CKY－200型土工離心機主機電氣系統研制

王新倫，程永輝，張鳴雷，馮曉軍，馮英偉，薛常斌，趙玉虎

(1.中國工程物理研究院 結構力學研究所，四川綿陽 621900;2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

由于土木工程尤其是巖土工程的自重應力影響巨大，能模擬原型自重應力的離心模擬技術就成為預測和驗證的不可替代的手段，在工程建設中具有特殊的作用。土工離心模型試驗就是借助離心機的高速旋轉為模型創造一個與原型應力水平相同的應力場，從而使原型的性狀在模型中再現的一種物理模擬研究手段。

目前，土工離心模型試驗技術作為一種最有效的物理模型試驗方法，幾乎涉及土木工程的所有領域，成為巖土工程技術研究中最先進、最主要的研究手段之一。國內外幾十年的研究經驗表明，離心模型試驗技術在巖土工程領域的作用可歸納如下:①工作機理和破壞機制研究;②設計參數研究;③設計計算方法和設計方案的驗證、比選;④數學模型和數值計算方法驗證［1］。

性能先進，運行穩定、可靠的土工離心機是土工離心模型試驗的基本保障。CKY－200型土工離心機具有調速精度高、數據采集穩定、測試精度高、能夠穩定可靠地拍攝土工離心模型的動態清晰和完整的圖像、安全保護措施完善等特點。本文論述了CKY－200型土工離心機電氣系統的各分系統的工作原理、基本配置及實現方法，并介紹了技術特點及驗收測試結果。測試結果表明CKY－200型土工離心機的研制完全達到了技術指標要求。經過一年多的穩定、可靠運行，證明了CKY－200型土工離心機電氣系統的研制是成功的。

2 電氣系統設計

CKY－200型土工離心機主機電氣系統由拖動系統、靜態數采系統、攝影系統、攝像系統、動平衡系統等組成。

2.1 拖動系統

拖動系統驅動轉臂在吊籃處產生穩定的過載環境，是離心機研制的基礎。過載值與轉速的平方及半徑成正比，忽略半徑變化，則過載值精度只與轉速精度有關，通過控制轉速實現對過載值控制，以下公式［2］能夠證明過載值的精度在數值上是轉速精度的2倍。

忽略半徑誤差，則

式中:r為離心機有效旋轉半徑(m);g為重力加速度(m/s2);n為離心機轉速(r/min);G為向心加速度;ΔG為向心加速度變化量;Δn為離心機轉速變化量。

拖動控制系統由轉速給定、直流調速器、主令控制電路與系統啟動聯鎖、轉速測量、各種運行狀態監測等單元組成，轉速控制采用電流、轉速雙閉環控制方式，系統穩定性及控制精度高。

直流調速器是拖動系統的核心，完成雙閉環控制，并為直流電機提供可控電能。采用西門子公司6RA7091－6DV62可逆全數字直流調速器，其采用模塊化結構，控制及輔助功能均由內部微處理器實現，具有很強的自診斷處理功能，對缺相、過流、過壓等多種故障進行監視與處理。

具有手動及計算機2種給定方式。手動給定電路由手動給定撥盤、鎖存器、數/模轉換等主要電路組成，完成離心機轉速給定值的設置、顯示、保持并通過數/模轉換電路將數字量變成模擬量輸入到調速器的模擬給定端，采用12位AD767高精度數/模轉換器，使給定精度和線性度得到保證。設置了置數/鎖存控制方式，防止給定設置時的誤操作。計算機給定通過485接口直接與調試器通訊，以數字方式給定過載值。2種給定方式通過不同的接口增加了給定功能的可靠性。

通過電流互感器進行電流反饋，通過電樞電壓或編碼器進行速度反饋。反饋編碼器采用長驅型編碼器，具有很強的抗干擾能力。

轉速測量采用調速器及等精度轉速表2種方式。等精度轉速表的測試精度更高，其通過以單片機為核心的數字電路實現M/T算法，使得測試精度只與時基的頻率有關，而與離心機轉速無關，測試精度在百萬分之一以上。

主令控制與聯鎖電路以PLC為核心，控制邏輯由PLC完成。主令控制電路主要完成系統供電、風機啟停、油泵啟停、拖動裝置供電、主回路供電等控制命令。聯鎖電路對電機風機、潤滑油泵、平衡狀態、機室門、調速器狀態、軸承溫度等信號聯鎖，保證離心機的安全啟動運行，操作或運行過程中的某環節工作不正常時，離心機不能啟動或運行中自動停機。同時運行時調速器對離心機的轉速、電機電流等主要參數進行監視，及時判斷與處理運行過程中的異常狀態，保證離心機長期工作的安全性及穩定性。

2.2 動平衡系統

動平衡系統是保證離心機安全運行的重要技術措施，由4支測力傳感器和平衡檢測、保護、調節電路及執行機構組成。4支測力傳感器實時檢測轉臂平衡狀態，在離心機穩速時進行調整。當平衡超限時，發出報警信號，同時通過聯鎖方式使離心機停機。

2.3 靜態數采系統

靜態數據采集系統是獲取試驗數據的重要手段，其工作的可靠性往往決定了試驗的成敗。離心機上的信號存在運動到靜止的轉換問題，傳感器信號直接通過集流環不但占用集流環多，而且干擾大，因此是不可取的。本系統數據采集器放置于上儀器艙靠近轉臂中心位置隨離心機一起旋轉，其與傳感器是相對靜止的，數據采集器并行采集傳感器信號，打包后以數字形式傳輸到地面計算機。

