基于TIA博途平臺群控伺服比例閥的Profinet通信研究

秦永晉，付力揚，左娟，高佳麒

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽 471039；3.河南省高端軸承產(chǎn)業(yè)研究院，河南洛陽 471039；4.河南省軸承技術(shù)創(chuàng)新中心，河南洛陽 471039)

0 前言

風(fēng)電增速箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，位于葉輪和發(fā)電機(jī)之間，將葉輪受風(fēng)力作用產(chǎn)生的扭矩傳遞給發(fā)電機(jī)，葉輪端較低的輸入轉(zhuǎn)速通過多級軸承傳動增速轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詽M足發(fā)電機(jī)發(fā)電所需的轉(zhuǎn)速。而由于風(fēng)速的不可控制性，風(fēng)電增速箱軸承是一種承受隨機(jī)載荷的重載軸承。

軸承試驗中最重要的一項要求就是對軸承施加準(zhǔn)確并且持續(xù)穩(wěn)定的軸向力和徑向力，用來模擬實際工況中軸承所承受的載荷。結(jié)合風(fēng)機(jī)的現(xiàn)實工況，不僅需要對增速箱軸承施加壓力，有時也需要施加拉力，同時還需要頻繁變載。因此，對液壓加載系統(tǒng)中伺服比例閥的精度和反應(yīng)時間都有較高的要求。為了保證控制信號的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，還需要具備一定的抗干擾能力。

綜合以上因素，本文作者使用德國西門子公司S7-1200系列PLC群控意大利阿托斯公司伺服比例閥，通過TIA博途自動化軟件編寫PLC程序，使用Profinet現(xiàn)場總線協(xié)議對軸承載荷進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

1 總體設(shè)計方案

如圖1所示，同時控制2臺加載油缸對一套內(nèi)圈固定在主軸上的風(fēng)電增速箱軸承的軸向和徑向端面進(jìn)行加載試驗，加載油缸最大需要加載1 500 kN的力。

圖1 試驗的加載結(jié)構(gòu)

由液壓站提供連續(xù)不斷的壓力油，最大工作載荷31.5 MPa，最小工作載荷0.2 MPa，加載壓力自動調(diào)節(jié)，響應(yīng)時間需在2 s以內(nèi)。采用變量泵配合11 kW供油泵電機(jī)提供油壓，每天連續(xù)工作時間需不少于20 h。考慮到需要提供連續(xù)可調(diào)流量并且要進(jìn)行閉環(huán)控制，最終選擇了意大利阿托斯公司型號DLHZO-TES-SL-EP-040-L73/IZ/C的伺服比例閥，該閥具有06通徑(閥體內(nèi)部油路通道為6 mm)，最大流量可達(dá)70 L/min，最大壓力35 MPa，硬件參數(shù)滿足試驗需求。安裝在加載桿上的拉壓力傳感器可以反饋實時數(shù)據(jù)到伺服比例閥，伺服比例閥通過內(nèi)部電子放大器對閥開口大小進(jìn)行PID動態(tài)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到精確控制加載目的。

現(xiàn)場放置了多臺200 kW以上的大功率設(shè)備，電磁干擾嚴(yán)重，同時液壓站自身也會發(fā)生振動，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線在抗干擾性和物理穩(wěn)定性上都無法滿足需求。因此作者選擇Profinet工業(yè)總線作為通信方式，使用以太網(wǎng)屏蔽電纜配合圓形連接器結(jié)構(gòu)的M12接口，通過插針接觸并用螺絲鎖緊來避免連接松動。

考慮到設(shè)備使用Profinet總線通信方式，PLC最終選擇了具有2個Profinet端口的西門子CPU 1215C作為控制器，配合交換機(jī)的使用與工控機(jī)、伺服比例閥共同組成局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，便于博途軟件對PLC的編程設(shè)計和工控機(jī)人機(jī)界面對伺服比例閥的通信控制[1-3]。

2 伺服比例閥硬件連接和參數(shù)設(shè)置

2.1 伺服比例閥硬件連接

圖2所示為伺服比例閥的主要結(jié)構(gòu)，由連接油路的閥身、控制閥開口的閥芯、按照輸入電流改變閥芯位置的比例電磁鐵、負(fù)責(zé)供電的主插頭、負(fù)責(zé)通信和控制的總線插頭、負(fù)責(zé)PID調(diào)節(jié)的集成式電子放大器、與計算機(jī)進(jìn)行連接的USB插頭組成。

圖2 伺服比例閥主要結(jié)構(gòu)

圖3所示為通信硬件連接的概念圖，通過一臺交換機(jī)為中繼聯(lián)接PLC、工控機(jī)人機(jī)界面和伺服比例閥，三者共同組成了一套局域網(wǎng)系統(tǒng)。

圖3 硬件連接示意

2.2 伺服比例閥參數(shù)設(shè)置

由于伺服比例閥的工作原理決定它只是通過電流控制電磁比例動作器和彈簧力調(diào)節(jié)閥口張開的大小和位置，并不是直接控制油液的流量和壓力，因此新出廠的伺服比例閥還需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)試。

伺服比例閥功能參數(shù)和配置通過Atos公司出品的E-SW軟件程序進(jìn)行設(shè)置和優(yōu)化。首先，便攜式計算機(jī)結(jié)合USB通信線纜連接伺服比例閥的電子放大器并打開E-SW軟件；其次，參考現(xiàn)場工作條件按如表1所示的參數(shù)進(jìn)行基本設(shè)置；再次，在軟件中通過調(diào)整圖4所示伺服比例閥數(shù)學(xué)模型中的各項設(shè)置來優(yōu)化其自身PID調(diào)節(jié)控制性能；最終，使閥滿足試驗要求。

