基于PROFIBUS-DP的輪胎里程試驗機控制系統(tǒng)的設(shè)計

王志剛，夏漢鑄

(中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東中山528436)

輪胎里程試驗機是為滿足輪胎和汽車工業(yè)及其相關(guān)質(zhì)量監(jiān)督檢驗機構(gòu)，對輪胎進行高速、耐久性能檢測而設(shè)計制造的，為輪胎生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)輪胎的質(zhì)量提供科學依據(jù)。

目前，國內(nèi)針對非工程胎的檢測設(shè)備較多，但是檢測設(shè)備技術(shù)水平還有待提高。現(xiàn)在國內(nèi)的里程試驗機大部分來自歐、美、日等發(fā)達國家，但是價格昂貴，其控制系統(tǒng)也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。基于輪胎里程試驗機的美好前景，作者針對自主研發(fā)的里程試驗機對其控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

按照試驗方法不同，輪胎里程試驗機可分為高速性能試驗機和耐久性能試驗機;按照輪胎種類不同，可分為轎車、輕型卡車、載重貨車輪胎等試驗機;按照工位的數(shù)量，又可分為2 工位和4 工位試驗機。

輪胎里程試驗機主要以轉(zhuǎn)鼓作為活動的模擬路面，采用液壓伺服加載系統(tǒng)規(guī)定的負荷將試驗輪胎壓在轉(zhuǎn)鼓上，在規(guī)定的試驗條件和試驗環(huán)境下，由轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動輪胎按規(guī)定的速度旋轉(zhuǎn)，以測試輪胎的累計行駛時間和里程以及負荷、速度、半徑等各項參數(shù)，來驗證輪胎的各項性能指標是否達到相關(guān)標準。對輪胎生產(chǎn)廠家來說，該試驗數(shù)據(jù)對其工藝配方改進和產(chǎn)品質(zhì)量控制有很大的指導作用［1－2］。

轉(zhuǎn)鼓電機由調(diào)速裝置提供驅(qū)動電源和信號。在電機軸端連接旋轉(zhuǎn)編碼器，將電機速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，反饋給電機調(diào)速裝置，以控制電機的轉(zhuǎn)速。同時，在轉(zhuǎn)鼓一側(cè)安裝有高頻率接近開關(guān)，用于測量轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，通過電機編碼器與轉(zhuǎn)鼓接近開關(guān)的轉(zhuǎn)速對比，判斷皮帶是否打滑，以期實現(xiàn)速度的穩(wěn)定精確控制［3］。

每個工位的測力傳感器將試驗負荷轉(zhuǎn)換成電信號送入控制柜中的伺服放大器，經(jīng)放大和比較后，通過伺服閥控制油缸內(nèi)液壓油的壓力，對試驗輪胎的負荷實現(xiàn)閉環(huán)控制。

文中以四工位控制系統(tǒng)為例進行研究，該系統(tǒng)約有70 個數(shù)字量控制點和40 個模擬量控制點，屬中小型控制系統(tǒng)。但是，由于輪胎里程試驗機的數(shù)字量信號間連鎖復(fù)雜，模擬量又參與設(shè)備的調(diào)節(jié)，加之設(shè)備通常距主控室較遠，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，將可能導致輪胎生產(chǎn)質(zhì)量問題無法及時查出，為輪胎行駛過程中的安全性埋下隱患，嚴重時可能會危及人員生命和財產(chǎn)安全，因此對設(shè)備的穩(wěn)定性能和精確性要求極高。

1 傳統(tǒng)集中控制方式

輪胎里程試驗機傳統(tǒng)的控制方式是將試驗機設(shè)備上所有的控制點通過信號電纜連接到位于主控室的PLC 模塊上進行集中控制，其控制架構(gòu)圖見圖1。

傳統(tǒng)的控制方式具有以下幾種缺點［4－6］:

(1)信號互聯(lián)電纜數(shù)量多，接線復(fù)雜，容易出錯;

(2)施工量大，現(xiàn)場調(diào)試周期長;

圖1 傳統(tǒng)集中控制構(gòu)架

(3)由于現(xiàn)場多采用大功率電機，若接地方法不合理，模擬量信號傳輸過程中容易受到電磁干擾，出現(xiàn)信號波動或異常，從而導致設(shè)備誤動作，引起輪胎試驗數(shù)據(jù)失真，干擾輪胎工藝和生產(chǎn)人員的正常判斷;

