基于PLC的风电回转支承实验台控制系统设计.pdf

1 8 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nM a n u f a c t u r e 第 4期 2 0 1 1 年 4月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 4 0 1 8 8 0 3 基于 P L C的风 电回转支承 实验 台控制 系统设计 木 朱 飞 洪荣晶 陈 捷 高学海 戴克芳 t 南京工业大学 机械与动力工程学院 ， 南京 2 1 0 0 0 9 马鞍山方圆回转支承股份有限公司， 马鞍山 2 4 3 0 5 2 De s i g n o f t e s t i n g t a b l e c o n t r o l s y s t e m u s e d f or wi n d p o we r s l e wi n g b e a r i n g b a s e d o n PL C Z H U F e i i , HO N G R o n g - j i n g ， C HE N J i e ， G A O Xu e - h a i D A I K e - f a n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a 2 Ma a n s h a n F a n g y u a n S l e w i n g R i n g C o m p a n y L i m i t e d ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 5 2 ， C h i n a l 【 摘 要】 以 风电 回转支 承实 验台 为 研究对象， 简单 介绍了 实 验台 结构原理， 阐 述了 其 控制系 统 原理 l ；及构成、 下 位 机程序设计、 上位机软件 及实 验流 程等， 并以自 由口 通信为例介绍了 其 在上下位机中 的具体 ； 3实 现。同时 针对系 统 存在的非线性问 题， 通过逆求 控制值的方法进 行修正， 减小 比 例阀 非线性的影 响。 l ； 关键词 风电； 回转支承； 实验台； 控制系 统 l l 【 A b s t r a c t 】 T e s t i n g t a b l e u s e d f o r w i n d p o w e r s l e w i n g b e a r i n g is d i s c u s s e d ， w h ic h is in t r o d u c e d s im l ； p ly f lr s t． e n ， 3 0 1T c o n t e n t s o l -e e x p o u n d e d ， s u c h p r i n c ip l e a n d s t r u c t u r e of c o n t r o l s y s t e m ， p r o g r a m d e 一 ； l s in lo w e r c o m p u t e r ，p r o g r a m d e s i g n i n u p p e r c o m p u t e r a n d e x p e r i m e n t a l p r o c e s s ． 死e r e c d iz“a t io n o f 一{ ；w a r e i s e f o r e x a m p l e b y f r e e - p o r t c o m m u n i c a t i o n ．O n t h e o th e r h a n d ， c o n t r o l v a l u e s a r e c o n v e n e； i s o lv e d t o r e d u c e t h e n o n l i n c a r it y ef f e c t o f s y s t e m p r o d u c e d b y p r o p o r t i o n a l v a l v e ． 1 l K e y w o r d s wi n d p o w e r ； S l e w i n g b e a n g ； T e s t i n g t a b l e ； C o n t r o l s y s t e m ； ， ％ ∞ ∞ 々々 。口 。 6口 ， 。 。 。口。。 - ∞ 。 々 。∽。伽。 。 。铝疗 c ， x 々∽c ， c 疗 。 。c ， 。 ∽ c 。 々 6 。∽ 5 。 啪。 c ， 。 9 的 。 ， ∞口-簧 。 。 