宣自洋,陳書宏,常 凱
XUAN Zi-yang1,2, CHEN Shu-hong1, CHANG Kai1
(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,沈陽 110016;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分,變速器以其傳動比固定,傳動力矩大,結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),使之成為汽車的關(guān)鍵性傳動部件之一,其操作性、傳動性和安全性的好壞直接影響到汽車整車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及駕駛舒適性等方面的性能。因此汽車變速器在總裝完成后必須進(jìn)行嚴(yán)格的、全面的性能檢測。以往變速器的性能檢測多采用無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)換擋或靜態(tài)換擋,由操作人員憑聽覺判斷是否出現(xiàn)異常噪聲等現(xiàn)象,并以此作為判斷變速器好壞的依據(jù),這不僅不能暴露某些產(chǎn)品的潛在問題,容易將不合格產(chǎn)品當(dāng)作合格產(chǎn)品,而且在故障判斷方面存在很大的主觀性和不確定性。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,變速器產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快,其性能檢測的要求也越來越高,變速器生產(chǎn)廠商對變速器的檢測手段和檢測設(shè)備提出了更高的要求。
變速器試驗(yàn)臺的種類很多,有開放式試驗(yàn)臺和封閉式試驗(yàn)臺、在線試驗(yàn)臺和離線試驗(yàn)臺、加載試驗(yàn)臺和空載試驗(yàn)臺等。本試驗(yàn)臺采用的是電封閉式在線加載試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺采用了公共直流母線電封閉式的總體結(jié)構(gòu),利用高性能的交流伺服調(diào)速技術(shù)以及高速的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)等,使得整個系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單緊湊,加載靈活,精度可靠,而且電能利用率高。該變速器試驗(yàn)臺的使用大大提高了變速器性能檢測的可靠性和自動化水平,從而保證了變速器產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。
公共直流母線技術(shù)是在交流多傳動系統(tǒng)中,采用單獨(dú)的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電壓,調(diào)速用逆變器直接掛在公共直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時,逆變器從直流母線上獲取電能;當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時,能量通過直流母線及回饋裝置直接回饋到電網(wǎng),以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量。通常情況下,整流單元或者整流回饋單元的容量比所供電的電機(jī)或逆變器的全線交流電機(jī)容量之和小。完整的公共直流母線供電系統(tǒng)包括:整流變壓器、進(jìn)線開關(guān)、進(jìn)線接觸器、電抗器、自偶變壓器、進(jìn)線快熔、整流回饋單元、逆變器、電機(jī)等。公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 公共直流母線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡圖
整流/回饋單元把交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電,即便在逆變器能量回饋到直流母線上時,直流電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)仍保持恒定。這種交-直整流電源有3類:不可控整流電源、晶閘管整流/回饋電源及IGBT整流/回饋電源,中低壓變頻領(lǐng)域中IGBT整流/回饋電源已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。IGBT整流/回饋電源由IGBT橋和交流進(jìn)線電抗構(gòu)成,采用PWM控制,具有雙向功率流、正弦波網(wǎng)側(cè)電流、功率因數(shù)超前/滯后可調(diào)(可為1)、電網(wǎng)異常降低時關(guān)斷全部開關(guān)器件等性能。逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源,以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的,逆變單元一般采用IGBT功率模塊。
圖2 變速器試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)原理圖
變速器試驗(yàn)臺采用公共直流母線電封閉的結(jié)構(gòu)形式,相比較傳統(tǒng)的開放式試驗(yàn)臺和的機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、加載靈活等特點(diǎn)。試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。
