減振器性能試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)研究

楊 坤，唐 嵐，江 昊

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引 言

減振器性能試驗(yàn)臺(tái)是減振器設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵裝備[1]。目前國(guó)內(nèi)的減振器性能試驗(yàn)臺(tái)多數(shù)為機(jī)械式，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)減振器做近似的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，通過(guò)彈性扭桿測(cè)力和振幅，測(cè)得的數(shù)據(jù)由人工處理。但該裝置只能得到在一定振動(dòng)速度下的示功圖，且效率低下，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性差[2]，極大制約了國(guó)產(chǎn)減振器的發(fā)展。為了方便控制，提高工作效率，本文提出利用可編程邏輯控制器（PLC）與變頻器之間的串口通信以實(shí)現(xiàn)減振器試驗(yàn)臺(tái)激振頻率的程序化控制，激振頻率可按要求自行設(shè)置，使用簡(jiǎn)便，試驗(yàn)過(guò)程均為自動(dòng)控制，人機(jī)界面友好，測(cè)試效率較高。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

減振器性能試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，PLC作為試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控核心，通過(guò)預(yù)設(shè)程序控制變頻器動(dòng)作，同時(shí)采集模塊循環(huán)采集各模擬量信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)觸摸屏顯示。

控制系統(tǒng)采用的核心控制器件是西門子S7-200PLC，CPU型號(hào)為224XP，由于該型號(hào)PLC自帶兩個(gè)通信口，可同時(shí)滿足與變頻器及觸摸屏之間的通信，且互不沖突[3]。其中，計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485串口與PLC通信，PLC使用USS協(xié)議來(lái)控制變頻器，變頻器改變交流電的頻率，從而對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，再由電機(jī)帶動(dòng)減速器，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為減振器激振的簡(jiǎn)諧直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)總體框圖

試驗(yàn)臺(tái)在自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，測(cè)試時(shí)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)，模擬減振器的實(shí)車工況，最后得到減振器示工特性曲線[4-5]，其工作過(guò)程如下：

1）系統(tǒng)初始化程序。

2）通過(guò)觸摸屏預(yù)設(shè)系統(tǒng)工作頻率值。

3）拉壓力傳感器、位移傳感器采集各個(gè)激振頻率下減振器狀態(tài)值。

4）PLC對(duì)采集的模擬量信號(hào)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信輸入到觸摸屏，得到試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及減振器特性曲線。

主要工作過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)主要工作過(guò)程示意圖

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

2.1 調(diào)速原理

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式[6]為

式中：f——電源頻率；

p——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；

s——轉(zhuǎn)差率；

n1——異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的工作原理。

2.2 通信協(xié)議

S7-200PLC與西門子MM系列變頻器之間使用USS協(xié)議進(jìn)行通信[7]，通過(guò)STEP 7 Micro/WIN32 V3.2以上版本指令庫(kù)中的USS指令，可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)通信。首先編寫(xiě)用戶程序，初始化USS_INIT指令，為USS指令分配V存儲(chǔ)區(qū)，用于保留USS變量；接著利用變頻器自帶的面板操作設(shè)定好通信參數(shù)，并使它與用戶程序中的波特率和從站地址相同；最后用通信電纜將PLC與變頻器連接起來(lái)便完成了USS協(xié)議指令的操作[8]。

2.3 頻率自給定的控制方法

2.3.1 MM440變頻器參數(shù)的設(shè)置

使用USS協(xié)議進(jìn)行通信之前，應(yīng)使用變頻器內(nèi)置的基本操作面板設(shè)置相關(guān)參數(shù)[9]，主要參數(shù)有：