5 d 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 前言 回转支承是风电机组中的关键部件之一，一般用于偏航系 统和变桨系统中， 由于其造价昂贵， 拆装费用高、 时间长， 并且受 载复杂、 使用环境相对恶劣， 对其动静载性能和可靠性指标提出 了严格的要求， 一般要求其寿命与风电机组的寿命相同， 且在 2 0 年以上[t l。另一方面， 对于回转支承的可靠性设计， 国内公司大多 是建立自己的经验公式， 而对经验公式的修正需要大量的实验数 据。 因此建立一套风电回转支承的实验设备是目前国内回转支承 行业及风电行业的迫切需要目 。 即在这样的背景下， 以回转支承实 验台为研究对象， 进行了基于P L C的控制系统设计。实验台包括 机械、 液压、 控制和测试等几部分组成 ， 控制系统是实验台的核 心， 其下位机采用 S I E ME N S公司的 7 - 2 0 0 ， 上位机选用 N I 公司 的 L a b V I E W软件， 并选择 S Q L S e r v e r 作为其应用数据库。 2 实验台控制系统原理 由南京工业大学机电体化研究所研制的风电回转支承实验 台， 包括机械、 液压、 控制和测试等几部分， 其详细内容介绍可参考 文献 专利号为2 0 0 8 2 0 2 1 7 2 0 1 ， 其测试系统设计可参考文献∞。 2 ． 1加载及驱动系统 中，偏航和变桨回转支承需要 根据不同的风载情况及时调整其状态。 偏航回转支承同时承受机组 重量产生的轴向力和风载产生的径向力、 倾覆力矩， 在风向发生变 化时需完成启动 、 停 止及换向等动作 ； 变桨回转支承在叶轮旋转的 个周期内受力情况为个正弦信号， 在风速发生变化时需通过变 桨回转支承来调整气流对叶片的攻角； 当风载突然增大时偏航和变 桨回转支承还可能受到冲击。因此， 需要综合考虑回转支承在具体 应用场合中的实际工况， 模拟其运转与受载情况。 风电回转支承实验台由机械、液压、控制和测试等几 部分组 成， 如图 1 所示， 回转支承固定于基础上， 由液压马达带动回转支承 的动圈旋转， 采用液压缸对回转支承进行力和力矩的加载。控制电 机的旋转来控制回转支承的转动隋况， 控制液压缸加载力来控制回 转支承的受力隋况， 通过改变马达的转速和液压缸加载力的大小可 以模拟回转支承在不同应用场合不同工况下的实际受载情况。 图1实验台加载驱动系统 2 ． 2控 制系统基本原 理 控制系统下位机采用 S I E M E N S公司的 s 7 2 0 0 2 2 6系列 ， 上位机选用 N I 公司的 L a b V I E W 软件进行组态 ， 数据库选用 S Q L S e r v e r 。如图2所示， 上位机 L a b V I E W负责向下 S 7 - 2 0 0发送指 令及接收 s 7 2 0 0的反馈信息监控实验状态，同时在 L a b v I E w 中利用 L a b S Q L工具包内置功能的组合调用实现对 S Q L S e rve r 的访问。S Q L S e r v e r 支持数据的局域网及远程访问， 实验数据可 在企业的E R P系统中进行统一管理， 实现数据的局域网共享。 下 位机 s 7 2 0 0通过自由口通信的方式接收上位机的指令及向上位 机上传数据， 同时 s 7 2 0 0 还完成对传感器等模拟量、 数字量的读 ★来稿 日期 2 0 1 0 - 0 6 - 1 6 ★基金项 目 江苏省工业装备数字制造及控制技术重点实验室高技术项 目 B M2 0 0 7 2 0 1 ， 安徽省科技攻关项 目 0 8 0 1 0 2 0 1 1 5 ， 江苏省教育厅产业化推进项 目 J H 0 9 1 2 堑 塑 朱 飞等 基于P L C 的风电回转支承实验台 控制系 统设计 1 8 9 取， 对电机阀等模拟量、 数字量的控制输出等。 ‘ 一 。 一 一 一 一 一 一 。 一 一 管理中心 上位机 下位机 测控元件 图 2控制系统原理框图 3 控制系统的功能实现 控制 系统由上位机组态软件 L a b V I E W 和下位机可编程 逻 辑控制器 S 7 2 0 0组成 ， 上位机和下位机分工 明确 ， 下位机完成 液 压缸力加载回路和马达速度控制 回路的逻辑判断 、控制执行 ， 上 位机完成实验流程的控制、 实验数据的监测。 s 7 2 0 0与 L a b V I E W 之间通过自由口通信的方式完成数据传输， 以自由口通信为例分 别介绍其在上下位机 中的编程实现。 3 ． 1自由口通信 西门子 S 7 2 2 6 C P U支持多种通信协议 ， 包括 P P I 方式 、 MP I 方式、 P R O F I B U S方式、 自由口通信等。