經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓、去噪等處理后的交流電經(jīng)整流/回饋單元轉(zhuǎn)換為直流電,輸送到內(nèi)部公共直流母線上,驅(qū)動電機(jī)和兩個加載電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動器連接到直流母線上,驅(qū)動電機(jī)和加載電機(jī)通過減速箱、扭矩傳感器、離合器等連接到變速器上,從而形成能量流的閉環(huán)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到主控制器中。試驗(yàn)臺對變速器進(jìn)行正拖加載(即模擬車輛行駛中發(fā)動機(jī)驅(qū)動情況下變速器的工況)測試時,驅(qū)動電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)作為動力源驅(qū)動變速器,兩個加載電機(jī)分別在變速器的兩個輸出端加載一定的負(fù)載扭矩,此時驅(qū)動電機(jī)作為電動機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動器從直流母線上吸收電能,加載電機(jī)作為發(fā)電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動器向直流母線上回饋電能,回饋的電能可以被系統(tǒng)內(nèi)部利用,電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成了閉環(huán),系統(tǒng)只需從外部補(bǔ)充少量電能以補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)部損耗的電能。變速器的反拖加載(即模擬車輛行駛中發(fā)動機(jī)制動情況下變速器的工況)測試的情況與正拖加載類似,此時兩個加載電機(jī)作為動力源驅(qū)動變速器,驅(qū)動電機(jī)在變速器輸入端加載一定的負(fù)載扭矩,加載電機(jī)作為電動機(jī)從母線上吸收電能,驅(qū)動電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向母線上回饋電能,電能在系統(tǒng)內(nèi)部形成閉環(huán)。當(dāng)所有電機(jī)制動停機(jī)時,電機(jī)回饋到直流母線上的電能通過整流/回饋單元回饋到電網(wǎng)中,且對電網(wǎng)幾乎沒有的影響。因此,直流母線電封閉式的變速器試驗(yàn)臺具有很高的電能利用率,符合節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)的理念。
變速器試驗(yàn)臺為在線檢測試驗(yàn)臺,可對同系列的多種不同型號變速器進(jìn)行產(chǎn)品下線前的性能檢測,變速器的上線、型號識別、裝夾、加載試驗(yàn)、信息記錄、卸夾、下線等過程動作都是全自動完成。變速器的總裝完成后由裝配線搬運(yùn)到試驗(yàn)環(huán)線上,變速器型號等相關(guān)信息會記錄在變速器所在托盤的RFID中,實(shí)驗(yàn)前通過讀取RFID中的信息可以確定變速器的型號,進(jìn)而確定接下來的性能檢測試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù),如:試驗(yàn)加載扭矩、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、理論速比等。變速器隨著線體運(yùn)送到試驗(yàn)臺上后,試驗(yàn)臺對其進(jìn)行自動裝夾,并完成變速器輸入輸出軸與試驗(yàn)臺的驅(qū)動軸和加載軸自動對接,完成后,向變速器內(nèi)注入潤滑油后準(zhǔn)備進(jìn)行性能檢測試驗(yàn),根據(jù)變速器型號確定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)的各項(xiàng)試驗(yàn),如:速比檢測試驗(yàn)、開關(guān)檢測試驗(yàn)、噪聲檢測實(shí)驗(yàn)、換擋性能檢測試驗(yàn)等,試驗(yàn)的結(jié)果自動記錄,試驗(yàn)完成后,排除變速器中的潤滑油,試驗(yàn)臺對變速器自動脫開連接,并自動卸夾,變速器離開試驗(yàn)臺之前,試驗(yàn)臺通過RFID將試驗(yàn)結(jié)果記錄在RFID中,為后續(xù)的處理提供信息依據(jù),記錄結(jié)果后,變速器隨托盤離開試驗(yàn)臺進(jìn)入試驗(yàn)環(huán)線,變速器性能檢測試驗(yàn)基本流程如圖3所示。
圖3 變速器性能檢測試驗(yàn)基本流程
