李　響，滿慶豐，夏繼強

(北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京　100191)

0　引言

扭矩傳感器的校準一般采用實驗室校準和現(xiàn)場校準兩種方式。相比實驗室校準，現(xiàn)場校準的優(yōu)點在于：(1)現(xiàn)場校準在實際應(yīng)用的試驗臺或設(shè)備上進行，消除了工作現(xiàn)場多方面因素的影響，如傳感器的安裝誤差、傳動軸系的形變等；(2)實驗室校準需要將零部件進行拆卸并運送到校準實驗室，而現(xiàn)場校準可在工作現(xiàn)場隨時進行，提高了工作效率。所以該系統(tǒng)采用現(xiàn)場校準的方式。

TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)平臺是基于PC技術(shù)的控制平臺，具有開放性好，速度快，運算能力強，易擴展的特點[1]。TwinCAT支持多種現(xiàn)場總線，如PROFIBUS、CAN、EtherCAT等，使用靈活，可以針對不同應(yīng)用場合設(shè)計出不同方案。

C#是Microsoft開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言[2]，由C++衍生而來，綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，是．NET開發(fā)的首選語言。

1　扭矩傳感器校準系統(tǒng)的總體設(shè)計

1．1系統(tǒng)概述

扭矩傳感器校準系統(tǒng)用于對工業(yè)現(xiàn)場使用的扭矩傳感器進行校準，以修正其測量輸出值。系統(tǒng)由載荷控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理三部分組成。其中，載荷控制部分用于根據(jù)校準工藝的要求，對機械軸進行指定多點的扭矩加載；數(shù)據(jù)采集部分用于采集在給定扭矩下，標準傳感器和被校傳感器對軸扭矩的測量值；數(shù)據(jù)處理部分用于對數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)進行分析處理，計算校準公式，繪制校準曲線，并保存校準參數(shù)。

1．2系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)集成多種現(xiàn)場總線的工作特點，選用TwinCAT軟PLC做為中央控制單元，負責控制信號的下發(fā)和測量數(shù)據(jù)的采集。做為主控單元，TwinCAT運行于工業(yè)PC機，通過PCI總線集成PROFIBUS-DP總線卡和CANopen總線卡。現(xiàn)場設(shè)備通過總線與TwinCAT進行通訊，這樣便實現(xiàn)了扭矩加載電機的控制和傳感器信號的采集；同時，TwinCAT通過ADS(自動化設(shè)備規(guī)范)通信與C#設(shè)計編寫的HMI進行數(shù)據(jù)交互，以獲取設(shè)置的扭矩加載值并上傳采集的傳感器測量值。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

1．2．1系統(tǒng)的硬件配置

(1)工控機選用IPC-610H 1臺，根據(jù)需要配有2個PCI卡槽；

(2)PROFIBUS DP總線卡選用帶有PCI接口的PROFIBUS MASTER CIF50-PB 1個；

(3)CANopen總線卡選用帶有PCI接口的CANopen MASTER FC51xx 1個，雙通道，同時支持CANopen協(xié)議和普通CAN協(xié)議；

(4)電機驅(qū)動系統(tǒng)選用 SINAMICS S120，根據(jù)需要可靈活組態(tài)；

(5)標準扭矩傳感器選用精度較高的產(chǎn)品：TB1A-5000Nm扭矩測量盤和MP30工業(yè)測量放大器1套。MP30放大器可將TB1A測量盤的扭矩測量信號轉(zhuǎn)換為CAN信號，并通過CANopen協(xié)議上傳至TwinCAT；

(6)被校扭矩傳感器選用測量精度相對較低的MANNER公司產(chǎn)品：MW-5kNm扭矩測量法蘭、A8a-PCM無線接收天線和AW-P接收單元1套。測量數(shù)據(jù)來自MW扭矩測量法蘭，通過A8a接收天線傳送至AW-P接收單元，接收單元再將處理后的測量信號通過CAN總線，采用自定義的CAN協(xié)議上傳至TwinCAT．

1．2．2系統(tǒng)的軟件配置

(1)在工控機內(nèi)安裝Windows XP或Windows 7操作系統(tǒng)做為系統(tǒng)軟件運行平臺；

(2)安裝Microsoft Visual Studio 2010做為C#語言的開發(fā)環(huán)境，用來編寫和調(diào)試程序；

(3)選用TwinCAT平臺做為運行于工控機的軟PLC，包括TwinCAT PLC Control和TwinCAT System Manager等部分。

1．3系統(tǒng)工藝和工作流程

MANNER和HMB的扭矩傳感器區(qū)別在于：MANNER的扭矩測量法蘭和接收單元是采用無線通訊的方式進行數(shù)據(jù)的傳輸，便于動態(tài)測量旋轉(zhuǎn)軸的扭矩；而HBM 的扭矩測量盤和測量放大器采用有線連接，不適宜測量動態(tài)的旋轉(zhuǎn)軸扭矩。因此扭矩的校準采用靜態(tài)校準方式，即在軸的一端連接加載電機，另外一端用銷釘或其他鎖緊裝置固定，在軸保持靜止的條件下進行扭矩的校準，如圖1下端所示。