P0003=3：?jiǎn)⒂盟袇?shù)的讀寫(xiě)訪問(wèn)（專家級(jí)模式）。

P0010=1：?jiǎn)⒂每焖僬{(diào)試模式。

P0304=380：電機(jī)額定電壓，V。

P0305=42.5：電機(jī)額定電流，A。

P0307=2200：電機(jī)額定功率，W。

P0310=50：電機(jī)額定頻率，Hz。

P0311=1470：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

P0700=5：即控制源來(lái)自COM Link上的USS通信。

P1000=5：即設(shè)定源來(lái)自COM Link上的USS通信。

P1120=3：加速時(shí)間設(shè)置成3s。

P1121=3：減速時(shí)間設(shè)置成3s。

P2009=0：對(duì)COM Link上的USS通信設(shè)定值規(guī)格化，即設(shè)定值為變頻器中的頻率設(shè)定范圍的百分比形式。

P2010=6：設(shè)置COM Link上的USS通信速率為9600bit/s。

P2011=0：即驅(qū)動(dòng)裝置COM Link上的USS通信口在網(wǎng)絡(luò)上的從站地址。

P2012=2：即USSPZD區(qū)長(zhǎng)度為2個(gè)字長(zhǎng)。

P2013=127：即USSPKW區(qū)的長(zhǎng)度可變。

P2014=0：即不進(jìn)行此端口上的超時(shí)檢查。

P0971=1：上述參數(shù)將保存入MM440的EEPROM中。

USS通信通常由S7-200與驅(qū)動(dòng)設(shè)置配合完成，因此相關(guān)參數(shù)一定要配合設(shè)置。

2.3.2 PLC的I/O口分配

PLC的I/O口分配如表1所示。

PLC與變頻器進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)先把各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)清零，再對(duì)通信參數(shù)初始化，最后按照要求對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停止、改變頻率等操作。

表1 PLC的I/O口分布

3 傳感器信號(hào)處理

減振器試驗(yàn)臺(tái)所用的傳感器是TS-C型拉壓傳感器和輪輻式拉壓力傳感器，量程是2t。位移傳感器選用SD-400，準(zhǔn)確度為1.5%。

變送器首先將傳感器所測(cè)得的工程量信號(hào)轉(zhuǎn)化為能被PLC識(shí)別的模擬量信號(hào)，接著將模擬量信號(hào)送入PLC內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行數(shù)值處理[10]。對(duì)于模擬量的數(shù)值處理使用如下公式：

工程量下限

式中：N——所求的工程量；

AIWX——經(jīng)PLC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

根據(jù)傳感器安裝的位置關(guān)系和所測(cè)得的值，可以計(jì)算出減振器在試驗(yàn)過(guò)程中隨位移變化時(shí)的內(nèi)阻尼F。

F=F_LY2-F_LY1

式中：F_LY1——測(cè)量的拉伸阻力值；

F_LY2——測(cè)量的壓縮阻力值。

由于外部環(huán)境的干擾，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該在PLC處理數(shù)據(jù)之前對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行濾波處理，該處理由PLC自帶的濾波裝置完成，具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 PLC模擬量輸入濾波設(shè)置

對(duì)傳感器信號(hào)的處理直接利用PLC自帶的模擬量庫(kù)解決。

4 人機(jī)界面設(shè)置

顯示硬件為TK6102i（800×480）觸摸屏，用EB8000 Project Manager組態(tài)軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。再利用PLC與觸摸屏進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)便能夠?qū)崟r(shí)顯示出來(lái)。

首先定義通信連接中相互對(duì)應(yīng)的變量，即將觸摸屏中組態(tài)元件的寄存器地址與PLC中所指定的數(shù)據(jù)寄存器地址相關(guān)聯(lián)，組態(tài)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，就是數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和輸出。此次組態(tài)過(guò)程中沒(méi)有用到內(nèi)部變量，而全是外部變量。EB8000 Project Manager中外部變量的定義以及與PLC中地址的對(duì)應(yīng)情況如表2所示。

