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SIEMENS6SE70变频器主从控制在船池拖车上的应用

作者：马铭
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发布时间：2012-02-07

一、前言

船模试验水池（船池）是从事船舶与海洋工程领域高新技术研究的主要手段。船池拖车是船模试验水池必备的大型设备，它具有良好的控制性能，高精度的调速系统，并且具有高可靠性。

武汉理工大学船池拖车原控制系统是模拟量测控的，多为分离元件，使用时间长了，故障率增加，且影响拖车速度精度。为了适应该领域的快速发展，武汉理工大学船池进行了数字化改造。由于该系统速度精度要求高（速度误差要求±1‰），为使系统具有先进性、高可靠性、易扩展性和操作简便，系统采用上位工控机+WinCC组态软件+S7 300 PLC+6SE70变频器组成。

二、系统介绍

整个系统如图1所示。驱动部分由4台45kW SEW三合一电机和2台3kW SEW三合一电机构成。在高速工况下( 0.8～8m/s)，拖车由4台45kW电机驱动；在低速工况下(0.06～0.8m/s)，通过离合器切换，拖车由2台3kW电机驱动。司机室内设有工控机一台及操作台，工控机通过 CP5611卡与PLC进行Profibus-DP通讯，实时交换数据，实现操作功能及显示拖车速度。

图1 系统结构总图

图2 电气系统单线图

三、控制系统构成

1．系统结构

控制系统主要由S7 300 PLC、6SE70变频器及上位工控机组成。进行高速试验时，4台6SE7031-2EF60-2变频器分别控制四台45kW电机，闭环矢量控制(P100.1=4)，且4台变频器通过SLB卡连成SIMOLINK环网。其中，一台变频器为主变频器，速度控制(P587.1=0)，通过 PROFIBUS现场总线进行控制，另外三台变频器为从变频器，转矩控制(P587.1=1)，通过SIMOLINK网进行控制。当进行低速试验时，2台6SE7021-OEA61变频器分别控制2台3kW电机，闭环矢量j控制，且2台变频器通过SLB卡连成SIMOLINK环网。其中，一台变频器为主变频器，速度控制，j通过PROFIBUS现场总线进行控制，另外1台变频器为从变频器，转矩控制，通过SIMOLINK网4进行控制。

图3控制系统结构图

图4 4台6SE7031-2EF60-2变频器控制图

图5 2台6SE7021-OEA61变频器控制图

2．系统硬件配置

表 1

1		CPU	6ES7 315-2AG10-OABO	1	西门子
2		MMC卡	6ES7 953-8LFOO-OAAO	1	西门子
3		接口模块	6ES7 365-OBA01-OAAO	1	西门子
4	·PLC	输入模块	6ES7-321-1BH02-OAAO	7	西门子
5		输出模块	6ES7-322-1BH01-OAAO	4	西门子
6		编码器模块	6ES7-338-4BCOO-OABO	1	西门子
7		Profibus总线连接器	6ES7972-OBA40-OXAO	3	西门子
8	变频器		6SE7031-2EF60-2	4	西门子
9	变频器		6SE7021-OEA61-2	1	西门子
10	CBP2卡		6SX 7010-OFF05	2	西门子
11	SLB卡		6SX7010-OFJOO	6	西门子
12	制动单元		6SE7018-OES87-2DAO	2	西门子
13	制动单元		6SE7028-OEA87-2DAO	4	西门子
14	CP5611卡		6GK1561-1AAO	1	西门子
15	编程软件	STEP7 V5.2	6ES7810-4CC06-OYXO	1	西门子
16	组态软件	WINCC V5.1	6AV6 381-1BN05-1AVO	1	西门子

四、控制系统完成的功能及难点实现

1．结合上位工控机的WinCC组态软件，控制系统可实现的功能

(1)多种车速的选择功能

通过PROFIBUS-DP修改主变频器的速度给定，可实现拖车速度的多种切换，达到一次试验完成多种速度段的测量。

(2)加减速时间的自动设定功能

通过PROFIBUS-DP修改主变频器的加减速时间，实现不同速度时加减速时间不同，实现拖车启动停止的平稳。

(3)故障类别判断功能

通过WinCC的故障报表功能，完成故障的实时显示及储存。

(4)拖车的操作功能

在操作台及组态软件中，均可实现对船池拖车的操作。

(5)实时显示拖车速度及拖车位置

通过6ES7-338-4BCOO-OABO位置模块读取拖车自由轮上的多圈绝对值编码器的圈数和位置数，利用STEP7中的OB35硬件时间中断来计算拖车的实时速度。

(6)数据记录功能

组态软件WinCC与PLC通过PROFIBUS-DP交换数据，实时显示及记录各变频器的电流、频率等数据。

2．系统中的难点及实现方法

(1)拖车速度精度（高速）的实现

由于船池拖车的速度精度要求高（速度误差±1‰），为保证拖车的拖车速度精度，我们进行过多种方案的试验。

方案一：四台变频器均采用速度控制，主从控制，即一台变频器为主变频器，速度控制，另三台变频器为从变频器，速度控制，跟随主变频器的转速。这种方案下，由于四台变频器的实际频率不可能达到完全一致，只要变频器的实际频率相差一点，便有某台电机被拖着走，造成各电机电流不一致，甚至造成电机过流。

