楊藝偉，裘科名，張 璟，莊益孌，徐洪海

（1.紹興市上虞區(qū)計(jì)量測(cè)試所，浙江 紹興 312300；2.紹興市上虞區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 紹興 312300）

基于PLC的葉輪超速試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)

楊藝偉1，裘科名2，張 璟2，莊益孌2，徐洪海2

（1.紹興市上虞區(qū)計(jì)量測(cè)試所，浙江 紹興 312300；2.紹興市上虞區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 紹興 312300）

葉輪超速試驗(yàn)是風(fēng)機(jī)性能檢測(cè)的重要試驗(yàn)之一，可以對(duì)風(fēng)機(jī)的制造質(zhì)量水平、葉輪的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行參考和評(píng)定。針對(duì)國(guó)家風(fēng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)室條件，開(kāi)發(fā)了一款具有真空系統(tǒng)的自動(dòng)控制檢測(cè)裝置，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)的設(shè)置完成系統(tǒng)控制，具有較好的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

葉輪超速試驗(yàn)；控制系統(tǒng)；主體系統(tǒng)；PLC

傳統(tǒng)的葉輪超速試驗(yàn)臺(tái)多為手動(dòng)操作，這就造成了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性偏差，甚至有些試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能及時(shí)采集，從而造成不能完整有效地記錄試驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)以上的這些缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際需要，研發(fā)一款具有自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的葉輪超速試驗(yàn)臺(tái)具有其現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)概述

超速試驗(yàn)是利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力，在超速試驗(yàn)件工作轉(zhuǎn)速不小于1.1倍的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下對(duì)高速旋轉(zhuǎn)工件預(yù)加負(fù)載，以檢查工件是否安全可靠的一種近代先進(jìn)的科學(xué)負(fù)載[1]。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)工件進(jìn)行超速試驗(yàn)就成為確保高速大應(yīng)力旋轉(zhuǎn)工件安全可靠的唯一手段，因此超速試驗(yàn)機(jī)就成為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)必不可少的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備。

控制系統(tǒng)采用上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的控制策略，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，保證設(shè)備的高效不間斷運(yùn)行。下位機(jī)采用PLC控制，可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)故障自診斷和智能控制，可在控制過(guò)程中完成數(shù)據(jù)采集及處理，根據(jù)編程程序完成順序控制，提供故障報(bào)警和故障分析完成對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。

2 主體系統(tǒng)

主體系統(tǒng)部分針對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪直徑較大的特點(diǎn)采用上立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由底板、支承裙座、試驗(yàn)腔體、試驗(yàn)腔蓋、連接軸、防爆保護(hù)層等組成，采用變頻器配合直流電機(jī)可實(shí)現(xiàn)0～5 000 r/min范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速，同時(shí)安裝同軸數(shù)字編碼器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋轉(zhuǎn)速，主軸采用帶橡膠阻尼減振的連接軸系結(jié)構(gòu)，采用帶橡膠圈的連接軸系結(jié)構(gòu)增大了主軸系統(tǒng)的阻尼，有助于使超速試驗(yàn)機(jī)順利通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，同時(shí)又抑制了工件掉塊等引起的振動(dòng)，保證超速試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

此外，在試驗(yàn)腔體內(nèi)安裝振動(dòng)傳感器用于實(shí)時(shí)反饋振動(dòng)值，并根據(jù)試驗(yàn)要求可設(shè)定的最大振動(dòng)值完成自我保護(hù)和自動(dòng)停車；安裝熱電偶傳感器，及時(shí)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)溫度防止過(guò)熱；試驗(yàn)腔體內(nèi)設(shè)置防爆保護(hù)層，防止散落工件損壞試驗(yàn)設(shè)備。

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將控制系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)，上位機(jī)主要用于接收下位機(jī)的采集信號(hào)，完成基本參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提供系統(tǒng)保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)；下位機(jī)主要用于采集溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、真空度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)信號(hào)，并完成與上位機(jī)的通訊，提供就地保護(hù)和電氣、輔助設(shè)備的啟停?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)通過(guò)與異步電動(dòng)機(jī)相連的編碼器獲取輸出轉(zhuǎn)速后，通過(guò)RS232總線將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給PLC，完成對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制；與此同時(shí)，通過(guò)安裝在主軸的振動(dòng)傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)并傳送給PLC，根據(jù)獲取的振動(dòng)與轉(zhuǎn)速信號(hào)，結(jié)合超速試驗(yàn)中要求的試驗(yàn)條件，完成試驗(yàn)所需設(shè)置。PLC可通過(guò)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)控制電壓獲取目標(biāo)轉(zhuǎn)速。在開(kāi)始試驗(yàn)之前，可通過(guò)PLC完成對(duì)電氣設(shè)備和輔助設(shè)備的開(kāi)啟及結(jié)束試驗(yàn)后對(duì)設(shè)備的關(guān)閉。同時(shí)，PLC與工控機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接完成上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，及時(shí)反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中的參數(shù)，完成上位機(jī)的指令操作。上位機(jī)具有友好的人機(jī)互助界面，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)操作，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和存儲(chǔ)。此外，還可設(shè)置系統(tǒng)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)緊急停車，保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備。PLC是超速試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)的命令，完成真空泵和主機(jī)設(shè)備的啟停，輸入信號(hào)的采集，電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以及系統(tǒng)故障識(shí)別，完成與轉(zhuǎn)速儀表、溫度儀表、振動(dòng)傳感器、真空表等通信，增加控制的穩(wěn)定性，快速、高質(zhì)量地完成控制過(guò)程。在下位機(jī)的設(shè)計(jì)中，增加了西門子的SIMATICHMI顯示界面，可在現(xiàn)場(chǎng)界面上顯示過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)畫面上的輸入域修改系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的啟停，顯示報(bào)警等功能，其特點(diǎn)主要是具有標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口和通信協(xié)議，可與西門子PLC配合迅速完成數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)控制響應(yīng)。

4 真空系統(tǒng)

結(jié)合風(fēng)機(jī)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，采用真空系統(tǒng)，在真空泵吸氣口與試驗(yàn)腔出氣口之間設(shè)置電動(dòng)閥門，試驗(yàn)腔內(nèi)的空氣經(jīng)由此閥吸入真空泵后排出，真空泵停止工作時(shí)電動(dòng)閥門關(guān)閉，防止空氣反沖入試驗(yàn)腔內(nèi)，維持試驗(yàn)腔內(nèi)的真空度，同時(shí)在試驗(yàn)腔體出氣口的連接管道處設(shè)置真空壓力變送器，傳送到人機(jī)互助界面顯示實(shí)時(shí)真空度。

5 結(jié)論

葉輪超速試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)要求，采用真空系統(tǒng)保證腔體的真空度，更加真實(shí)、有效地反映出葉輪的剛度、強(qiáng)度以及振動(dòng)情況，為企業(yè)提供了葉輪的精準(zhǔn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以為葉輪的最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考資料，為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品零部件。

［1］重慶通用工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司.JB/T 6445—2005工業(yè)通風(fēng)機(jī)葉輪超速試驗(yàn)［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］王燕偉，吳榮仁，何慶，等.葉輪高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］.機(jī)械工程師，2008（02）.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.113

2095－6835（2017）21－0113－02

〔編輯：劉曉芳〕