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作流程圖

2　扭矩傳感器校準系統(tǒng)的實現(xiàn)

2．1HMI的設(shè)計

系統(tǒng)的HMI采用C#語言進行設(shè)計開發(fā)，可實現(xiàn)傳感器的選擇、扭矩加載值的設(shè)定、傳感器測量值的實時動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)的分析處理等功能。HMI界面如圖3所示。

圖3　扭矩傳感器校準系統(tǒng)HMI界面

其中，設(shè)置區(qū)域用于選擇需要校準的傳感器(可多個選項)；控制區(qū)域用于輸入扭矩給定值；采集區(qū)域用于實時顯示當前傳感器的測量值，包括HBM傳感器上傳的扭矩測量標準值和MANNER傳感器上傳的扭矩測量原始值；分析區(qū)域用于記錄校準數(shù)據(jù)(共10組)、計算校準公式、繪制校準曲線。校準曲線以扭矩測量原始值為X軸，以扭矩測量標準值為Y軸，采用分段曲線的形式進行繪制，相應(yīng)的校準公式格式如下：

式中：y為扭矩標準值；x為扭矩原始值；kn為第n段曲線的斜率；bn為第n段曲線的截距；x1～x10為校準表格中扭矩原始值一行的數(shù)據(jù)，作為校準公式分段區(qū)間的邊界值。

在后期的數(shù)據(jù)處理過程中，軟件會把校準公式和校準數(shù)據(jù)以xml配置文件的形式寫入PC硬盤中做為備份。之后軟件每次運行時，會自動讀取xml文件中的參數(shù)，調(diào)用校準公式對MANNER傳感器的測量值進行修正，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記憶化存儲，避免了重復(fù)操作帶來的麻煩。

2．2C#與TwinCAT的通信

C#與TwinCAT軟PLC的通訊主要是TwinCAT．Ads動態(tài)鏈接庫的調(diào)用和數(shù)據(jù)流(datastream)技術(shù)的應(yīng)用。

ADS是Automation Device Specification的縮寫，即自動化設(shè)備規(guī)范，是TwinCAT系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，主要用于管理數(shù)據(jù)交換。該協(xié)議建立在TCP/IP協(xié)議之上，可以實現(xiàn)TwinCAT內(nèi)部與接入系統(tǒng)的設(shè)備實現(xiàn)通訊，在TwinCAT外部與其他應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)交換[3]。

TwinCAT為．NET平臺提供的信息路由是以動態(tài)鏈接庫的形式給出的，即“TwinCAT．Ads．dll”。C#與TwinCAT通信的具體步驟為：

(1)在C#工程中引用“TwinCAT．Ads．dll”：工程->引用->添加引用->瀏覽->路徑為“安裝盤：TwinCATADS Api．NETv2．0．50727”；

(2)在C#程序命名空間處，引用“TwinCAT．Ads”和“System．IO”：

using TwinCAT．Ads；//用于ADS通信

using System．IO；//用于數(shù)據(jù)流讀寫操作

(3)定義使用的句柄及通訊端口號：

int hvar_O = new int()；//定義“寫”句柄變量

TcAdsClient tcclient = new TcAdsClient()；//定義通信協(xié)議

tcclient．Connect(801)；//定義通訊端口號

(4)C#讀寫TwinCAT變量分為兩種形式：按變量地址或按變量名稱，這里采用后者。在C#和TwinCAT中分別定義結(jié)構(gòu)相同的Struct結(jié)構(gòu)體，用于通訊：

假設(shè)有多個扭矩傳感器需要校準。其中，變量ID用來指定當前正在進行校準操作的傳感器；變量Cmd用來傳遞扭矩加載的設(shè)定值；變量Trigger用來做為觸發(fā)變量，TwinCAT通過循環(huán)掃描Trigger來判斷是否有C#指令下發(fā)。

(5)C#向TwinCAT進行寫操作是在“加載”按鈕的點擊事件中完成：

TwinCATC#TYPEOutput：STRUCT　　ID：BYTE；　　Cmd：INT；　　Trigger：BOOL；END＿STRUCTEND＿TYPEstructoutput{　　byteID；　　shortCmd；　　boolTrigger；}　

{

//獲取TwinCAT中Output結(jié)構(gòu)體變量的句柄

hvar_O = tcclient．CreateVariableHandle(“．Output”)；

//定義指定大小數(shù)據(jù)流，4byte = 1byte(ID)+2byte(Cmd) + 1byte(Trigger)

