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TPC1561HI昆侖通態(tài)觸摸屏和 CPU226CN西門子PLC的動平衡測試機(jī)控制方案
1、背景
1．1定義
平衡機(jī)是測量旋轉(zhuǎn)物體(轉(zhuǎn)子)不平衡量大小和位置的機(jī)器。
任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，由于相對于軸線的質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能和壽命。電機(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)床主軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、陀螺轉(zhuǎn)子和鐘表擺輪等旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要經(jīng)過平衡才能平穩(wěn)正常地運轉(zhuǎn)。 根據(jù)平衡機(jī)測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內(nèi)。因此，平衡機(jī)是減小振動、改善性能和提高質(zhì)量的必不可少的設(shè)備。
1．2分類
平衡機(jī)可以分為 重力式平衡機(jī)和離心力式平衡機(jī)是兩類型。
重力式平衡機(jī)一般稱為靜平衡機(jī)。它是依賴轉(zhuǎn)子自身的重力作用來測量靜不平衡的。僅適用于某些平衡要求不高的盤狀零件。離心式平衡機(jī)是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡引起的支承振動，或作用于支承的振動力來測量不平衡。其按校正平面數(shù)量的不同，可分為單面平衡機(jī)和雙面平衡機(jī)。單面平衡機(jī)只能測量一個平面上的不平衡(靜不平衡)，它雖然是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行測量，但仍屬于靜平衡機(jī)。雙面平衡機(jī)能測量動不平衡，也能分別測量靜不平衡和偶不平衡，一般稱為動平衡機(jī)。
TPC1561H昆侖通態(tài)I觸摸屏和 CPU226CN西門子PLC的動平衡測試機(jī)控制方案
1．3動平衡機(jī)原理
動平衡測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖圖所示，在平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子支撐點兩端各有一個壓電傳感器用以拾取轉(zhuǎn)子的振動信號，而在轉(zhuǎn)子的一側(cè)的光電開關(guān)是用來獲取相位基準(zhǔn)以及轉(zhuǎn)速信息。三路信號送入數(shù)據(jù)采集器，然后上傳至上位機(jī)對信號進(jìn)行處理,通過一定的解算，得到Ⅰ、Ⅱ校正面所需校正量的大小和相位，據(jù)此就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的不平衡校正。
TPC1561HI觸摸屏和 CPU226CN西門子PLC的動平衡測試機(jī)控制方案
2、方案
2.1 傳統(tǒng)控制方案
動平衡測試機(jī)傳統(tǒng)上是采用工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成信號采集、處理和邏輯控制系統(tǒng)，但這種方案由于使用工控機(jī)，造成系統(tǒng)整體可靠性差，對操作人員要求高，無法適應(yīng)工廠車間應(yīng)用要求。因此部分設(shè)備廠商轉(zhuǎn)而采用工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的具有極高可靠性的PLC作為控制方案。
2.2 控制要點
動平衡測試機(jī)對數(shù)據(jù)的采集要求屬于基于脈沖同步的高速模擬量采集，即當(dāng)系統(tǒng)捕獲脈沖信號后立刻觸發(fā)數(shù)據(jù)采集（從模擬量模塊上獲取具體數(shù)值）。在實際應(yīng)用中，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的脈沖頻率不低于840Hz（以測試對象為額定轉(zhuǎn)速2100rpm, 12對極的電機(jī)轉(zhuǎn)子為例）。因此要求主機(jī)和模擬量采集模塊都必須具備高速響應(yīng)的能力。
系統(tǒng)必須具有大容量的數(shù)據(jù)存儲器，能保存每次采集的數(shù)據(jù)。
2.3 西門子PLC技術(shù)的控制方案
針對動平衡測試機(jī)的特點，合信技術(shù)推出了一種特殊的模擬量模塊（CTS7 231-7HA32），該模塊的數(shù)據(jù)采集時間為16微秒，采樣頻率62.5kHz。根據(jù)采樣定理，如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率要達(dá)到840Hz，則模擬量采樣單元需要840*5=4.25kHz以上的速度，才能較好地還原信號；如果需要更高的采樣精度，則需要更高速度的模擬量采集模塊。由此可見CTS7 231-7HA32模塊完全勝任動平衡測試機(jī)的要求。
在保證模擬量模塊能夠準(zhǔn)確及時獲取信號的同時，合信技術(shù)優(yōu)化了CPU程序獲取數(shù)據(jù)的機(jī)制，通過讓采樣脈沖信號觸發(fā)具有更高響應(yīng)優(yōu)先級的高速計數(shù)中斷來獲取數(shù)據(jù)。CTSC-200 CPU的高速計數(shù)中斷延遲僅為60微秒，即PLC程序獲得數(shù)據(jù)的頻率為16kHz。
在實際應(yīng)用中，采用合信PLC的動平衡測試機(jī)的數(shù)據(jù)采集速度和質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了專用數(shù)據(jù)采集儀的效果。并且CTSC-200 CPU快速的浮點數(shù)處理能力也完全能夠勝任后續(xù)數(shù)據(jù)處理的要求。
下表為幾種類型方案對比：
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合信PLC方案 |
標(biāo)準(zhǔn)PLC方案 |
工控機(jī)方案 |
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優(yōu)點 |
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快（模擬量模塊62.5kHz，PLC程序16.6kHz）；CPU數(shù)據(jù)處理速度快；CPU數(shù)據(jù)容量大。PLC性能可靠，完全適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用場合。 |
PLC性能可靠，完全適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用場合。 |
數(shù)采卡數(shù)據(jù)采集速度快；工控機(jī)數(shù)據(jù)容量大；能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法處理 |
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缺點 |
算法編程復(fù)雜，不直觀。 |
PLC響應(yīng)外部中斷速度慢，數(shù)據(jù)采集模塊速度慢（最高只能實現(xiàn)1kHz的數(shù)據(jù)采集），由于速度慢導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)延遲時間大，致使測量精度低。算法編程復(fù)雜，不直觀。 |
可靠性差，無法長期工廠化的運行，系統(tǒng)維護(hù)不便。 |
2.4 西門子PLC技術(shù)方案組成及產(chǎn)品列表
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序號 |
名稱 |
型號 |
數(shù)量 |
備注 |
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1 |
西門子PLC CPU226CN 主機(jī) |
6ES7 216-2AD23-0XB8 |
1 |
布爾運算0.15us；浮點運算8us；72K 程序存儲空間；110K 數(shù)據(jù)存儲空間。 |
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2 |
西門子PLC |
6ES7 231-0HC22-0XA8 |
2 |
單通道快速數(shù)據(jù)采集模塊，模塊數(shù)據(jù)采集速度16us； |
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3 |
西門子PLC |
6ES7 223-1BF22-0XA8 |
1 |
8DI/8DO 數(shù)字量擴(kuò)展模塊 |
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4 |
6AV 6648-0BC11-3AX0 |
1 |
7寸觸摸人機(jī)界面 |
3、結(jié)論
本文描述了一種基于西門子PLC技術(shù)的動平衡測試機(jī)的控制方案，這個方案解決了其它品牌標(biāo)準(zhǔn)PLC無法進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集的問題，并且同工控機(jī)的方案相比，可靠性更高、價格更低，極具性價比優(yōu)勢。
