基于TIA博途平臺群控伺服比例閥的Profinet通信研究

秦永晉，付力揚，左娟，高佳麒

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽 471039；3.河南省高端軸承產業研究院，河南洛陽 471039；4.河南省軸承技術創新中心，河南洛陽 471039)

0 前言

風電增速箱是風力發電機組的關鍵部件，位于葉輪和發電機之間，將葉輪受風力作用產生的扭矩傳遞給發電機，葉輪端較低的輸入轉速通過多級軸承傳動增速轉變為可以滿足發電機發電所需的轉速。而由于風速的不可控制性，風電增速箱軸承是一種承受隨機載荷的重載軸承。

軸承試驗中最重要的一項要求就是對軸承施加準確并且持續穩定的軸向力和徑向力，用來模擬實際工況中軸承所承受的載荷。結合風機的現實工況，不僅需要對增速箱軸承施加壓力，有時也需要施加拉力，同時還需要頻繁變載。因此，對液壓加載系統中伺服比例閥的精度和反應時間都有較高的要求。為了保證控制信號的穩定性和數據采集的準確性，還需要具備一定的抗干擾能力。

綜合以上因素，本文作者使用德國西門子公司S7-1200系列PLC群控意大利阿托斯公司伺服比例閥，通過TIA博途自動化軟件編寫PLC程序，使用Profinet現場總線協議對軸承載荷進行精準控制。

1 總體設計方案

如圖1所示，同時控制2臺加載油缸對一套內圈固定在主軸上的風電增速箱軸承的軸向和徑向端面進行加載試驗，加載油缸最大需要加載1 500 kN的力。

圖1 試驗的加載結構

由液壓站提供連續不斷的壓力油，最大工作載荷31.5 MPa，最小工作載荷0.2 MPa，加載壓力自動調節，響應時間需在2 s以內。采用變量泵配合11 kW供油泵電機提供油壓，每天連續工作時間需不少于20 h。考慮到需要提供連續可調流量并且要進行閉環控制，最終選擇了意大利阿托斯公司型號DLHZO-TES-SL-EP-040-L73/IZ/C的伺服比例閥，該閥具有06通徑(閥體內部油路通道為6 mm)，最大流量可達70 L/min，最大壓力35 MPa，硬件參數滿足試驗需求。安裝在加載桿上的拉壓力傳感器可以反饋實時數據到伺服比例閥，伺服比例閥通過內部電子放大器對閥開口大小進行PID動態調節，最終達到精確控制加載目的。

現場放置了多臺200 kW以上的大功率設備，電磁干擾嚴重，同時液壓站自身也會發生振動，傳統的現場總線在抗干擾性和物理穩定性上都無法滿足需求。因此作者選擇Profinet工業總線作為通信方式，使用以太網屏蔽電纜配合圓形連接器結構的M12接口，通過插針接觸并用螺絲鎖緊來避免連接松動。

考慮到設備使用Profinet總線通信方式，PLC最終選擇了具有2個Profinet端口的西門子CPU 1215C作為控制器，配合交換機的使用與工控機、伺服比例閥共同組成局域網網絡，便于博途軟件對PLC的編程設計和工控機人機界面對伺服比例閥的通信控制[1-3]。

2 伺服比例閥硬件連接和參數設置

2.1 伺服比例閥硬件連接

圖2所示為伺服比例閥的主要結構，由連接油路的閥身、控制閥開口的閥芯、按照輸入電流改變閥芯位置的比例電磁鐵、負責供電的主插頭、負責通信和控制的總線插頭、負責PID調節的集成式電子放大器、與計算機進行連接的USB插頭組成。

圖2 伺服比例閥主要結構

圖3所示為通信硬件連接的概念圖，通過一臺交換機為中繼聯接PLC、工控機人機界面和伺服比例閥，三者共同組成了一套局域網系統。

圖3 硬件連接示意

2.2 伺服比例閥參數設置

由于伺服比例閥的工作原理決定它只是通過電流控制電磁比例動作器和彈簧力調節閥口張開的大小和位置，并不是直接控制油液的流量和壓力，因此新出廠的伺服比例閥還需要根據現場實際情況進行調試。

伺服比例閥功能參數和配置通過Atos公司出品的E-SW軟件程序進行設置和優化。首先，便攜式計算機結合USB通信線纜連接伺服比例閥的電子放大器并打開E-SW軟件；其次，參考現場工作條件按如表1所示的參數進行基本設置；再次，在軟件中通過調整圖4所示伺服比例閥數學模型中的各項設置來優化其自身PID調節控制性能；最終，使閥滿足試驗要求。