表2 地址的對(duì)應(yīng)情況

在組態(tài)時(shí)利用“數(shù)值輸入”與“數(shù)值顯示”元件來(lái)寫(xiě)入和讀取所指定寄存器內(nèi)的數(shù)值。如在系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行頻率預(yù)設(shè)時(shí)，由于“數(shù)值輸入”元件與PLC控制變頻器程序中頻率預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)地址VD50相關(guān)聯(lián)，因此通過(guò)預(yù)設(shè)觸摸屏上該“數(shù)值輸入”元件數(shù)值,再通過(guò)觸摸屏與PLC之間的串口通信，即可達(dá)到預(yù)設(shè)變頻器工作頻率的目的，簡(jiǎn)單方便。利用“位狀態(tài)切換開(kāi)關(guān)”元件在窗口上定義一個(gè)觸控區(qū)域，控制所指定寄存器的狀態(tài)為ON或OFF，即對(duì)開(kāi)關(guān)元件的設(shè)置，其組態(tài)原理與頻率預(yù)設(shè)同理。組態(tài)效果圖如圖4所示。

圖4 組態(tài)效果圖

5 試驗(yàn)臺(tái)工作特性曲線

在進(jìn)行圖形顯示時(shí)所用的工具是增強(qiáng)對(duì)象中的趨勢(shì)視圖，將從PLC中采集來(lái)的數(shù)據(jù)如S_WY和F_LY等值送入視圖中進(jìn)行顯示，橫坐標(biāo)為位移S，單位為mm，縱坐標(biāo)為減振器內(nèi)阻壓力F，單位為kN。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所得示功圖如圖5所示。

圖5 某氣壓減震器示功圖

如圖所示，循環(huán)曲線所包圍的面積表示減震器消耗的功或衰減的能量，F(xiàn)OS坐標(biāo)圖中，A-B-C-D為拉伸過(guò)程，D-E-F-A為壓縮過(guò)程。該控制系統(tǒng)主要針對(duì)某氣壓減振器的性能測(cè)試，拉伸過(guò)程中復(fù)原阻尼不斷增大，在接近端點(diǎn)達(dá)到最大，并不同于油壓減振器直接在中間達(dá)到峰值，從而引起高位移。壓縮過(guò)程中壓縮阻尼不斷增大，具有氣彈簧的曲線特性，隨后迅速減小使鋼板起主要作用。減振器阻尼力由最大值變?yōu)榱愕倪^(guò)程中，氣壓減振器較油壓減振器行程明顯縮短，從而引起低頻率。初始充入腔體氣壓相同，在速度相同的情況下，氣壓減振器隨載荷不同，阻尼也不同。根據(jù)QC/T 545——1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC減振器性能試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC對(duì)變頻器的程序化控制和良好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，能夠直觀方便地讀取減振器性能的有關(guān)數(shù)據(jù)。其中，通過(guò)觸摸屏對(duì)試驗(yàn)頻率的自主調(diào)節(jié)改變了傳統(tǒng)機(jī)械式減振器試驗(yàn)臺(tái)的自帶面板操作模式，使減振器試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和頻率調(diào)節(jié)更加方便易行。同時(shí)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)程序可靠，且能滿足最初設(shè)計(jì)時(shí)的功能要求。

[1]王三槐，丁問(wèn)司.鐵路油壓減振器疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2004（1）：23-24.

[2]于兆華，尚景華.國(guó)內(nèi)油壓減振器試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2005（2）：28-30.

[3]趙景波，阿倫，李杰臣，等.西門子S7-200PLC實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：93.

[4]Besigner F H，Cebon D，Cole D J.Damper modoels for heavy vehicle ride dynamics[J].Vehicle sys Dyna，1995（24）：35-64.

[5]姜偉，高紅俐，殷建軍，等.汽車減振器性能檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，19（3）：48-50.

[6]趙永飛，董明明，王子明.減振器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2013（4）：22-25.

[7]張松順，謝汝生.通過(guò)USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)變頻器的PLC控制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2001（5）：39-41.

[8]廖長(zhǎng)初.PLC編程及應(yīng)用[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：25-31.

[9]劉彥良，李夏，付海濤.基于西門子PLC與MM440變頻器的多段速控制方法應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2011（8）：47-49.

[10]孟強(qiáng).談PLC模擬量控制在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（3）：33-35.