表1 E-SW 軟件的設(shè)置

圖4 伺服比例閥的數(shù)學(xué)模型

3 PLC與伺服比例閥的組態(tài)和通信

PLC與伺服比例閥的通信設(shè)置使用的是TIA博途 V15.1版本，由于阿托斯伺服比例閥的相關(guān)參數(shù)并沒有保存在西門子公司博途自動化控制軟件中，需要在PLC項目中安裝阿托斯公司提供的描述伺服比例閥設(shè)備特性的電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(Generic Station Descriptionfile，GSD)，安裝完成后，該型號伺服比例閥就添加進(jìn)了博途的硬件選型庫中[4-5]。

按照表2的設(shè)備地址，在工控機(jī)Windows系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中給工控機(jī)設(shè)定一個固定IP地址，再通過博途軟件為PLC和伺服比例閥賦予與工控機(jī)同一地址段的IP地址。

表2 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址

完成設(shè)置之后，在博途軟件的網(wǎng)絡(luò)視圖中，右側(cè)的硬件目錄中可以通過拖動模塊添加設(shè)備到項目網(wǎng)絡(luò)中，再以硬件模塊自身節(jié)點連線組成圖5所示的Profinet通信拓?fù)湟晥D[6]。

圖5 Profinet通信的拓?fù)湟晥D

以軸向伺服比例閥舉例，在博途軟件中還需要按照表3參數(shù)對PLC變量表進(jìn)行設(shè)置，使其可以完全對應(yīng)伺服比例閥自身的控制命令參數(shù)，確保每一條命令都準(zhǔn)確無誤地送達(dá)[7-10]。

表3 PLC的變量地址

4 編寫控制和反饋程序

針對已經(jīng)完成組態(tài)和基本通信的PLC和伺服比例閥，使用功能塊圖(Function Block Diagram，F(xiàn)BD)圖形邏輯符號的編程語言完成對伺服比例閥的閥口張開大小的控制。圖6所示為PLC控制伺服比例閥開口大小以及用拉壓力傳感器作為反饋輸入給閥的程序[11-12]。

圖6 PLC控制程序

5 人機(jī)界面

PLC和伺服比例閥的設(shè)備組態(tài)和程序編程完全依賴于TIA博途自動化軟件對PLC的部署，而部署完成后只需要改變幾個輸入值就可以達(dá)到控制設(shè)備的目的。但在實際的現(xiàn)場控制中，博途軟件操作復(fù)雜界面繁多，不利于操作人員的培訓(xùn)和高效工作，因此可以在工控機(jī)端利用LabVIEW編程環(huán)境制作一個簡潔明了的界面用來讀寫PLC的數(shù)據(jù)。這樣做一方面可以簡化操作難度，另一方面還可以記錄實時數(shù)據(jù)，生成符合國際標(biāo)準(zhǔn)的TDMS記錄文件，圖7所示為載荷設(shè)定值95 800 N時的界面[13-15]。

圖7 人機(jī)對話界面

6 試驗驗證可靠性

圖8和圖9所示為完成安裝的試驗機(jī)主體和液壓站。根據(jù)表4所示的載荷譜對試驗軸承進(jìn)行加載試驗。圖10(a)軸向加載中，每次增加載荷時會有一個最高8 000 N的過沖在4～6 s內(nèi)迅速下降，穩(wěn)定后曲線雖有波動但一直穩(wěn)定在設(shè)定值附近，穩(wěn)定后的誤差為±6%。

表4 加載載荷譜參數(shù)

圖8 試驗機(jī)主體

圖9 液壓站

圖10 加載設(shè)定值和實際值的對比

圖10(b)徑向加載同樣也存在過沖現(xiàn)象，過沖值最高為2 700 N，徑向加載比軸向加載有更高的加載值，但曲線卻非常平穩(wěn)，穩(wěn)定后的誤差僅為±0.9%。

通過分析以上試驗數(shù)據(jù)可以得出：設(shè)定值在小于50 kN的載荷時波動較大，在大于50 kN的載荷時加載精確且波動不超過±1%，符合設(shè)計要求，同時加載誤差在設(shè)定值越接近最大加載值越小。這是因為設(shè)計方案中加載油缸最大載荷為1 500 kN，加載誤差是滿量程誤差，因此導(dǎo)致了加載越小波動越大，加載越大波動反而越小的現(xiàn)象。在實際使用中，建議小載荷加載試驗使用分級加載，具體方法是在載荷譜中增加過渡步驟的中間值，以減少對試驗軸承的沖擊。

7 結(jié)論

利用TIA博途自動化軟件和Profinet現(xiàn)場總線技術(shù)使用西門子PLC和阿托斯伺服比例閥完成了跨通信平臺的無障礙通信控制，用一根以太網(wǎng)屏蔽電纜連接組網(wǎng)取代了繁雜的模擬量通信接線和調(diào)試的過程，其擴(kuò)展性優(yōu)越，通信抗干擾能力也得到了增強(qiáng)。同時通過工控機(jī)人機(jī)對話界面可以控制伺服比例閥并記錄其實時狀態(tài)，出現(xiàn)故障時也可以遠(yuǎn)程診斷進(jìn)行排除。這種通信方式相比傳統(tǒng)的模擬量通信而言更加智能化，伴隨中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級以及“中國制造2025”這一國家政策的全面推行，在中國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的過程中被越來越多應(yīng)用到制造業(yè)現(xiàn)場控制中。