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一、前言

船模試驗水池（船池）是從事船舶與海洋工程領域高新技術研究的主要手段。船池拖車是船模試驗水池必備的大型設備，它具有良好的控制性能，高精度的調速系統，并且具有高可靠性。

武漢理工大學船池拖車原控制系統是模擬量測控的，多為分離元件，使用時間長了，故障率增加，且影響拖車速度精度。為了適應該領域的快速發展，武漢理工大學船池進行了數字化改造。由于該系統速度精度要求高（速度誤差要求±1‰），為使系統具有先進性、高可靠性、易擴展性和操作簡便，系統采用上位工控機+WinCC組態軟件+S7 300 PLC+6SE70變頻器組成。

二、系統介紹

整個系統如圖1所示。驅動部分由4臺45kW SEW三合一電機和2臺3kW SEW三合一電機構成。在高速工況下( 0.8～8m/s)，拖車由4臺45kW電機驅動；在低速工況下(0.06～0.8m/s)，通過離合器切換，拖車由2臺3kW電機驅動。司機室內設有工控機一臺及操作臺，工控機通過 CP5611卡與PLC進行Profibus-DP通訊，實時交換數據，實現操作功能及顯示拖車速度。

圖1  系統結構總圖
 

圖2  電氣系統單線圖

三、控制系統構成    

1．系統結構

控制系統主要由S7 300 PLC、6SE70變頻器及上位工控機組成。進行高速試驗時，4臺6SE7031-2EF60-2變頻器分別控制四臺45kW電機，閉環矢量控制(P100.1=4)，且4臺變頻器通過SLB卡連成SIMOlink環網。其中，一臺變頻器為主變頻器，速度控制(P587.1=0)，通過 PROFIBUS現場總線進行控制，另外三臺變頻器為從變頻器，轉矩控制(P587.1=1)，通過SIMOlink網進行控制。當進行低速試驗時，2臺6SE7021-OEA61變頻器分別控制2臺3kW電機，閉環矢量j控制，且2臺變頻器通過SLB卡連成SIMOlink環網。其中，一臺變頻器為主變頻器，速度控制，j通過PROFIBUS現場總線進行控制，另外1臺變頻器為從變頻器，轉矩控制，通過SIMOlink網4進行控制。    

圖3控制系統結構圖
 

圖4  4臺6SE7031-2EF60-2變頻器控制圖
 

圖5  2臺6SE7021-OEA61變頻器控制圖

2．系統硬件配置

表  1   

四、控制系統完成的功能及難點實現

1．結合上位工控機的WinCC組態軟件，控制系統可實現的功能    

(1)多種車速的選擇功能    

通過PROFIBUS-DP修改主變頻器的速度給定，可實現拖車速度的多種切換，達到一次試驗完成多種速度段的測量。

(2)加減速時間的自動設定功能

通過PROFIBUS-DP修改主變頻器的加減速時間，實現不同速度時加減速時間不同，實現拖車啟動停止的平穩。

(3)故障類別判斷功能

通過WinCC的故障報表功能，完成故障的實時顯示及儲存。    

(4)拖車的操作功能

在操作臺及組態軟件中，均可實現對船池拖車的操作。    

(5)實時顯示拖車速度及拖車位置    

通過6ES7-338-4BCOO-OABO位置模塊讀取拖車自由輪上的多圈絕對值編碼器的圈數和位置數，利用STEP7中的OB35硬件時間中斷來計算拖車的實時速度。

(6)數據記錄功能

組態軟件WinCC與PLC通過PROFIBUS-DP交換數據，實時顯示及記錄各變頻器的電流、頻率等數據。

2．系統中的難點及實現方法

(1)拖車速度精度（高速）的實現

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，我們進行過多種方案的試驗。

方案一：四臺變頻器均采用速度控制，主從控制，即一臺變頻器為主變頻器，速度控制，另三臺變頻器為從變頻器，速度控制，跟隨主變頻器的轉速。這種方案下，由于四臺變頻器的實際頻率不可能達到完全一致，只要變頻器的實際頻率相差一點，便有某臺電機被拖著走，造成各電機電流不一致，甚至造成電機過流。

