一、前言

船模試驗(yàn)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(yàn)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(cè)控的，多為分離元件，使用時(shí)間長(zhǎng)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(kuò)展性和操作簡(jiǎn)便，系統(tǒng)采用上位工控機(jī)+WinCC組態(tài)軟件+S7 300 PLC+6SE70變頻器組成。

二、系統(tǒng)介紹

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)部分由4臺(tái)45kW SEW三合一電機(jī)和2臺(tái)3kW SEW三合一電機(jī)構(gòu)成。在高速工況下( 0.8～8m/s)，拖車由4臺(tái)45kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在低速工況下(0.06～0.8m/s)，通過(guò)離合器切換，拖車由2臺(tái)3kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。司機(jī)室內(nèi)設(shè)有工控機(jī)一臺(tái)及操作臺(tái)，工控機(jī)通過(guò) CP5611卡與PLC進(jìn)行Profibus-DP通訊，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，實(shí)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(jī)組成。進(jìn)行高速試驗(yàn)時(shí)，4臺(tái)6SE7031-2EF60-2變頻器分別控制四臺(tái)45kW電機(jī)，閉環(huán)矢量控制(P100.1=4)，且4臺(tái)變頻器通過(guò)SLB卡連成SIMOlink環(huán)網(wǎng)。其中，一臺(tái)變頻器為主變頻器，速度控制(P587.1=0)，通過(guò) PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行控制，另外三臺(tái)變頻器為從變頻器，轉(zhuǎn)矩控制(P587.1=1)，通過(guò)SIMOlink網(wǎng)進(jìn)行控制。當(dāng)進(jìn)行低速試驗(yàn)時(shí)，2臺(tái)6SE7021-OEA61變頻器分別控制2臺(tái)3kW電機(jī)，閉環(huán)矢量j控制，且2臺(tái)變頻器通過(guò)SLB卡連成SIMOlink環(huán)網(wǎng)。其中，一臺(tái)變頻器為主變頻器，速度控制，j通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行控制，另外1臺(tái)變頻器為從變頻器，轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)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(tái)6SE7031-2EF60-2變頻器控制圖
 

圖5  2臺(tái)6SE7021-OEA61變頻器控制圖

2．系統(tǒng)硬件配置

表  1   

四、控制系統(tǒng)完成的功能及難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

1．結(jié)合上位工控機(jī)的WinCC組態(tài)軟件，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能    

(1)多種車速的選擇功能    

通過(guò)PROFIBUS-DP修改主變頻器的速度給定，可實(shí)現(xiàn)拖車速度的多種切換，達(dá)到一次試驗(yàn)完成多種速度段的測(cè)量。

(2)加減速時(shí)間的自動(dòng)設(shè)定功能

通過(guò)PROFIBUS-DP修改主變頻器的加減速時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同速度時(shí)加減速時(shí)間不同，實(shí)現(xiàn)拖車啟動(dòng)停止的平穩(wěn)。

(3)故障類別判斷功能

通過(guò)WinCC的故障報(bào)表功能，完成故障的實(shí)時(shí)顯示及儲(chǔ)存。    

(4)拖車的操作功能

在操作臺(tái)及組態(tài)軟件中，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)船池拖車的操作。    

(5)實(shí)時(shí)顯示拖車速度及拖車位置    

通過(guò)6ES7-338-4BCOO-OABO位置模塊讀取拖車自由輪上的多圈絕對(duì)值編碼器的圈數(shù)和位置數(shù)，利用STEP7中的OB35硬件時(shí)間中斷來(lái)計(jì)算拖車的實(shí)時(shí)速度。

(6)數(shù)據(jù)記錄功能

組態(tài)軟件WinCC與PLC通過(guò)PROFIBUS-DP交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)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(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法

(1)拖車速度精度（高速）的實(shí)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(guò)多種方案的試驗(yàn)。

方案一：四臺(tái)變頻器均采用速度控制，主從控制，即一臺(tái)變頻器為主變頻器，速度控制，另三臺(tái)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(tái)變頻器的實(shí)際頻率不可能達(dá)到完全一致，只要變頻器的實(shí)際頻率相差一點(diǎn)，便有某臺(tái)電機(jī)被拖著走，造成各電機(jī)電流不一致，甚至造成電機(jī)過(guò)流。

圖6 WINCC組態(tài)軟件主要界面

方案二：我們?cè)囼?yàn)了2主2從的方案，即拖車左側(cè)一臺(tái)主變頻器和一臺(tái)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(tái)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(huì)造成各電機(jī)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(huì)“歪”著行駛，影響拖車速度精度。

方案三：我們?cè)囼?yàn)了1主3從的方案，即一臺(tái)變頻器為主變頻器，速度控制，另3臺(tái)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(tái)從變頻器出力，保證拖車的驅(qū)動(dòng)能力。由于3臺(tái)從變頻器跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩，四臺(tái)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(yàn)結(jié)果證明此方案的效果最好。

根據(jù)試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)為SLB傳送的主變頻器的起動(dòng)信號(hào)

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(hào)

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(hào)

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(guò)變頻器的速度環(huán)消除機(jī)械部分的傳動(dòng)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(jī)到拖車車輪有減速機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)比為5.8:1，拖車車輪的1024脈沖，轉(zhuǎn)折算到電機(jī)端僅176脈沖／轉(zhuǎn)( 1024/5.8=176)，折算到電機(jī)端的編碼器脈沖數(shù)太小，精度不夠。后來(lái)我們更換高精度編碼器（4096脈沖，轉(zhuǎn)），但試驗(yàn)效果仍不理想。最后，我們將編碼器裝在電機(jī)端，試驗(yàn)證明此方案效果較好。

(3)變頻器速度環(huán)的調(diào)整

通過(guò)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(lái)，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(shí)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(yàn)，可得到不同速度段時(shí)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(shí)，通過(guò)查表法得到變頻器的速度環(huán)參數(shù)，然后通過(guò) 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(yǔ)

在調(diào)試過(guò)程中，我們感受到了6SE70變頻器的靈活性、開放性和強(qiáng)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(jì)目標(biāo)。