(4)當設(shè)備現(xiàn)場離主控室較遠時，其可維護性急劇下降。

基于上述原因，作者采用現(xiàn)場總線控制方式即可以克服傳統(tǒng)控制方式所具有的缺點，只需要在原控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上每個工位的電氣箱內(nèi)安裝現(xiàn)場總線控制節(jié)點即可。

2 現(xiàn)場總線控制方式

2.1 現(xiàn)場總線簡單介紹

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。并且，現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用數(shù)據(jù)總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

常見的現(xiàn)場總線有PROFIBUS、CC－LINK、DEVICENET 等。

作者采用的PROFIBUS 的最大優(yōu)點在于以穩(wěn)定的國際標準EN50170 作保證，并經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，具有普遍性。PROFIBUS 由3 個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA 和PROFIBUS-FMS。

PROFIBUS-DP 是一種高速、低成本，專門用于設(shè)備及控制系統(tǒng)與分散式I/O 的高速數(shù)據(jù)通信的總成。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP 還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷以及報警處理。PROFIBUS-DP 采用RS-485 雙絞線、雙線電纜或光纜傳輸，傳輸速率可以從9.6 kb/s 到12 Mb/s。

與傳統(tǒng)的PLC 點對點的硬接線控制方式相比，PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)具有較高的性價比。大幅度減少導線及連接附件，使原來的上百根控制電纜減少到一根總線電纜;更容易、更快捷和低成本的安裝，節(jié)省工程費用。

(2)采用數(shù)字信號通訊，有效提高系統(tǒng)的測量和控制精度。各種開關(guān)量、模擬量信號就近轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，避免了信號的衰減和變形。

(3)系統(tǒng)性能大幅提高。可靠的數(shù)據(jù)傳輸、快速的數(shù)據(jù)響應(yīng)(快速傳輸1 KB 的輸入數(shù)據(jù)和1 KB 的輸出數(shù)據(jù)所需時間小于2 ms)以及強大的抗干擾能力。

(4)系統(tǒng)具有強大的故障診斷功能。診斷包括總線節(jié)點的通訊故障、電源故障以及現(xiàn)場裝置和連接件的斷路、短路故障，從而迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的各種故障位置和狀態(tài)，縮短維護時間和成本。

2.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

輪胎里程試驗機以CPU315-2PN/DP 為主站構(gòu)架其PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，其PN 接口用于連接工業(yè)控制計算機，通過TCP/IP 實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定，更有利于接入企業(yè)ERP 系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)資源的統(tǒng)一調(diào)度管理。

現(xiàn)場按照工位分為4 個從站，皆采用IM151-1 Standard 接口模塊，用其連接的SM 信號模塊處理來自各個工位操作面板和傳感器的輸入信號，以及輸出到閥門等執(zhí)行機構(gòu)的信號。

直流驅(qū)動器位于主控室內(nèi)，選擇CBP2 選件板可作為DP 從站。其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

從圖2 可以看出:該方案可以甩掉繁多復(fù)雜的信號電纜，只需一根PROFIBUS 總線電纜即可完成現(xiàn)場信號的采集及控制，且結(jié)構(gòu)簡單明了，便于維護和現(xiàn)場施工。

2.3 PROFIBUS-DP 對6RA70 直流驅(qū)動器的控制

(1)在硬件組態(tài)中添加MASTERDRIVER/DC MASTER CBP2 DPV1 從站，站地址分別為7 和8，即通過CBP2 通訊板將6RA70 直流驅(qū)動裝置連接到里程試驗機的PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)中。

(2)添加通訊報文

通訊報文如圖3所示，為5 種PPO 型，其中，STW 為控制字、ZSW 為狀態(tài)字、HSW 為主給定值、HIW 為主反饋值。作者選擇最簡單的PPO3:0PKW/2PZD。

圖3 通訊報文

通過PPO3 報文就可以實現(xiàn)簡單的電機啟停/正反轉(zhuǎn)等控制功能，修改電機運行速度，并能讀取電機運行狀態(tài)和實際速度。PP03 報文如圖4所示。

圖4 PP03 報文

組態(tài)完成的硬件配置如圖5所示。

圖5 組態(tài)完成后硬件配置圖

(3)設(shè)置直流驅(qū)動參數(shù)(基本參數(shù)省略)