變速器試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、上位機(jī)、HMI觸摸屏、分布式I/O、交流多傳動伺服驅(qū)動單元和RFID等,控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 變速器試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)主控制器采用西門子SIMATIC S7-1500系列CPU 1513-1 PN型PLC,SIMATIC S7-1500是對SIMATIC S7-300和S7-400進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)的自動化系統(tǒng),通過集成大量的新性能特性,S7-1500自動化系統(tǒng)具有卓越的用戶可操作性和極高的性能。CPU 1513-1 PN中央處理單元帶有小型顯示器,具有一個帶有兩個端口的PROFINET接口,支持PROFINET IO和等時同步實(shí)時IRT,可以在接口上組態(tài)PROFINET IO通信或?qū)崟r設(shè)置,變速器試驗(yàn)臺系統(tǒng)中的分布式I/O和伺服驅(qū)動系統(tǒng)都是通過PROFINET IO與CPU 1513-1 PN進(jìn)行通信。SIMATIC S7-1500采用模塊化的設(shè)計(jì),所需的功能可以通過擴(kuò)展功能模塊獲取,CPU 1513-1 PN可以擴(kuò)展32個模塊,根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)字量I/O的需要,分別擴(kuò)展了DI 32*24VDC和DO 32*24VDC的數(shù)字量輸入/輸出模塊。
分布式I/O系統(tǒng)可以采集和控制變速器試驗(yàn)臺系統(tǒng)中遠(yuǎn)離控制柜的控制信息,方便現(xiàn)場布線,減少長距離布線造成的信號干擾。試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)中采用西門子SIMATIC ET 200pro 分布式I/O系統(tǒng),ET 200pro是具有IP66防護(hù)等級的模塊化分布式I/O系統(tǒng),適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用,通過擴(kuò)展模塊可以靈活的增加系統(tǒng)的功能,最多可擴(kuò)展16個模塊,ET 200pro通過PROFINET IO與CPU 1513-1 PN通信,通信傳輸速率為100Mbps。試驗(yàn)臺系統(tǒng)中的液壓控制信號、氣動控制信號、扭矩傳感器模擬量信號等都需要連接到ET 200pro中,根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn),擴(kuò)展的模塊有:1個IM 154-4 PROFINET IO接口模塊,2個DI 16*24VDC數(shù)字量輸入模塊,3個DO 8*24VDC數(shù)字量輸出模塊和1個4 AI I模擬量輸入模塊。
傳動控制系統(tǒng)采用的是西門子SINAMICS S120 DC-AC多軸驅(qū)動系統(tǒng),中心控制單元為CU320模塊,帶擴(kuò)展性能卡的CU320可以驅(qū)動6個伺服軸或4個適量軸,8個V/F軸。整流/回饋單元采用ALM電源模塊,整流和回饋均為IGBT,母線電壓可控,電網(wǎng)電壓在允許范圍內(nèi)的波動不會影響到電機(jī)側(cè),在電網(wǎng)和ALM電源模塊之間必須安裝與其功率對應(yīng)的AIM模塊,AIM模塊包含一個電抗器、電源凈化濾波器和基本的干擾抑制器。兩個加載電機(jī)共用一個雙軸電機(jī)模塊,驅(qū)動電機(jī)單獨(dú)使用一個單軸電機(jī)模塊,電機(jī)選用1PH7交流異步伺服系列電機(jī)。CU320控制單元與ALM電源模塊、電機(jī)模塊之間使用DRIVE-CLIQ連接,電機(jī)編碼器使用DRIVE-CLIQ連接到電機(jī)模塊,CU320控制單元通過PROFINET接口連接到CPU 1513-1 PN的PROFINET網(wǎng)絡(luò)。
上位機(jī)采用研華工控機(jī),與CPU 1513-1 PN通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信,上位機(jī)上運(yùn)行WinCC過程監(jiān)控系統(tǒng),用于監(jiān)控變速器試驗(yàn)臺系統(tǒng)狀態(tài),設(shè)置相關(guān)試驗(yàn)參數(shù),記錄并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。HMI觸摸屏采用西門子SIMATIC MULTIPANEL系列觸摸屏,CPU 1513-1 PN通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)將變速器試驗(yàn)臺系統(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到觸摸屏中,通過觸摸屏可以直觀的查看試驗(yàn)臺的相關(guān)工作狀態(tài),并可以在觸摸屏中設(shè)置相關(guān)的試驗(yàn)臺的操作命令按鈕,操作人員通過操作觸摸屏就可以將操作命令傳送到CPU 1513-1 PN中,從而控制試驗(yàn)臺的動作。HMI為用戶和系統(tǒng)提供了良好的交互,使操作人員能直觀的操作和監(jiān)測內(nèi)部系統(tǒng)。
RFID射頻識別技術(shù)在工廠自動化系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,用于追蹤產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和生產(chǎn)過程,試驗(yàn)臺系統(tǒng)中利用RFID識別變速器型號,記錄試驗(yàn)結(jié)果。RFID采用倍加福產(chǎn)品,通過CC-Link接口可以連接到各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,試驗(yàn)臺系統(tǒng)中將RFID連接到控制系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)上,與主控制系統(tǒng)CPU 1513-1 PN進(jìn)行通信。
