吳一鳴， 賈新旺， 繆晨煒， 周 杰

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

下部傳動(dòng)箱是燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件之一，起到重要的扭矩傳遞和驅(qū)動(dòng)燃、滑油泵作用[1]。研究下部傳動(dòng)箱耐久性對(duì)其改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重大意義，但目前少有科研機(jī)構(gòu)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)下部傳動(dòng)箱進(jìn)行單部件試驗(yàn)，多是按生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行加工裝配后隨燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。整機(jī)試驗(yàn)方式運(yùn)行維護(hù)成本高、可獲取參數(shù)少，因此研制了燃?xì)廨啓C(jī)下部傳動(dòng)箱單部件耐久性試驗(yàn)臺(tái)。單部件試驗(yàn)須要模擬燃?xì)廨啓C(jī)多個(gè)工況運(yùn)行情況，若手動(dòng)操作，長(zhǎng)周期多工況切換運(yùn)行將投入大量人力，且難以快速響應(yīng)報(bào)警信息及同時(shí)加載兩側(cè)負(fù)載。針對(duì)上述情況，研發(fā)了一套基于LabView和PLC的下部傳動(dòng)箱耐久性試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，滿足試驗(yàn)任務(wù)要求，具有自動(dòng)化程度高、操作便捷、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備

試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備如圖1所示，其基本工作原理為：起動(dòng)階段由輔變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)下部傳動(dòng)箱，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速后，下部傳動(dòng)箱離合器脫開，輔變頻電機(jī)退出工作，由主變頻電機(jī)通過增速齒輪箱間接驅(qū)動(dòng)；下部傳動(dòng)箱輸入轉(zhuǎn)速到達(dá)工況后，兩側(cè)1#、2#電渦流測(cè)功器加載至相應(yīng)負(fù)載，變工況過程中卸載兩側(cè)負(fù)載；扭矩傳感器用于測(cè)量下部傳動(dòng)箱輸入軸轉(zhuǎn)速和扭矩；下部傳動(dòng)箱運(yùn)轉(zhuǎn)所需的潤(rùn)滑油由外置供回油泵保障，油溫、油壓等數(shù)據(jù)由相應(yīng)類型傳感器測(cè)定。

圖1 主要設(shè)備布置示意

2 測(cè)控系統(tǒng)

2.1 硬件配置

測(cè)控系統(tǒng)由工控機(jī)、交換機(jī)、PLC、信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離模塊、電渦流測(cè)功器控制器、主/輔電機(jī)變頻器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件和各類傳感器等硬件設(shè)備以及測(cè)控軟件組成，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)工況、自動(dòng)加/卸載負(fù)載、數(shù)據(jù)的采集顯示和存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。圖2為下部傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成。

圖2 下部傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

工控機(jī)作為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心控制單元，與PLC、變頻器和電渦流測(cè)功器控制器通訊完成數(shù)據(jù)上傳和命令下達(dá)。人機(jī)交互界面基于LabView平臺(tái)開發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)輸入控制命令、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)參數(shù)、顯示測(cè)試數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)等功能。模擬量信號(hào)模塊用于接收壓力、溫度、液位信號(hào)和經(jīng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件處理后的振動(dòng)信號(hào)，再通過串口通訊將數(shù)據(jù)輸出至LabView；數(shù)字量輸入信號(hào)模塊用于接收供/回油泵就地遠(yuǎn)傳、啟停和有無故障等反饋信號(hào)，數(shù)字量輸出模塊用于輸出指示燈開關(guān)、供/回油泵啟停等控制信號(hào)。

工控機(jī)選用研華品牌，內(nèi)存配置4G以上，彩色液晶顯示器分辨率1 920×1 200。工控機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、顯示、試驗(yàn)過程管理、人機(jī)交互界面等工作。

電渦流測(cè)功器控制器可手動(dòng)控制/通訊控制完成電渦流測(cè)功器的加、減載操作，通訊遠(yuǎn)程顯示功率、運(yùn)行參數(shù)等信息。

PLC硬件結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)相似，也有CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、輸入/輸出模塊、存儲(chǔ)器等，但它有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語(yǔ)言[2]。本系統(tǒng)選用西門子S7-1500系列PLC，與工控機(jī)實(shí)時(shí)通訊，完成數(shù)據(jù)上傳和命令下達(dá)。PLC作為下位機(jī)直接控制試驗(yàn)系統(tǒng)啟停、供/回油泵啟停；通過網(wǎng)線連接兩個(gè)變頻電機(jī)控制器，分別控制主/輔變頻電機(jī)起動(dòng)、停止、變轉(zhuǎn)速，并采集其反饋數(shù)據(jù)；通過網(wǎng)線連接兩個(gè)電渦流測(cè)功器控制器通訊，控制兩臺(tái)電渦流測(cè)功器的起動(dòng)、停止、變參數(shù)；電渦流測(cè)功器的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由電渦流測(cè)功器控制器完成采集后，發(fā)送給PLC。

主/輔變頻電機(jī)控制器采用西門子G120系列，配置一定功率的制動(dòng)電阻，用于變頻電機(jī)的快速制動(dòng)，滿足試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)動(dòng)性要求。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)含有2臺(tái)變頻電機(jī)和電渦流測(cè)功器，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波，對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。另外由于該試驗(yàn)臺(tái)周邊還有其他多個(gè)設(shè)備臺(tái)位同時(shí)運(yùn)行，因此測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工過程均要采取抗干擾措施：(1) 金屬柜子連接處必須具有良好的表面接觸并且通過屏蔽網(wǎng)或其金屬表面可靠接地；(2) 各設(shè)備均應(yīng)設(shè)置可靠的標(biāo)準(zhǔn)抗干擾接地線；(3) 信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜需分開布線，至少要保持20 cm以上的間距，如果條件允許的話可以在它們之間采用絕緣板；(4) 各信號(hào)電纜均帶屏蔽層，且其兩端必須通過盡可能大的表面區(qū)域可靠接地。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序是下部傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的核心單元，具備以下功能：

