吳焱明，徐湛楠，葉云龍，朱家誠，吳天星

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

0 引言

行星齒輪減速器試驗臺根據(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臺，又可以分為機械封閉功率流型和電封閉功率流型兩類［1］。機械封閉功率流型試驗臺，通過系統(tǒng)中各齒輪產(chǎn)生嚙合力，使機械功率得到循環(huán)利用，這種試驗臺結(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臺采用電機作為加載裝置，通過負載電機的力矩進行加載，并將負載電機產(chǎn)生的電能通過電能回饋裝置進行回饋，實現(xiàn)試驗臺能量封閉。電封閉功率流型試驗臺雖然成本較高，但是其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)自動化，能耗低［3］。根據(jù)企業(yè)提出的試驗臺具有高自動化程度、高精度、低能耗要求，綜合上述幾種試驗臺的優(yōu)缺點，采用電封閉功率流型試驗臺方案，利用西門子共直流母線技術(shù)，設(shè)計了一種基于工控機的電封閉功率流型試驗臺。

1 試驗臺系統(tǒng)組成

行星齒輪減速器試驗臺主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機、負載電機、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)動電機和被測減速器之間以及負載電機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行連接。試驗臺采用模塊化設(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，可以實現(xiàn)對不同型號行星齒輪減速器在不同工況下進行性能試驗。驅(qū)動電機和負載電機均為三相異步伺服電機，驅(qū)動電機為試驗臺提供動力，負載電機作為試驗臺加載裝置。試驗臺工作時，驅(qū)動電機工作在速度模式，負載電機工作在力矩模式，處于發(fā)電狀態(tài)，負載電機模塊將產(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，實現(xiàn)試驗臺能量的封閉，降低試驗臺能耗。

圖1 行星齒輪減速器試驗臺組成框圖

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)動工程機械的行走輪。根據(jù)企業(yè)提出的要求，為了更加準確進行減速器相關(guān)性能試驗，需要在被測減速器輸出鏈輪上進行徑向加載，用來模擬減速器實際工況。徑向加載系統(tǒng)采用液壓進行加載，加載量大小由工控機進行精確控制。

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

2 試驗臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

試驗臺控制系統(tǒng)硬件主要由工控機、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，功能強大，作為試驗臺的下位機，是控制部分的核心，實現(xiàn)整個試驗臺的邏輯控制、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)，可以實現(xiàn)對多個電機進行精確控制，由控制單元、整流模塊、電機模塊等組成。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，供給各個電機模塊。電機模塊即逆變模塊，將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，驅(qū)動電機。當(dāng)試驗臺的加載電機處于發(fā)電狀態(tài)時，電機模塊將所發(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進行通信，實現(xiàn)西門子PLC 通過S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)動電機和負載電機進行閉環(huán)控制，同時，S120 多軸驅(qū)動系統(tǒng)向PLC 反饋電機的速度、力矩和故障報警等信息。

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

3 試驗臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

試驗臺的控制系統(tǒng)軟件程序包括兩部分:上位機程序和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

上位機程序是在Windows 系統(tǒng)的.NET 平臺上，使用C#語言進行編寫，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，實現(xiàn)與PLC 的通訊。工控機與PLC 之間通過OPC 協(xié)議進行通訊，在工控機上建立OPC 服務(wù)器，進行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，實現(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，實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件與PLC 的通訊［7］。試驗臺進行試驗時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)使用微軟Access 數(shù)據(jù)庫進行存儲。上位機程序使用C#的ADO.NET 技術(shù)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行存儲、讀取、修改、刪除等操作［8］。

PLC 程序使用梯形圖進行編寫，用來對試驗臺的驅(qū)動電機、負載電機和徑向液壓加載系統(tǒng)進行控制，完成試驗臺試驗過程的邏輯控制，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)動電機和負載電機進行控制，兩者之間通過Profibus 網(wǎng)絡(luò)進行連接?？刂浦噶钜詧笪牡男问竭M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行非周期性通訊，向控制單元讀取和發(fā)送報文，實現(xiàn)對電機的控制，同時讀取電機和模塊的狀態(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方法的研究分析，結(jié)合企業(yè)提出的功能要求，試驗臺控制系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)試驗臺的手動和自動運行，試驗數(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，試驗臺操作人員只有登錄之后，才能使用試驗臺控制軟件進行試驗，用戶信息存儲在Access 數(shù)據(jù)庫中。通過用戶登錄，提高了試驗臺控制軟件的安全性。

(2)“手動運行”功能用來對試驗臺的各個硬件進行單獨調(diào)試，包括驅(qū)動電機、負載電機、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)備進行調(diào)試，同時對設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

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

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

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

(6)“幫助功能”用來幫助操作人員進行相關(guān)操作，介紹了每個試驗項目的試驗原理、試驗方法、試驗操作規(guī)范等，避免試驗人員進行誤操作，產(chǎn)生危險。

4 結(jié)束語

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

［1］程鶴鳴. 大速比混合輪系減速器試驗臺的研究［D］. 武漢:武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，2011.

［2］王立權(quán)，安永東. 船用大功率減速器封閉試驗臺加載裝置［J］. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011，32(10):1337－1340.

［3］黃甫雨亮. 減速器試驗臺測控系統(tǒng)研究［D］. 太遠:太原理工大學(xué)，2007.

［4］JB/T 9050.3-1999. 圓柱齒輪減速器加載試驗方法［S］.

［5］劉增輝，賴英旭，趙偉. 西門子S7-300PLC 應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［6］逯志宏，繆衛(wèi)東. 西門子SINAMICS S120 傳動系統(tǒng)在軋機EGC 中的應(yīng)用［J］. 變頻器世界，2011(1):89.

［7］劉強，趙劍波，馬平. OPC 客戶端與西門子PLC 通信［J］.冶金自動化，2009(2):590－592.

［8］蘇素芳，趙會東，王小科. C#學(xué)習(xí)手冊［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2011.