AdsStream datastream_out = new AdsStream(4)；

//以二進制形式將C#output中的值寫入數(shù)據(jù)流

BinaryWriter bw = new BinaryWriter(datastream)；

//設(shè)置數(shù)據(jù)流的當前位置

datastream．Position = 0；

//賦值

bw．Write( output．ID )；

bw．Write( output．Cmd )；

bw．Write( output．Trigger )；

//通過句柄將數(shù)據(jù)流寫入TwinCAT的Output中

tcclient．Write( hvar_O，datastream )；

//釋放句柄

tcclient．DeleteVariableHandle( hvar_O )；

}

(6)C#對TwinCAT進行讀操作是在定時器響應(yīng)事件中執(zhí)行，用于不斷刷新顯示采集回的傳感器測量值。讀操作原理與寫操作相同，只要將上述的bw．Write()函數(shù)改為bw．Read()函數(shù)即可，這里不再贅述。

2．3TwinCAT與S120的通信

SINAMICS S120典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4S120典型配置圖

主控模塊CU320是整個驅(qū)動系統(tǒng)的大腦，負責控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，完成電機的控制[4]；電源模塊即整流單元，它是將三相交流電整流成直流電；電機模塊即逆變單元，它是將電源模塊整流的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，用于?qū)動電機。

CU320帶有PROFIBUS-DP接口，可通過PROFIBUS總線和CIF50-PB DP總線卡與TwinCAT進行通訊，具體配置過程如下：

2.3.1S120的配置

(1)操作CU320前面板，設(shè)定PROFIBUS-DP地址。

(2)打開Starter軟件對S120進行自動組態(tài)。由于要對加載電機進行扭矩控制，因此配置過程中，需要將電機類型設(shè)置為“Vector”(矢量)，將控制類型設(shè)置為扭矩控制“Torque Control(with encoder)”，如圖5所示。

圖5　Starter組態(tài)S120界面

(3)對S120報文進行設(shè)置。打開Communication->Change->設(shè)置Vector為標準報文1->設(shè)置其他模塊為自由報文[999]，且長度為0，如圖6所示。

圖6　Starter配置S120報文類型界面

標準報文1(PZD2/2)原為簡單的轉(zhuǎn)速控制報文，接收方向的2個字分別為控制字STW和轉(zhuǎn)速給定字，發(fā)送方向的2個字分別為狀態(tài)字ZSW和轉(zhuǎn)速反饋字。經(jīng)過上述配置后，轉(zhuǎn)矩控制方式被激活，且接收方向第二個字由P1070-轉(zhuǎn)速給定變?yōu)镻1053-轉(zhuǎn)矩給定，如圖7所示。

圖7　Starter扭矩設(shè)定功能圖

2.3.2TwinCAT的配置

要成功與S120通訊，必須正確配置PROFIBUS-DP地址和報文格式，步驟如下：

(1)將CU320的GSD文件拷貝至“安裝盤TwinCATIoProfibus”目錄下。

(2)將設(shè)備添加至TwinCAT工程：打開TwinCAT System Manager->新建項目->右鍵單擊“I/O Devices”->選擇“Scan Devices”。系統(tǒng)會自動掃描到PC機上的DP總線卡和與總線卡連接的設(shè)備。如果S120自動掃描失敗，可采用手動添加的方式：右鍵單擊“CIF50 PB”->選擇“Append Boxes”->在Siemens AG 目錄下選擇“SINAMICS S120 V4．4”。

(3)添加PROFIBUS通信報文：右鍵單擊“Box(SINAMICS S120 V4．4)”->選擇“Append Module”->在報文目錄下選擇“Standard telegraph 1，PZD2/2”。這里需要注意，所添加報文的格式必須與S120中設(shè)置的格式保持一致。

(4)設(shè)置PROFIBUS-DP地址：左鍵單擊“Box(SINAMICS S120 V4．4)”->選擇“Profibus”標簽->修改“Station No．”的值，使之與CU320面板上的DP地址保持一致。

完成設(shè)置后的效果如圖8所示。

圖8　TwinCAT System Manager S120配置效果圖

在TwinCAT System Manager中加載一個PLC程序，把程序中的變量鏈接到標準報文中，這樣便建立了TwinCAT中的變量與S120的直接聯(lián)系。

2．4TwinCAT與傳感器的通信

TwinCAT與扭矩傳感器通過CAN總線進行通訊。HBM標準傳感器符合CANopen高層協(xié)議，MANNER被校傳感器為廠家自定義CAN協(xié)議。由于CANopen總線卡FC51xx的雙通道同時支持CANopen協(xié)議和普通CAN協(xié)議，因此可以實現(xiàn)兩種傳感器與TwinCAT的通訊。