(1) 接收工控機(jī)命令，控制相關(guān)設(shè)備完成試驗(yàn)。

(2) 對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。

(3) 內(nèi)部設(shè)置起動(dòng)聯(lián)鎖、一級(jí)保護(hù)、三級(jí)保護(hù)等邏輯，向工控機(jī)發(fā)送起動(dòng)聯(lián)鎖通過標(biāo)志位、正常起動(dòng)標(biāo)志位、一級(jí)保護(hù)標(biāo)志位、三級(jí)保護(hù)標(biāo)志位等，作為控制反饋。

(4) PLC與工控機(jī)實(shí)時(shí)通訊，接收上位程序的開始、停止、變工況、緊急停止、復(fù)位等指令，實(shí)時(shí)響應(yīng)。

(5) PLC根據(jù)工控機(jī)指令，對(duì)變頻電機(jī)、電渦流測(cè)功器等進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速、精確的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)。實(shí)時(shí)反饋各設(shè)備扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)送至上位機(jī)。

(6) 正常起動(dòng)運(yùn)行時(shí)綠燈亮，正常停機(jī)綠燈滅；判斷不滿足工況條件時(shí)，三級(jí)報(bào)警觸發(fā)遠(yuǎn)程警報(bào)器黃燈并發(fā)送至工控機(jī)，一級(jí)報(bào)警觸發(fā)遠(yuǎn)程警報(bào)器紅燈并緊急停機(jī)。

(7) 通訊狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，將各外圍設(shè)備與PLC通訊狀態(tài)發(fā)送給工控機(jī)。如果通訊失敗，則觸發(fā)遠(yuǎn)程警報(bào)器黃燈。

以試驗(yàn)臺(tái)起動(dòng)為例，其PLC邏輯如圖3所示。開始后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，并判斷聯(lián)鎖條件是否具備；聯(lián)鎖通過后，首先起動(dòng)輔助變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)速升至設(shè)定值N0以上時(shí)，起動(dòng)主變頻電機(jī)；主電機(jī)轉(zhuǎn)速升至設(shè)定值N1后，輔助變頻電機(jī)退出工作；電機(jī)反饋正常后，主變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速升至第一個(gè)工況點(diǎn)，起動(dòng)成功。

圖3 PLC起動(dòng)邏輯框圖

2.3.2 LabView程序設(shè)計(jì)

LabView可視化技術(shù)的人機(jī)交互性界面更直觀，且具有豐富的庫(kù)函數(shù)和應(yīng)用子程序、強(qiáng)大的信號(hào)分析與數(shù)學(xué)計(jì)算能力等優(yōu)點(diǎn)，使它成為最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)[3-4]。下部傳動(dòng)箱控制系統(tǒng)采用LabView進(jìn)行工控機(jī)編程，主要包括初始設(shè)置、功能調(diào)用、試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)顯示、試驗(yàn)控制。

(1) 初始設(shè)置包括下部傳動(dòng)箱編號(hào)、滑油密度、圖譜數(shù)等。

(2) 功能調(diào)用包括圖譜編輯、通訊設(shè)置、打印報(bào)表、聯(lián)鎖列表、數(shù)據(jù)查詢。其中圖譜編輯是設(shè)置一個(gè)圖譜各工況順序及運(yùn)行時(shí)間；數(shù)據(jù)查詢是調(diào)用MYSQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)，可以生成、導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于查看、打印或拷貝。

(3) 試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)顯示運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)變化，包括運(yùn)行時(shí)間、圖譜數(shù)、工況點(diǎn)以及試驗(yàn)臺(tái)各傳感器、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)顯示報(bào)警信息，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超出報(bào)警值設(shè)定時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警信息將顯示在報(bào)警列表中，便于運(yùn)行人員及時(shí)研判。

(4) 試驗(yàn)控制包括起動(dòng)、停止、暫停試驗(yàn)按鈕選擇，以及手動(dòng)控制下部傳動(dòng)箱空載運(yùn)行。

3 應(yīng)用及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證下部傳動(dòng)箱耐久性試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)試精度，進(jìn)行下部傳動(dòng)箱耐久性試驗(yàn)。

經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行獲取的各工況轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)如圖4所示。與試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)圖譜各工況對(duì)應(yīng)的主變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速、1#和2#電渦流測(cè)功器功率數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。其中最大偏差是指實(shí)際數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值差值的絕對(duì)值最大時(shí)實(shí)際數(shù)值大小。各工況中主變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速最大偏差度為0.11%，兩臺(tái)測(cè)功器功率最大偏差度分別為1.72%、0.75%，均在試驗(yàn)允許范圍內(nèi)。驗(yàn)證說明了該測(cè)試系統(tǒng)能滿足燃?xì)廨啓C(jī)下部傳動(dòng)箱耐久性試驗(yàn)。

(a) 主變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化

表1 標(biāo)準(zhǔn)-實(shí)際工況偏差分析

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)下部傳動(dòng)箱單部件耐久性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)、應(yīng)用、驗(yàn)證了一套自動(dòng)化程度高，可克服手動(dòng)無法同時(shí)加載兩側(cè)負(fù)載，且節(jié)約人力資源的測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于PLC和LabView實(shí)現(xiàn)的，具有人機(jī)交互性強(qiáng)、測(cè)試精度高、實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)及數(shù)據(jù)調(diào)取功能。目前該系統(tǒng)已累計(jì)完成約2 000 h運(yùn)行，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足試驗(yàn)任務(wù)需求。