在实验台控制系统中， 采 用自由口通信的方式 ， 约定串行通信采用主从通信方式 ， 上位机 给下位机发送读， 写指令， 下位机对上位机的指令作出相应 ， 但不 主动呼叫上位机 。波特率 为 9 6 0 0 b ／ s ， 每字节为 8 位 ， 单个字节不 校验 ， 指令采用 A S C I I 码进行传送 ， 如图 3 所示， 上位机每发送一 个 8 字节长的指令来实现一次读写操作 ， 末字节为和校验字节 。 1 0 A 1 0 O X 图 3 自由口通信协议 3 ． 2下位机程序设计 根据实验台的功能要求 ， 要实现手动和自动控制， 通过面板 上的“ 手动操 作／ P C控制 ” 按钮进行切换实现 。在手动操作 情况 下 ， 上位机只进行数据监测 ， 不进行控制 ， 完全由人 为手动控制系 统运行 。手动操作主要用于系统调试阶段 ， 对 于回转支承的项 目 实验则采用“ P C控制” ， 下位机完成逻辑判断 、 控制及接受上位机 的控制指令， 上位机完成对下位机的数据监测及实验流程命令的 发送。 -一一-一-一_-一一-一一一一_一一_一一一一一_一 一一』 图4下位机程序框架 下位机程序包括主程序、 初始化程序、 报警程序、 急停程序、 手动／ 自动切换子程序、 自由口通讯程序 、 加载力控制程序、 马达 控制程序、 滤波子程序、 P I D子程序及其他的一些辅助子程序。主 要实现液压缸加载 回路力 的控制 、马达驱动回路速度的控制 、 与 上位机 的自由 口通讯 、 实验状态及报警显示等功能 。 如图 4 所示 ， 虚线部分为自由口通信程序 ， 其包括初始化 、 接收中断、 发送中 断、 校验和判断、 上位机的命令执行、 回复上位机等子程序完成与 上位机的整个通信过程 。部分程序及注释如下 3 ． 2 ． 1 初 始化程序 L D S M0 ．7 ／ ／ tJ 断为 r u n模式 MO V B 9 ， S MB 3 0 ／ ／ ,0 , 到点接口协议，波特率为 9 6 0 0 b ／ s ， 每 个字符为 8 位数据 ， 单个字节不校验 MO V B 1 6 9 0 ， S MB 8 7 ／ ／ 允许接收信息， 使用 S MW9 0 MO V B 5 ， S MB 9 0 ／ ／ 闲行时间间隔为 5 毫秒 MO V B 8 ， S M B 9 4 ／ 收字符的最大数为 8字节 ATCH PLC R e c e i v e d I N T O ， 2 3 ／ ／ Y 收 完 成 中 断 连 接 到 P L C R e c e i v e d ATCH PL C S e n d e d I N T 1 ， 9 ／ ／ ／ 送 完 成 中 断 连 接 到 P LC Se n de d E N I ／ L L 许全局 中断 R C V V B1 0 0 ， 0 ／ ／ 接收字符开始地址为 V B 1 0 0 3 - 2 ． 2 接 收数据 校验程序 L D B V B1 0 8 ， V B1 2 1 ／ ／ 和校验正确 A B V B 1 0 1 ， 4 9 ， ／ 第一个字符为 1 A B V B 1 0 3 ， 4 8 ∥ 第三个字符为 0 S M1 6 ． 1 ， l ／ ／ 置校验正确标志位 L D B V B 1 0 8 ， V B 1 2 1 ／ ／ 和校验不正确 0 B V B I O 1 ， 4 9 ， ／ 第一个字符不为 1 0 B V B 1 0 3 ， 4 8 三个字符不为 0 R M1 6 ． 1 ， 1 ／ ／ 复位校验正确标志位 L D M1 6 ． 1 ／ ／ 校验正确 M O V W 0 ， v w1 1 0 ／ ／ 清零缓冲空间 MO V W 0 ， V W1 2 0 ／ ／ 零缓冲空间 MO V W 0 ， v wl 1 2 零缓 冲空问 l 9 0 机 械 设 计 与 制 造 No ． 4 Apr ． 2 01 1 M O V W 0 ， v wl 2 2 ∥ 清零缓冲空间 A Q o ． 0 ／ ／ P C控制有效 C A L L P C Wr i t e S B R 3 2 ／ ／ J 用 P CWri t e 子程序 3 ． 2 ． 3 发送手动操作／ P C控制无法切换程序 L D MI 6 ． 1 硐 校验正确 A M1 8 ． 6 ／ ／ -满足 P C控制切换条件 A B v B l 0 2 。 6 4 ， ／ 第二个字符为 A B V B 1 0 4 ， 6 第四个字符为B A I I ．O I I P C控制按钮按下 M O V B 6 6 ， V B 2 发送字节 M O V B 6 6 ， V B 2 0 5 ／ ／ 发送字节 MO V B 6 6 ， V B 2 0 鸲发送字节 MO V B 6 6 ， V B 2 0 7 偶 发送字节 CAL L P L C _S e n d S B R 3 3 ／ ／ i ] 用 P L C ～ S e n d 子程序 3 ． 