2.4.1TwinCAT與HBM傳感器的通訊

TwinCAT與HBM CANopen設(shè)備的通訊設(shè)置如下：

(1)MP30的設(shè)置：操作HBM MP30工業(yè)放大器面板，設(shè)置CAN通訊的波特率、站地址。

(2)EDS文件的添加：將HMB MP30的EDS文件拷貝至“安裝盤TwinCATIoCANopen”目錄下。

(3)設(shè)備的掃描：如2．3節(jié)(2)部分b所述，通過自動掃描，將CANopen總線卡和MP30自動添加至TwinCAT System Manager中。

(4)CAN通信參數(shù)的設(shè)置：修改波特率和站地址，使之與MP30中的設(shè)置值保持一致。左鍵單擊“FC51xx”->選擇右側(cè)“FC51xx”標簽->修改“Baudrate”的值；左鍵單擊“Box110(MP30)”->選擇右側(cè)“CAN Node”標簽->修改“Node Id”的值。

(5)PDO參數(shù)的設(shè)置：通過CAN總線分析儀可監(jiān)聽TwinCAT與MP30通訊的CAN數(shù)據(jù)幀。通過查閱CANopen對象字典和MP30用戶手冊，分析幀數(shù)據(jù)可知，MP30規(guī)定了2個發(fā)送TxPDO和2個接收RxPDO。PDO的映射參數(shù)表明，TxPDO1幀長度為5個字節(jié)，前4個字節(jié)代表扭矩的測量值，最后1個字節(jié)代表測量狀態(tài)；PDO的通訊參數(shù)指定了TxPDO1的COB-ID、傳輸類型、禁止時間等參數(shù)。根據(jù)以上分析，左鍵單擊Box110(MP30)下的“TxPDO1”->選擇右側(cè)“PDO”標簽->修改“COB”(幀ID)和“Trans．Type”(PDO傳輸類型)的值，使之上述查看到的參數(shù)保持一致。如圖9所示。

圖9　TwinCAT System Manager MP30配置效果圖

同樣，將TxPDO1中的VarIn-0變量(扭矩測量值)與TwinCAT中的變量進行鏈接，便實現(xiàn)了標準傳感器測量數(shù)據(jù)的實時采集。

2.4.2TwinCAT與MANNER傳感器的通訊

TwinCAT與MANNER自定義CAN設(shè)備的通訊設(shè)置如下：

(1)AW-P接收單元的設(shè)置：通過MANNER傳感器配套軟件對CAN通訊的波特率、站地址、幀COB-ID進行設(shè)置。

(2)設(shè)備的添加：右鍵單擊“FC51xx”->選擇“Append Boxes”->在Miscellaneous 目錄下選擇“CANopen Node”。

(3)參數(shù)的設(shè)置：左鍵單擊“Box4(CANopen Node)”->選擇右側(cè)“CAN Node”標簽-> 勾選“General CAN-Node”選項，設(shè)置為普通CAN節(jié)點；根據(jù)MANNER公司自定義CAN協(xié)議，定義6個字節(jié)的CAN幀與傳感器進行通訊，并參照(1)部分設(shè)置COB-ID。其中，前2個字節(jié)代表扭矩值，中間2個字節(jié)代表轉(zhuǎn)速值；最后2個字節(jié)代表測量狀態(tài)。

同理，將TxPDO1中的前2個字節(jié)(扭矩測量值)與TwinCAT中的變量進行鏈接，便實現(xiàn)了被校傳感器測量數(shù)據(jù)的實時采集。

3　結(jié)束語

該扭矩傳感器校準系統(tǒng)已用于某型號直升機主減速器試驗臺工作現(xiàn)場，采用一個高精度扭矩傳感器校準試驗臺上多個普通扭矩傳感器，不但提高了試驗數(shù)據(jù)的采集精度，而且節(jié)約了成本。實踐證明，該系統(tǒng)界面友好、操作簡便，運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理智能化、記憶化，提高了工作效率。另外，系統(tǒng)中運用了多種現(xiàn)場總線技術(shù)和通訊技術(shù)，如第三方PLC與西門子S120的通訊、PLC與CANopen設(shè)備的通訊、高級語言和軟PLC的通訊等，對類似工程項目的校準工作和通訊技術(shù)有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]彭銘，鄭士富．基于TWINCAT平臺的液位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計．儀表技術(shù)，2008(1)：17-19．

[2]肯斯理-赫金斯．C#2005編程進階與參考手冊．施宏斌，譯．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

[3]鄭青春，王文格．超高速卷接機控制系統(tǒng)實驗研究平臺構(gòu)建及上位機通訊．儀表技術(shù)與傳感器，2012(12)：51-53．

[4]西門子(中國)有限公司．S120驅(qū)動器&伺服電機選型手冊．北京：西門子客戶服務(wù)部，2008．