基于SINAMICS S120的運動控制系統實踐教學平臺建設

謝麗蓉, 高 磊, 路 朋, 王忠強

(新疆大學 電氣工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047)

基于SINAMICS S120的運動控制系統實踐教學平臺建設

謝麗蓉, 高 磊, 路 朋, 王忠強

(新疆大學 電氣工程學院, 新疆 烏魯木齊 830047)

針對運動控制系統課程實踐性強的特點,在分析自動化專業教學現狀的基礎上,建設了基于SINAMICS S120的運動控制系統實驗教學平臺,以加強學生綜合應用知識解決問題的能力。采用SINAMICS S120伺服驅動系統,配合WINCC及PLC-300,通過用STARTER軟件對硬件調試仿真后,建立集監控、控制、運動的一體化教學平臺,使學生在實踐的基礎上對運動控制系統及自動化專業其他課程有更深的認識和更強的實踐能力。

運動控制系統； SINAMICS S120； 教學實踐

“運動控制系統”是大學本科電氣工程及其自動化、自動化、機械工程及其自動化等專業的重要課程。運動控制系統涵蓋自動控制理論、現代控制理論、檢測與變送技術、PLC控制技術和電機學知識,綜合性很強,故實踐教學對相關專業學生學習理論知識和解決運動控制系統問題非常重要。運動控制系統理論有許多抽象的概念、復雜的公式以及復雜的運動系統框圖,使學生難以理解并對該課程產生畏懼[1-5]。

筆者提出基于SINAMICS S120的運動控制系統實踐教學方法,綜合利用了本校自動化專業實驗室的設備,讓學生通過實驗對運動控制系統課程涉及的理論知識有一個更深的理解。通過搭建運動控制系統實踐教學平臺,對自動運動控制理論及其與實際的結合進行較全面的闡釋。

1 運動控制系統的傳統教學方式

運動控制系統是實踐性和綜合性很強的課程,涉及自動化專業大部分理論知識,所以對這門課程的教學應真正做到理論與實踐相結合[6],使學生能夠綜合應用自動化專業所學的理論知識和現場經驗。目前的本科教學廣泛使用多媒體技術,并輔以實踐教學,針對一門課程先進行理論傳授,再進行實驗驗證,最后讓學生到實驗室實際操作。例如在運動控制系統課程教學中,教師要將電機的閉環控制、各種調速原理以及幾種能量反饋形式以PPT的形式向學生傳授,并輔以相關圖片和視頻,使學生對所學知識有一個更直觀的了解。這種音/視頻的教學方式可以激發學生的興趣,使學生更容易接受,但仍不能自主實踐創新。

2 實踐教學平臺建設

為使學生能夠熟練地綜合利用所學知識完成實際項目,需要建設一個運動控制系統課程實踐教學平臺,幫助學生鞏固知識、提高實踐能力[7-8]。

2.1 運動控制系統平臺總體構建

運動控制系統實踐教學平臺主體是運動控制系統,由西門子SINAMICS S120增量型編碼器伺服驅動器及其配件組成[9]。由于該系統自帶控制模塊,可實現簡單控制,能滿足運動控制系統實驗的需求。為了提升學生綜合應用所學知識去解決問題的能力,該實驗教學平臺為運動控制系統(見圖1)另外增加了西門子公司生產的可編程邏輯控制器(PLC)[10]S7-300和上位組態軟件WINCC。通過監控系統(組態軟件)、控制系統(PLC)和運動系統(SINAMICS S120)的有機結合,使學生對整個自動化生產過程和運動控制系統有一個全面的理解,并且能將所學的知識很好地應用于實踐。

圖1 自動化運動控制系統

2.2 監控系統

運動控制系統實踐教學平臺用到的上位組態軟件是WINCC。WINCC集生產自動化和過程自動化于一體,實現了二者的整合；其通用的應用程序適合所有工業領域的解決方案；內置全過程操作和管理功能,可簡單、有效地進行組態；可基于Web持續延展,采用開放性標準,集成簡便；集成的Historian系統可作為IT和商務集成平臺；可用選件和附加件進行擴展。