3上位机软件及实验流程 上位机按组态功能包括实验参数及控制 、 过程数据监测 、 数 据库管理和报表生成， 如图 5 所示。 在手动操作情况下“ 实验参数 及控制” 界面选择及“ 存储当前数据” 按钮为灰 不可操作 ， 其他 功能正常使用； P C控制情况下， 所有控制和监测功能均可操作。 图 5上位机功能框 图 在 L a b V I E W中使用 V I S A函数编写串口通信程序， 上位机的 通信过程包括五步串口初始化_发送握手信号一发送读 控制 字节校验P L C回复指令判断后执行。如图6所示，为其利用 V I S A函数编写实验参数输入的前面板。 图 6实验参数及控制界 面 以实验 1 加载实验为例 ， 其上位机控制与监测流程如下 1 打开“ 实验参数及控制” 界面， 如图6 所示选择实验项目1 加载实验输入实验参数一启动实验按钮再次确认后实验启动； 2 按照实验 1 设定的流程 ， 上位机给下位机发送命令 ， 开始执行 实验 l ； 3 打开“ 过程数据监测” 界面， 观察加载力和马达转速的变 化、 报警提示等； 4 在“ 过程数据监测” 界面可进行存储当前数据 或查询历史数据； 5 实验时间到或需要停止实验时， 按下“ 实验参 数及控制” 界面中的“ 暂停” 按钮， 停止实验； 6 在“ 过程数据监测” 界面中， 按下报表生成按钮， T F - P 实验报告并结束实验。 4系统对非线性及误差的处理 由于模拟量很容易受到外界的干扰，因此对 P L C采集到的 模拟量信号进行滤波处理。 实验台控制系统对力的加载精度有比 较高的要求， 将采集到的加载力值进行低通滤波， 去除高频信号 对模拟量的影响，而对于马达速度值则采用高速计数器计数， 马 达低转速情况下采用测脉宽方法计算转速， 马达高转速情况下采 用测脉冲数方法计算转速， 实验证明此种方法可行， 上下位机的 测速结果相吻合。 另外， 所使用的比例减压阀存在着一定的非线性， 对控制系统 性能有定的影响。为减小其非线性影响， 在上位机软件 E 进行修 正。实验数据结果显示马达驱动系统控制的重复度和线性度较好， 但存在着较大的死区 7 d m i n ， 而力加载控制系统的重复度较好， 存 在着一定的死区， 且线性度较差。 根据多次实验数据， 取其平均值后 得出马达驱动系统和力加载系统的响应曲线， 再通过逆求控制值的 7 Y L - cA 行线性化处理。实验表明， 在马达转速和加载力的工作范围 内， 修正后的稳态控制效果比较理想， 如图7 所示， 为在单个马达液 压泵电机工作情况下， 马达速度修正前后的实验数据对比。 下 发转 速 v 转份 图 7修正前后马达转速实验数据对 比 5结 论 进行了风电回转支承实验台的控制系统设计 ， 采用自由口 通信方式实现了P L C和L a b V I E W之间的数据传输， 充分结合利 用了有着强大运算能力、 在模拟量和非线性计算中优势突出的上 位机 L a b V I E W和运行稳定可靠的下位机 P L C，自动化程度高。 针对系统存在的非线性和误差问题， 修正后的马达转速和加载力 控制达到了比较理想的效果。 对控制有一定精度要求又要降低成 本的场合， 该方案性价比较高。由南京工业大学机电一体化研究 所研制的风电回转支承实验台目前在马鞍山方圆回转支承股份 有限公司的运行过程中稳定 、 可靠。 参考文献 1 方成刚， 高学海等风 电转盘轴承的设计与制造[ J ] ．轴承 ， 2 0 0 9 9 5 7 - 6 2 2曾祥超． 回转支承实验台测试系统开发E D 3 ． 南京工业大学学报， 2 0 0 9 3方成刚， 高学海等．风电转盘轴承综合性能实验台的研制[ J ] 制 造业 自动 化 ， 2 0 0 9 ， 3 1 1 1 2 2 ～ 2 5 4黄筱调，王华等． 风电转盘轴承综合性能实验台 [ P ] ． 中国专利， 2 0 0 8 2 0 2 1 7 2 01 ， 2 0 0 9 5 朱飞 ， 洪荣晶等．基于L a b V I E W的回转支承测试系 统设计【 J ] ． 工程机械， 2 0 0 9 ， 4 0 3 4 5 4 8 6Ho w a r dS t e m La s e r b a s e d3 - D s u r f a c e ma p p i n gf o r ma n u f a c t u r i n gd i a a o s t i c s a n d r e v e r s e e n g in e e r i n g [ J ] ． I E E E ， 1 9 9 2 1 2 0 0 - - 1 2 1 1 一 、 群一 H 制样 霖