靜態數采系統原理圖如圖1所示，共40個通道，由4塊IMP測量模塊組成，每個模塊共有10個通道，可完成全橋、半橋、四分之一橋應變及電壓信號的測量。采集器通過S－NET網絡與計算機內采集卡實現數據通訊。每種信號的測量都有補償線，有效消除傳感器與數采模塊之間線電阻誤差，有利于提高靜態數采系統的整體測試精度，數采模塊與計算機以數字方式通訊沒有傳輸誤差，同時提高了信號的抗干擾能力。

圖1 靜態數采原理圖Fig.1 Elementary diagram of DAQ system

2.4 攝影系統

攝影系統由計算機、接口板、閃光控制儀、邏輯控制電路、數碼相機、閃光燈、位置檢測、閃光檢測等部分組成，其原理框圖如圖2所示。

接到拍攝指令后，計算機控制攝影系統自動完成單邊工作土工離心模型在運動過程中的定點照相。200 g時拍攝的土工離心模型照片如圖3所示。

圖2 攝影系統原理框圖Fig.2 Elementary diagram of photography system

圖3 200 g土工模型實時照片Fig.3 Photo of geotechnical model at 200 g

主要參數選擇如下:

(1)閃光時間:離心機最大線速度為92 m/s(半徑4 m處)，經計算如曝光時間 t≤15.1 μs可滿足圖像清晰要求。我們采用的光源閃光脈寬為9 μs，完全能滿足要求。

(2)閃光能量:50 J，可滿足曝光量要求。

(3)觸發閃光響應時間:從檢測出位置信號到閃光控制儀閃光的響應時間約為2 μs。在線速度為92 m/s時，工作吊斗的位移量約為0.184 mm，且觸發電路的重復性很好，因此完全可以拍攝出完整的模型照片。

(4)數碼相機:尼康D2Xs。

2.5 攝像系統

攝像系統由CCD攝像頭、顯示器、音/視頻采集卡及研華“數碼先鋒”硬盤錄像機等組成。監視的位置:離心機室、地下室、旋轉接頭、模型箱、上儀器倉等部位，并預留開機械手的監視位置。攝像監控軟件是Windows的標準應用程序，采用全中文菜單、圖形方式操作，僅點擊鼠標即可完成所有工作。可設置文件播放速度，錄像的圖像根據時間段存放，根據需要在任意時間對錄像圖像進行選擇性回放;可從正在錄像或播放的圖像中捕獲靜態畫面，以標準的BMP文件格式存放于硬盤中。

3 技術特點

(1)主令控制與聯鎖電路以PLC為核心進行設計，布線更簡潔，同時增加了可維修性及可擴展性。

(2)將幾個關鍵軸承溫度設計成聯鎖信號，增加了設備的安全性。

(3)集流環接口采用航空插頭設計，增加了集流環的可維修性。

(4)所有布線均采用暗線設計，使得設備外觀更整潔。

(5)傳感器電源引至轉臂端頭航空插頭，使得傳感器接線更方便。

(6)采用紅外攝像機，降低了對照度的要求。

(7)增強照相機控制電纜濾波，提高了工作安全性及可靠性。

(8)48 h連續運行考核，驗證了設備的安全性及可靠性。

4 最終達到的技術指標

CKY－200型土工離心機驗收測試指標如下。

(1)最大容量:200 g-t。

(2)最大載荷(模型箱 +模型):200 g時1 000 kg。

(3)加速度范圍:0～200 g。

(4)調速精度:0.1 g。

(5)加速度穩定度:≤ ±0.5%F.S/48 h。

(6)連續工作時間:滿負荷靜力狀態連續穩定工作48 h。

(7)不平衡力的限量與監視:當不平衡力的差值小于離心機最大容量(200 g-t)的5%(即100 kN)時，離心機正常運行，當不平衡力的差值大于該值時，能及時報警并自動停機。轉臂設置動平衡調節系統，在最大加速度200 g時不平衡力調整范圍為 ±2 t或0 ～4 t。

(8)操作方式:手動和自動。

(9)系統有完善的保護和狀態監測功能。

(10)靜態數據采集:通道數40，滿足測應變或接電壓型傳感器要求，信號測量不確定度0.15‰。

(11)攝影:能可靠拍攝運動模型照片，照片完整清晰。

(12)攝像:系統配置5路攝像頭，預留3路視頻電纜及接頭，監視試驗設備及模型并錄像。設備齊全，圖像清晰。

5 結語

CKF－200型土工離心機，拖動控制方面采用全數字直流調速方式，系統對外電網波動、負載變化和其它擾動能進行快速補償;主令控制與啟動聯鎖電路采用PLC控制，使得檢測點與控制點集中，便于故障檢測及維修，主控柜布線更加簡潔;轉速測量與控制方面，采用了光電編碼器，保證了轉速的測量精度和系統的調節精度，其中“跟蹤與保持”功能的設置，有利于離心機長時間運行;數據采集方面，測量傳感器與采集模塊之間采用多種方式對接，為使用者提供了靈活的接線方式;攝影方面，采用數碼照相機照相，使圖像處理更為方便;充分考慮到動態系統的預留，對動態系統的布線與布局進行設計，滿足其接口技術要求。

［1］包承綱，林 明，蔡正銀，等.巖土離心模擬技術的原理和工程應用［M］.武漢:長江出版社，2011.(BAO Cheng-gang，LIN Ming，CAI Zheng-yin，et al.The Principle and Engineering Application of Geotechnical Centrifugal Simulation Technology［M］.Wuhan:Yangtze River Press，2011.(in Chinese))

［2］林 明，王新倫，馮曉軍，等.60 g-t土工離心機電氣系統設計［J］.兵工自動化，2004，23(1):58 －60.(LIN Ming，WANG Xin-lun，FENG Xiao-jun，et al.Design of Electrical System for 60 g-t Geotechnical Centrifuge［J］.Ordnance Industry Automation，2004，23(1):58 － 60.(in Chinese))