圖6 WINCC組態軟件主要界面

方案二：我們試驗了2主2從的方案，即拖車左側一臺主變頻器和一臺從變頻器，主變頻器采用速度控制，從變頻器采用轉矩控制，跟隨主變頻器的轉矩，拖車右側與左側一樣，右側2臺變頻器也采用主從控制。這種方案下，由于拖車兩側主變頻器速度仍可能不一致，也會造成各電機電流不一致，而且如果拖車一側速度快，一側速度慢，拖車便會“歪”著行駛，影響拖車速度精度。

方案三：我們試驗了1主3從的方案，即一臺變頻器為主變頻器，速度控制，另3臺變頻器為從變頻器，轉矩控制，跟隨主變頻器的轉矩。這種方案下，主變頻器控制拖車的速度精度，3臺從變頻器出力，保證拖車的驅動能力。由于3臺從變頻器跟隨主變頻器的轉矩，四臺變頻器電流一致，而且從變頻器的出力也有效地防止了拖車車輪打滑的現象出現（拖車加速度要小于物理臨界加速度O.lg，一般為0.08g左右）。試驗結果證明此方案的效果最好。

根據試驗結果，我們采用了方案三。方案三的變頻器主要參數設置如下

    主變頻器：

  P443.1=K3002   主變頻器的主給定為PROFIBUS  PZD2

  P554.1=B3100   主變頻器啟動為PROFIBUS PZD1的位O

  P571.1= B3111  主變頻器正轉為PROFIBUS PZD1的位1 1

  P571.1=B3112   主變頻器反轉為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的轉速

  P740.1=0           主變頻器為SIMOlink環網的主站

  P751.1=KO

  P751.2=K30        SLB傳輸數據源的通道0為主變頻器控制字

  P751.1=KO

  P751.2=K153      SLB傳輸數據源的通道1為主變頻器轉矩

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矩

P554.1=B7200  從變頻器起動為SLB傳送的主變頻器的起動信號

P571.1=B7211  從變頻器正轉為SLB傳送的主變頻器的正轉信號

P571.1=B7212  從變頻器反轉為SLB傳送的主變頻器的反轉信號

P587.1=1          從變頻器為轉矩控制

P740.1=1          從變頻器為SIMOlink環網的從站

P749.1=0.0       從變頻器的SLB接收數據通道0為主變頻器的通道0

P949.2=0.1       從變頻器的SLB接收數據通道1為主變頻器的通道1

P751.1=K22     SLB傳輸數據源的通道0的高字為從變頻器的電流

P751.2=KK20  SLB傳輸數據源的通道0的低字為從變頻器的轉速

(2)閉環反饋編碼器位置的選擇

最初我們將編碼器（1024脈沖/轉）裝在拖車車輪上，認為這樣可通過變頻器的速度環消除機械部分的傳動誤差，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由于電機到拖車車輪有減速機，機械傳動比為5.8:1，拖車車輪的1024脈沖，轉折算到電機端僅176脈沖／轉( 1024/5.8=176)，折算到電機端的編碼器脈沖數太小，精度不夠。后來我們更換高精度編碼器（4096脈沖，轉），但試驗效果仍不理想。最后，我們將編碼器裝在電機端，試驗證明此方案效果較好。

(3)變頻器速度環的調整

通過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，仔細分析速度曲線，調整變頻器速度環的參數（P235速度環的比例增益P240速度環的積分時間），這樣邊調整邊分析，即可達到較好的變頻器速度環調整效果。

這樣在拖車不同速度段分別試驗，可得到不同速度段時的變頻器最佳速度環的參數。

在WinCC組態軟件中，設置不同速度時，通過查表法得到變頻器的速度環參數，然后通過 PROFIBUS-DP修改變頻器的速度環參數即可。

圖7  DRIVEMONITOR軟件的TRACE功能波形示意圖

五、結束語

在調試過程中，我們感受到了6SE70變頻器的靈活性、開放性和強大的功能。借助于6SE70變頻器的優異的調速性能，武漢理工大學船池控制系統改造基本上達到了預計目標。