P918 =4(注意:從站地址必須與硬件組態(tài)時保持一致，這里是7 或者8)

U722 =10MS(報文監(jiān)控時間)

P648 =3 001(控制字PZD1)

P644，001 =3 002(主給定PZD2)

U734，001 =32(狀態(tài)字，PZD1 反饋值)

U734，002 =167(實際值帶符號，PZD2 反饋值)

(4)通過控制字W#16#8C7F 和W#16#8C7E 來控制電機啟停

其命令形式可以發(fā)生變化，比如按位控制。但是，停止的初始狀態(tài)一定要設(shè)置，否則會出現(xiàn)一些總線錯誤。

(5)功能擴展

如需讀寫更多驅(qū)動器參數(shù)，如電流電壓等，則可以選擇其他的PPO 型，但是要實現(xiàn)一致性讀寫，需要使用SFC14(“DPRD_ DAT”)讀PROFIBUS 從站(6RA70)的數(shù)據(jù)、SFC15(“DPWR_ DAT”)將數(shù)據(jù)寫入PROFIBUS 從站(6RA70)。

2.4 PROFIBUS-DP 通訊診斷

可通過總線故障LED 燈的狀態(tài)初步判斷網(wǎng)絡(luò)的故障情況。

如DP 主站BF 燈亮起，可能的故障原因有［7－8］:

(1)硬件故障;

(2)DP 接口故障;

(3)在多主站模式下存在不同的波特率;

(4)DP 總線發(fā)生短路等。

如DP 從站SF =閃爍+BF =閃爍+ON =亮，則表明DP 主站和接口模塊之間沒有數(shù)據(jù)通信，常見原因有:PROFIBUS 地址錯誤、組態(tài)錯誤或者參數(shù)錯誤等。

利用STEP7 專門為系統(tǒng)開發(fā)一套應(yīng)用于輪胎里程試驗機的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)分散采集、集中管理的人機對話方式，數(shù)據(jù)采集和信號測量準確可靠、操作方便簡單［1－2］。利用清楚且已經(jīng)組織好的操作屏幕完成各種操作功能。同時，還可以通過STEP7 軟件讀取診斷緩沖區(qū)(Diagnose Buffer)內(nèi)容或者打開硬件診斷工具(Hardware Diagnostics)查看診斷信息。診斷信息的查看見圖6。

圖6 診斷信息的查看

但是，對于最終用戶而言，以上兩種故障診斷方式要求維護人員熟悉PROFIBUS 和STEP7 軟件的應(yīng)用，操作難度較大。德國西門子公司提供了通過調(diào)用組織塊、系統(tǒng)功能以及標準塊進行系統(tǒng)診斷的功能，這種方式可以有效地與HMI 設(shè)備結(jié)合，提高了故障信息的可讀性。

常用的診斷功能塊有FC3、SFC13、FB125、FC125，作者只對FB125 做簡單介紹。

FB125 是最佳解決方案，提供下至通道的診斷功能。在FB125 內(nèi)部使用了SFC13 和SFC51，在從站故障時調(diào)用FB125。在CPU 啟動和復(fù)位期間，整個DP系統(tǒng)在FB125 中作為初始化例程被檢測。診斷過程是中斷驅(qū)動，如果一個診斷事件或者站故障發(fā)生，在相應(yīng)的故障組織塊中執(zhí)行故障評估。因此，在塊調(diào)用時不必輸入調(diào)用條件。

通過FB125 可以獲得一個詳細的診斷結(jié)果，從故障站點、故障模塊、故障通道，逐步明確故障的發(fā)生地點。根據(jù)故障信息，有助于找出故障原因，從而排除故障。同時數(shù)據(jù)存儲區(qū)可以作為接口被其他程序讀取和調(diào)用，從而提高了故障診斷的可操作性。

3 總結(jié)

實踐證明，該控制方式具有自動化程度高、測試數(shù)據(jù)精確、實驗數(shù)據(jù)修改方便、經(jīng)濟、可靠并且實用的特點。加上PROFIBUS-DP 具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸、快速的數(shù)據(jù)響應(yīng)、強大的抗干擾能力、完善的故障診斷功能以及豐富的可選模塊，將被輪胎里程試驗機制造廠家所采用。

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