图6 WINCC组态软件主要界面

方案二：我们试验了2主2从的方案，即拖车左侧一台主变频器和一台从变频器，主变频器采用速度控制，从变频器采用转矩控制，跟随主变频器的转矩，拖车右侧与左侧一样，右侧2台变频器也采用主从控制。这种方案下，由于拖车两侧主变频器速度仍可能不一致，也会造成各电机电流不一致，而且如果拖车一侧速度快，一侧速度慢，拖车便会“歪”着行驶，影响拖车速度精度。

方案三：我们试验了1主3从的方案，即一台变频器为主变频器，速度控制，另3台变频器为从变频器，转矩控制，跟随主变频器的转矩。这种方案下，主变频器控制拖车的速度精度，3台从变频器出力，保证拖车的驱动能力。由于3台从变频器跟随主变频器的转矩，四台变频器电流一致，而且从变频器的出力也有效地防止了拖车车轮打滑的现象出现（拖车加速度要小于物理临界加速度O.lg，一般为0.08g左右）。试验结果证明此方案的效果最好。

根据试验结果，我们采用了方案三。方案三的变频器主要参数设置如下

主变频器：

P443.1=K3002 主变频器的主给定为PROFIBUS PZD2

P554.1=B3100 主变频器启动为PROFIBUS PZD1的位O

P571.1= B3111 主变频器正转为PROFIBUS PZD1的位1 1

P571.1=B3112 主变频器反转为PROFIBUS PZD1的位12

P587.1=0 主变频器为速度控制

P734.1=K22 主变频器至PLC的PZD1为主变频器的电流

P734.2=KK20 主变频器至PLC的PZD2为主变频器的转速

P734.3=K7001 主变频器至PLC的PZD3为从变频器1的电流

P734.4=K7002 主变频器至PLC的PZD4为从变频器1的转速

P734.5=K7003 主变频器至PLC的PZD3为从变频器2的电流

P734.6=K7004 主变频器至PLC的PZD4为从变频器2的转速

P734.7=K7005 主变频器至PLC的PZD3为从变频器3的电流

P734.8=K7006 主变频器至PLC的PZD4为从变频器3的转速

P740.1=0 主变频器为SIMOLINK环网的主站

P751.1=KO

P751.2=K30 SLB传输数据源的通道0为主变频器控制字

P751.1=KO

P751.2=K153 SLB传输数据源的通道1为主变频器转矩

从变频器：

P486.1=K7004 从变频器的力矩给定为SLB传送的主变频器的转矩

P554.1=B7200 从变频器起动为SLB传送的主变频器的起动信号

P571.1=B7211 从变频器正转为SLB传送的主变频器的正转信号

P571.1=B7212 从变频器反转为SLB传送的主变频器的反转信号

P587.1=1 从变频器为转矩控制

P740.1=1 从变频器为SIMOLINK环网的从站

P749.1=0.0 从变频器的SLB接收数据通道0为主变频器的通道0

P949.2=0.1 从变频器的SLB接收数据通道1为主变频器的通道1

P751.1=K22 SLB传输数据源的通道0的高字为从变频器的电流

P751.2=KK20 SLB传输数据源的通道0的低字为从变频器的转速

(2)闭环反馈编码器位置的选择

最初我们将编码器（1024脉冲/转）装在拖车车轮上，认为这样可通过变频器的速度环消除机械部分的传动误差，但这种方案效果并不理想。原因可能如下：①车轮的加工精度不够高②由于电机到拖车车轮有减速机，机械传动比为5.8:1，拖车车轮的1024脉冲，转折算到电机端仅176脉冲／转( 1024/5.8=176)，折算到电机端的编码器脉冲数太小，精度不够。后来我们更换高精度编码器（4096脉冲，转），但试验效果仍不理想。最后，我们将编码器装在电机端，试验证明此方案效果较好。

(3)变频器速度环的调整

通过DriveMonitor软件中的TRACE功能将变频器速度给定及速度反馈记录下来，仔细分析速度曲线，调整变频器速度环的参数（P235速度环的比例增益P240速度环的积分时间），这样边调整边分析，即可达到较好的变频器速度环调整效果。

这样在拖车不同速度段分别试验，可得到不同速度段时的变频器最佳速度环的参数。

在WinCC组态软件中，设置不同速度时，通过查表法得到变频器的速度环参数，然后通过 PROFIBUS-DP修改变频器的速度环参数即可。