī)械功率得到循環(huán)利用，這種試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，加載裝置力矩不易控制［2］。電封閉功率流型試驗(yàn)臺采用電機(jī)作為加載裝置，通過負(fù)載電機(jī)的力矩進(jìn)行加載，并將負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生的電能通過電能回饋裝置進(jìn)行回饋，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺能量封閉。電封閉功率流型試驗(yàn)臺雖然成本較高，但是其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動化，能耗低［3］。根據(jù)企業(yè)提出的試驗(yàn)臺具有高自動化程度、高精度、低能耗要求，綜合上述幾種試驗(yàn)臺的優(yōu)缺點(diǎn)，采用電封閉功率流型試驗(yàn)臺方案，利用西門子共直流母線技術(shù)，設(shè)計了一種基于工控機(jī)的電封閉功率流型試驗(yàn)臺。

1 試驗(yàn)臺系統(tǒng)組成

行星齒輪減速器試驗(yàn)臺主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、徑向液壓加載系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器等組成，如圖1 所示。驅(qū)動電機(jī)和被測減速器之間以及負(fù)載電機(jī)和陪試減速器之間都為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，傳感器兩端通過聯(lián)軸器分別與電機(jī)和減速器連接。由于減速器輸出為鏈輪輸出，所以被測減速器和陪試減速器之間通過傳動鏈進(jìn)行連接。試驗(yàn)臺采用模塊化設(shè)計，被測減速器和陪試減速器安裝在支架上，通過更換支架上的接口零件，可以實(shí)現(xiàn)對不同型號行星齒輪減速器在不同工況下進(jìn)行性能試驗(yàn)。驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均為三相異步伺服電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)為試驗(yàn)臺提供動力，負(fù)載電機(jī)作為試驗(yàn)臺加載裝置。試驗(yàn)臺工作時，驅(qū)動電機(jī)工作在速度模式，負(fù)載電機(jī)工作在力矩模式，處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電機(jī)模塊將產(chǎn)生的電能反饋到直流母線，可以避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺能量的封閉，降低試驗(yàn)臺能耗。

圖1 行星齒輪減速器試驗(yàn)臺組成框圖

由于合作企業(yè)生產(chǎn)的減速器為輪邊減速器，主要用于驅(qū)動工程機(jī)械的行走輪。根據(jù)企業(yè)提出的要求，為了更加準(zhǔn)確進(jìn)行減速器相關(guān)性能試驗(yàn)，需要在被測減速器輸出鏈輪上進(jìn)行徑向加載，用來模擬減速器實(shí)際工況。徑向加載系統(tǒng)采用液壓進(jìn)行加載，加載量大小由工控機(jī)進(jìn)行精確控制。

試驗(yàn)臺按照國家標(biāo)準(zhǔn)［4］，主要進(jìn)行的試驗(yàn)包括:減速器在不同工況下的空載試驗(yàn);減速器在不同工況下的傳動效率試驗(yàn);減速器在不同工況下的疲勞壽命試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、西門子S7-300PLC 和西門子S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

西門子S7-300PLC 屬于模塊化中小型PLC 系統(tǒng)［5］，由各個模塊組合而成，西門子公司提供了各種功能模塊，用戶可以根據(jù)具體需要選擇相應(yīng)的模塊，其編程簡單，功能強(qiáng)大，作為試驗(yàn)臺的下位機(jī)，是控制部分的核心，實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)臺的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和處理等。

S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)［6］是西門子集V/F 控制、矢量控制、伺服控制于一體的多軸驅(qū)動系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對多個電機(jī)進(jìn)行精確控制，由控制單元、整流模塊、電機(jī)模塊等組成。控制單元用來控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制。整流模塊將三相交流電整流成直流電，通過直流母線，供給各個電機(jī)模塊。電機(jī)模塊即逆變模塊，將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)試驗(yàn)臺的加載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，電機(jī)模塊將所發(fā)的交流電整流為直流電，反饋到直流母線，供驅(qū)動電機(jī)使用。系統(tǒng)的各個模塊通過高速DRIVECLIQ 接口相連，整個系統(tǒng)接線簡單、方便。S7-300PLC 與S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)通過工業(yè)總線Profibus進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)西門子PLC 通過S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，同時，S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)向PLC 反饋電機(jī)的速度、力矩和故障報警等信息。

工控機(jī)通過OPC 通信協(xié)議與S7-300 PLC 進(jìn)行通信，作為試驗(yàn)臺操作系統(tǒng)的上位機(jī)，用來處理以及存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)人員通過工控機(jī)上的試驗(yàn)臺控制軟件，對試驗(yàn)臺進(jìn)行操作。