2.3 控制系統

S7-300是模擬式中小型PLC(見圖2),電源、CPU和其他模塊都是獨立的,可以通過U形總線把電源、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。每個模塊都有一個插在背后的總線連接器。電源模塊總是安裝在機架的最左邊,CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM(通信)接口模塊。

圖2 西門子S7-300 PLC

對于一個控制系統的硬件設備,如果不對其編程,它就是無用的。對西門子S7-300的編程用的是西門子公司開發的STEP 7編程軟件,西門子STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件,可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。

2.4 運動系統

SINAMICS是全集成自動化系統(TIA)中又一個核心組成部分。SINAMICS的所有型號都基于相同的技術平臺。共同的硬件和軟件部件以及標準化的設計、組態和調試工具可以保證所有部件的高度集成。SINAMICS驅動系統之一的SINAMICS S120采用模塊化設計,可以提供高性能的單軸和雙軸驅動,具有廣泛的工業應用價值[11]。由于具有很高的靈活性能,SINAMICS S120可以很好地滿足用戶對驅動系統軸數量和性能的要求。S120運動控制系統如圖3所示。

圖3 運動控制系統

西門子伺服控制系統的主要組成部分是控制單元CU320、非調節型電源模塊、3A雙軸電機模塊和1FK7伺服電機等。此系統可以通過速度控制、轉矩控制、位置控制對伺服電機進行精確控制。

控制單元CU320是驅動系統的“大腦”,負責控制和協調驅動系統中所有的模塊,完成各軸的電流環、速度環甚至位置環的控制。同一個CU320控制的各軸能相互交換數據,即任意一根軸能夠讀取控制單元上其他軸的數據,這一特征廣泛被用作多軸之間的簡單的速度同步。根據連接外圍I/O模塊的數量、軸控制模式、所需的功能以及CF卡的不同,一塊CU320能夠控制軸的數量也不同。

電源模塊即整流或整流/回饋單元,它是將三相交流電整流成直流電,然后供給各電機模塊,有回饋功能的模塊還能夠將直流電回饋給電網。

電機模塊(即逆變單元)又分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊。電機模塊和主控單元之間通過DRIVE-CLIQ接口進行快速數據交換。此平臺使用的是3 A雙軸電機模塊,給伺服電機1FK7供電。

3 實踐平臺仿真驗證

STARTER軟件是用來對西門子SINAMICS系列產品進行調試、參數修改的工具,它功能強大,使用方便,因此應用十分廣泛。PC機通過STARTER軟件與S120驅動系統的通信方式主要有3種,即PROFIBUS-DP通信、以太網通信和RS-232串口通信。由于運動控制系統實踐教學平臺使用的是CU320控制單元,其本身只有RS-232串口和PROFIBUS-DP接口,故可以用串口通信或PROFIBUS。

STARTER軟件對S120的調試首先要通過對系統的配置,配置流程如圖4所示。

圖4 S120配置流程圖

系統配置完成后,就可以用STARTER軟件對S120進行調試。調試功能包括數據跟蹤記錄、功能函數發生器、伯德圖測量、控制器自動優化等。

3.1 數據跟蹤記錄

此項調試功能可以跟蹤數據信息,可以清晰地看到系統運行過程中各參數的變化。速度濾波器前加入正弦信號時的速度響應曲線如圖5所示,斜坡信號作用下的速度響應曲線如圖6所示。

圖5 正弦信號作用下的速度響應曲線

圖6 斜坡信號作用下的速度響應曲線

在圖5和圖6中可以看出:跟蹤記錄的是伺服軸的設定速度和實際速度,對應的參數分別是r61和r62。

3.2 伯德圖測量

伯德圖測量主要是為了確定系統的穩定性和系統的帶寬。圖7為系統的伯德圖,其中速度控制器中參數P=0.03,Reset time=4 ms:

圖7 系統的伯德圖

當速度控制器中參數P=0.03,Reset time=9 ms,伯德圖如8所示。

圖8 不同參數下的伯德圖

從伯德圖可以看出系統的穩定性以及系統的帶寬。如果改變速度控制器的參數,在伯德圖中系統的帶寬會發生變化；當速度控制器參數選取的合適,帶寬也會比較合適。

3.3 控制器的自動優化

控制器的自動優化,即通過在線調試,使各環的PID控制參數達到最優,使系統能更好地運行。

軟件對電機的正反轉機械特性、電流閉環的辨識、速度的計算都進行了自動優化。圖9是優化后速度控制器的參數值。

通過控制器的自動優化,速度控制器的參數亦將得到優化。其中參數P=0.038,Reset time=6.99 ms。

圖9 速度控制器參數值

4 結語

基于SINAMICS S120搭建了較為全面的運動控制系統實踐教學平臺,引入了組態軟件WINCC、編程軟件STEP 7、S120調試軟件STARTER,通過仿真測試驗證了平臺的可行性和實用性。該平臺使學生對自動化控制系統的硬件和軟件有了較全面的認識,對PLC編程以及運動控制系統有了更深的理解,真正做到理論與實踐相結合,提高了實踐能力和就業競爭力。

References)

[1] 包廣清,吳延明,楊新華.面向工程實踐的運動控制系統綜合訓練改革[J].實驗技術與管理,2014,31(4):150-153,185.

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[3] 木合亞提·伊克山.“電力拖動自動控制系統”課程實驗的改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(12):131-133.

[4] 印江,白學林,來長勝.控制裝置專業實驗室系統建設探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(12):238-241,272.

[5] 史成城,謝麗蓉,張丹.運動控制系統實驗軟件開發平臺[J].實驗技術與管理,2013,30(1):119-121.

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[7] 李俊峰,潘海鵬,楊曄,等.自動化專業控制系統課程群建設與實踐改革[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):460-464.

[8] 朱藝鋒,鄭征,余發山,等.專業課程“運動控制系統”的課堂教學方法探析[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):374-376,388.

[9] 劉大煒,白國振,胡斌. 基于西門子SIMOTION D運動控制系統的齒輪同步研究[J]. 機械設計,2013(12):15-18.

[10] 陳嬋娟,薛愷,常美蓉,等.基于PLC的步進電動機單雙軸運動控制的實現[J].機械設計與制造,2009(3):178-180.

[11] 郁林聰,吳達.基于SINAMICS S120的變速器試驗臺加載控制系統設計[J].制造業自動化,2010(10):219-220.

Construction of practical teaching platform for motion control system based on SINAMICS S120

Xie Lirong, Gao Lei, Lu Peng, Wang Zhongqiang

(School of Electric Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

This paper introduces the motion control system based on SINAMICS S120 experimental teaching platform. Practical course for strong features of motion control, based on the analysis of current status of automation specialty teaching, in order to strengthen students’ theoretical knowledge, to improve their practical technical level, and strengthen their comprehensive application ability of knowledge to solve the problem, introduces SINAMICS S120 Siemens servo drive system, cooperates with WINCC and PLC-300, by using the software of STARTER for hardware debugging after the simulation, and establishes a monitoring-controlling-moving integrated teaching platform, to make the students having a deeper understanding based on the practice for motion control and the professional knowledge in all subjects.

motion control system； SINAMICS S120； teaching practice

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.034

2016-09-06 修改日期：2016-11-06

國家自然科學基金項目(51264036)；新疆大學“運動控制系統”精品課程建設項目(XJU201202)

謝麗蓉(1969—),女,湖南衡陽,碩士,副教授,主要從事控制系統的分析、教學與研究工作.

E-mail：wzywwwxr@163.com

TP273

A

1002-4956(2017)2-0132-04