表1 E-SW 軟件的設置

圖4 伺服比例閥的數學模型

3 PLC與伺服比例閥的組態和通信

PLC與伺服比例閥的通信設置使用的是TIA博途 V15.1版本，由于阿托斯伺服比例閥的相關參數并沒有保存在西門子公司博途自動化控制軟件中，需要在PLC項目中安裝阿托斯公司提供的描述伺服比例閥設備特性的電子設備數據庫文件(Generic Station Descriptionfile，GSD)，安裝完成后，該型號伺服比例閥就添加進了博途的硬件選型庫中[4-5]。

按照表2的設備地址，在工控機Windows系統網絡設置中給工控機設定一個固定IP地址，再通過博途軟件為PLC和伺服比例閥賦予與工控機同一地址段的IP地址。

表2 設備的網絡地址

完成設置之后，在博途軟件的網絡視圖中，右側的硬件目錄中可以通過拖動模塊添加設備到項目網絡中，再以硬件模塊自身節點連線組成圖5所示的Profinet通信拓撲視圖[6]。

圖5 Profinet通信的拓撲視圖

以軸向伺服比例閥舉例，在博途軟件中還需要按照表3參數對PLC變量表進行設置，使其可以完全對應伺服比例閥自身的控制命令參數，確保每一條命令都準確無誤地送達[7-10]。

表3 PLC的變量地址

4 編寫控制和反饋程序

針對已經完成組態和基本通信的PLC和伺服比例閥，使用功能塊圖(Function Block Diagram，FBD)圖形邏輯符號的編程語言完成對伺服比例閥的閥口張開大小的控制。圖6所示為PLC控制伺服比例閥開口大小以及用拉壓力傳感器作為反饋輸入給閥的程序[11-12]。

圖6 PLC控制程序

5 人機界面

PLC和伺服比例閥的設備組態和程序編程完全依賴于TIA博途自動化軟件對PLC的部署，而部署完成后只需要改變幾個輸入值就可以達到控制設備的目的。但在實際的現場控制中，博途軟件操作復雜界面繁多，不利于操作人員的培訓和高效工作，因此可以在工控機端利用LabVIEW編程環境制作一個簡潔明了的界面用來讀寫PLC的數據。這樣做一方面可以簡化操作難度，另一方面還可以記錄實時數據，生成符合國際標準的TDMS記錄文件，圖7所示為載荷設定值95 800 N時的界面[13-15]。

圖7 人機對話界面

6 試驗驗證可靠性

圖8和圖9所示為完成安裝的試驗機主體和液壓站。根據表4所示的載荷譜對試驗軸承進行加載試驗。圖10(a)軸向加載中，每次增加載荷時會有一個最高8 000 N的過沖在4～6 s內迅速下降，穩定后曲線雖有波動但一直穩定在設定值附近，穩定后的誤差為±6%。

表4 加載載荷譜參數

圖8 試驗機主體

圖9 液壓站

圖10 加載設定值和實際值的對比

圖10(b)徑向加載同樣也存在過沖現象，過沖值最高為2 700 N，徑向加載比軸向加載有更高的加載值，但曲線卻非常平穩，穩定后的誤差僅為±0.9%。

通過分析以上試驗數據可以得出：設定值在小于50 kN的載荷時波動較大，在大于50 kN的載荷時加載精確且波動不超過±1%，符合設計要求，同時加載誤差在設定值越接近最大加載值越小。這是因為設計方案中加載油缸最大載荷為1 500 kN，加載誤差是滿量程誤差，因此導致了加載越小波動越大，加載越大波動反而越小的現象。在實際使用中，建議小載荷加載試驗使用分級加載，具體方法是在載荷譜中增加過渡步驟的中間值，以減少對試驗軸承的沖擊。

7 結論

利用TIA博途自動化軟件和Profinet現場總線技術使用西門子PLC和阿托斯伺服比例閥完成了跨通信平臺的無障礙通信控制，用一根以太網屏蔽電纜連接組網取代了繁雜的模擬量通信接線和調試的過程，其擴展性優越，通信抗干擾能力也得到了增強。同時通過工控機人機對話界面可以控制伺服比例閥并記錄其實時狀態，出現故障時也可以遠程診斷進行排除。這種通信方式相比傳統的模擬量通信而言更加智能化，伴隨中國制造業產業的升級以及“中國制造2025”這一國家政策的全面推行，在中國從制造業大國向制造業強國轉變的過程中被越來越多應用到制造業現場控制中。