3 試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)軟件程序包括兩部分:上位機(jī)程序和PLC 程序，控制軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)程序是在Windows 系統(tǒng)的.NET 平臺上，使用C#語言進(jìn)行編寫，主要用來開發(fā)用戶界面，建立與OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)現(xiàn)與PLC 的通訊。工控機(jī)與PLC 之間通過OPC 協(xié)議進(jìn)行通訊，在工控機(jī)上建立OPC 服務(wù)器，進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)OPC 服務(wù)器與PLC 之間的連接，而控制系統(tǒng)軟件通過建立與OPC 服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件與PLC 的通訊［7］。試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)使用微軟Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。上位機(jī)程序使用C#的ADO.NET 技術(shù)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、讀取、修改、刪除等操作［8］。

PLC 程序使用梯形圖進(jìn)行編寫，用來對試驗(yàn)臺的驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載電機(jī)和徑向液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成試驗(yàn)臺試驗(yàn)過程的邏輯控制，以及處理轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的模擬量輸入等。PLC 通過向S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制單元發(fā)送指令，對驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載電機(jī)進(jìn)行控制，兩者之間通過Profibus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接?？刂浦噶钜詧笪牡男问竭M(jìn)行發(fā)送，報文是一種數(shù)據(jù)格式，每個報文由若干個數(shù)據(jù)字組成，包括控制字、狀態(tài)字、速度或力矩設(shè)定值等。PLC 程序調(diào)用相關(guān)系統(tǒng)功能塊與控制單元進(jìn)行非周期性通訊，向控制單元讀取和發(fā)送報文，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，同時讀取電機(jī)和模塊的狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件功能模塊

通過對行星齒輪減速器試驗(yàn)方法的研究分析，結(jié)合企業(yè)提出的功能要求，試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺的手動和自動運(yùn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，故障報警信息顯示與處理等功能，所以控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要分為以下幾個功能模塊，控制系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

(1)“用戶登錄”功能包括用戶登錄和新用戶注冊，試驗(yàn)臺操作人員只有登錄之后，才能使用試驗(yàn)臺控制軟件進(jìn)行試驗(yàn)，用戶信息存儲在Access 數(shù)據(jù)庫中。通過用戶登錄，提高了試驗(yàn)臺控制軟件的安全性。

(2)“手動運(yùn)行”功能用來對試驗(yàn)臺的各個硬件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，包括驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、液壓系統(tǒng)，用戶可以通過手動界面，設(shè)定參數(shù)后對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，同時對設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

(3)“自動運(yùn)行”功能用來進(jìn)行試驗(yàn)臺的自動運(yùn)行，包括試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)運(yùn)行、試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控三部分。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn)臺相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，包括試驗(yàn)方法的選擇、驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載電機(jī)參數(shù)設(shè)定、加載裝置參數(shù)設(shè)定等。試驗(yàn)運(yùn)行用來控制試驗(yàn)的開始、停止和暫停。試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控用來實(shí)時顯示試驗(yàn)過程中的各種參數(shù)，如輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、油溫等，并可以生成實(shí)時的相關(guān)曲線。試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)臺自動停止，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫中，相關(guān)的試驗(yàn)曲線以位圖的形式進(jìn)行保存。

(4)“數(shù)據(jù)處理”功能用來對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括試驗(yàn)臺效率的計算、自動生成圖文并茂的試驗(yàn)報告等。

(5)“故障報警”功能用來顯示試驗(yàn)臺的報警和故障信息，并進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)試驗(yàn)臺出現(xiàn)異常情況時，控制軟件自動進(jìn)行報警，操作臺上的蜂鳴器發(fā)出報警聲，并且報警燈閃爍，同時試驗(yàn)臺的報警或故障信息會顯示在故障報警界面上，試驗(yàn)過程自動停止。試驗(yàn)人員可以根據(jù)報警和故障信息，對試驗(yàn)臺進(jìn)行檢查和處理。

(6)“幫助功能”用來幫助操作人員進(jìn)行相關(guān)操作，介紹了每個試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)操作規(guī)范等，避免試驗(yàn)人員進(jìn)行誤操作，產(chǎn)生危險。

4 結(jié)束語

該行星齒輪減速器試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)采用工控機(jī)、西門子PLC 和S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)作為控制器，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺的閉環(huán)控制，提高了控制精度，充分發(fā)揮工控機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，提高了試驗(yàn)臺的效率，利用西門子電封閉技術(shù)，保證了試驗(yàn)臺的能量封閉，大大降低了試驗(yàn)臺的能耗。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，實(shí)時性強(qiáng)，提高了試驗(yàn)臺的整體性能。

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