變速器試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括四大部分:PLC程序設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、上位機(jī)WinCC程序設(shè)計(jì)和HMI程序設(shè)計(jì)。
4.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)
PLC程序按控制方式又可分為兩類:手動控制程序和自動控制程序。手動控制程序主要用于安裝調(diào)試以及后期的維護(hù)工作,其操作指令主要來自HMI觸摸屏上的按鈕和操作按鈕,試驗(yàn)臺的各種動作在有安全互鎖保護(hù)的情況下可以單步獨(dú)立執(zhí)行。自動控制程序可以控制試驗(yàn)臺自動完成變速器試驗(yàn)的各項(xiàng)任務(wù),程序根據(jù)外部采集的各種信息,按一定的順序執(zhí)行任務(wù),并在系統(tǒng)發(fā)生一定的異常情況時,發(fā)出報(bào)警信號和執(zhí)行相應(yīng)的安全保護(hù)措施,試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀態(tài)信息會實(shí)時的上傳到上位機(jī)和HMI觸摸屏上顯示并記錄相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù),變速器試驗(yàn)臺自動控制程序流程圖如圖5所示。
圖5 變速器試驗(yàn)臺自動控制程序流程圖
4.2.2 SINAMICS S120控制系統(tǒng)設(shè)置
SINAMICS S120驅(qū)動控制系統(tǒng)必須根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際配置在驅(qū)動控制系統(tǒng)中進(jìn)行硬件組態(tài)和驅(qū)動參數(shù)的設(shè)置,可以使用西門子Starter調(diào)試軟件完成。安裝Starter調(diào)試軟件的電腦使用網(wǎng)線連接到CU320的PROFINET端口上,設(shè)置好電腦的PG/PC接口,調(diào)試電腦就可以與CU320通信了,試驗(yàn)臺的伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用的都是西門子的產(chǎn)品,且各驅(qū)動部件都是使用DRIVE-CLIQ實(shí)現(xiàn)通信連接,因此可以使用自動讀取驅(qū)動裝置的方式完成硬件組態(tài),硬件組態(tài)完成后還需要對各驅(qū)動軸優(yōu)化配置,具體方法和過程可參閱SINAMICS S120調(diào)試手冊。
4.2.3 上位機(jī)WinCC程序設(shè)計(jì)
SIMATIC WinCC是一套過程監(jiān)控系統(tǒng),具有良好的開放性和靈活性,用來處理生產(chǎn)和過程自動化,它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、信息歸檔以及報(bào)表的功能模塊。上位機(jī)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了用戶管理、變速器型號管理、工藝參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集與顯示、試驗(yàn)臺狀態(tài)信息管理、測試數(shù)據(jù)管理等功能。試驗(yàn)臺WinCC監(jiān)控系統(tǒng)程序功能結(jié)構(gòu)如圖6所示,試驗(yàn)臺WinCC程序畫面如圖7所示。
圖6 變速器試驗(yàn)臺WinCC監(jiān)控程序功能結(jié)構(gòu)圖
圖7 變速器試驗(yàn)臺WinCC程序畫面
4.2.4 HMI程序設(shè)計(jì)
HMI程序由多個畫面組成,可分為主畫面、設(shè)備狀態(tài)、驅(qū)動控制、手動模式、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警記錄畫面,HMI程序畫面如圖8所示。
圖8 變速器試驗(yàn)臺HMI程序畫面
公共直流母線電封閉式變速器試驗(yàn)臺相比其他形式的試驗(yàn)臺具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)加載靈活、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn),試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)采用以西門子S7-1500型PLC作為主控制器,以西門子ET 200pro作為分布式I/O控制器,以西門子SINAMICS S120系列伺服控制器作為電機(jī)控制器,構(gòu)建基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。
目前該變速器試驗(yàn)臺已在生產(chǎn)現(xiàn)場安全運(yùn)行一年多,成功檢測變速器數(shù)十萬臺,提高了變速器裝配生產(chǎn)線的自動化程度和生產(chǎn)效率,保證了變速器的出廠質(zhì)量,提升了產(chǎn)品的市場競爭力,為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
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