基于PLC的葉輪超速試驗自動控制系統的研發

楊藝偉，裘科名，張 璟，莊益孌，徐洪海

（1.紹興市上虞區計量測試所，浙江 紹興 312300；2.紹興市上虞區產品質量監督檢驗所，浙江 紹興 312300）

基于PLC的葉輪超速試驗自動控制系統的研發

楊藝偉1，裘科名2，張 璟2，莊益孌2，徐洪海2

（1.紹興市上虞區計量測試所，浙江 紹興 312300；2.紹興市上虞區產品質量監督檢驗所，浙江 紹興 312300）

葉輪超速試驗是風機性能檢測的重要試驗之一，可以對風機的制造質量水平、葉輪的強度和剛度進行參考和評定。針對國家風機行業標準要求，結合自身實驗室條件，開發了一款具有真空系統的自動控制檢測裝置，整個系統采用模塊化設計，分為主體系統、真空系統、控制系統，控制系統通過上位機與下位機的設置完成系統控制，具有較好的實際意義和應用價值。

葉輪超速試驗；控制系統；主體系統；PLC

傳統的葉輪超速試驗臺多為手動操作，這就造成了控制系統的穩定性偏差，甚至有些試驗數據不能及時采集，從而造成不能完整有效地記錄試驗結果。針對以上的這些缺點，結合實驗室實際需要，研發一款具有自動控制系統計算機的葉輪超速試驗臺具有其現實意義。

1 試驗臺概述

超速試驗是利用高速旋轉所產生的強大離心力，在超速試驗件工作轉速不小于1.1倍的試驗轉速下對高速旋轉工件預加負載，以檢查工件是否安全可靠的一種近代先進的科學負載[1]。對高速旋轉工件進行超速試驗就成為確保高速大應力旋轉工件安全可靠的唯一手段，因此超速試驗機就成為高速旋轉機械生產企業必不可少的檢測試驗設備。

控制系統采用上位機與下位機相結合的控制策略，上位機采用工業控制計算機，可對設備進行智能監控和遠程操作，保證設備的高效不間斷運行。下位機采用PLC控制，可靠性強、抗干擾能力強，可實現故障自診斷和智能控制，可在控制過程中完成數據采集及處理，根據編程程序完成順序控制，提供故障報警和故障分析完成對系統的保護。

2 主體系統

主體系統部分針對風機葉輪直徑較大的特點采用上立式結構設計，主要由底板、支承裙座、試驗腔體、試驗腔蓋、連接軸、防爆保護層等組成，采用變頻器配合直流電機可實現0～5 000 r/min范圍內的無級變速，同時安裝同軸數字編碼器用于實時檢測并反饋轉速，主軸采用帶橡膠阻尼減振的連接軸系結構，采用帶橡膠圈的連接軸系結構增大了主軸系統的阻尼，有助于使超速試驗機順利通過臨界轉速，同時又抑制了工件掉塊等引起的振動，保證超速試驗機穩定、高效運行。

此外，在試驗腔體內安裝振動傳感器用于實時反饋振動值，并根據試驗要求可設定的最大振動值完成自我保護和自動停車；安裝熱電偶傳感器，及時監測腔體內溫度防止過熱；試驗腔體內設置防爆保護層，防止散落工件損壞試驗設備。

3 控制系統

根據設計要求，將控制系統分為上位機與下位機，上位機主要用于接收下位機的采集信號，完成基本參數設置與數據處理，同時對整個系統進行監測，提供系統保護和故障監測；下位機主要用于采集溫度、壓力、轉速、真空度、振動等數據信號，并完成與上位機的通訊，提供就地保護和電氣、輔助設備的啟停。控制系統結構原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構原理圖

系統通過與異步電動機相連的編碼器獲取輸出轉速后，通過RS232總線將轉速信號傳遞給PLC，完成對系統轉速的控制；與此同時，通過安裝在主軸的振動傳感器獲取振動信號并傳送給PLC，根據獲取的振動與轉速信號，結合超速試驗中要求的試驗條件，完成試驗所需設置。PLC可通過實時的轉速數據，通過變頻器調節控制電壓獲取目標轉速。在開始試驗之前，可通過PLC完成對電氣設備和輔助設備的開啟及結束試驗后對設備的關閉。同時，PLC與工控機通過現場總線連接完成上位機與下位機的通訊，及時反饋系統運行狀態中的參數，完成上位機的指令操作。上位機具有友好的人機互助界面，可進行參數設置，可實現遠程人機操作，還可對數據進行系統分析和存儲。此外，還可設置系統保護裝置，實現緊急停車，保護試驗設備。PLC是超速試驗機控制系統的核心，負責執行上位機的命令，完成真空泵和主機設備的啟停，輸入信號的采集，電機轉速的控制以及系統故障識別，完成與轉速儀表、溫度儀表、振動傳感器、真空表等通信，增加控制的穩定性，快速、高質量地完成控制過程。在下位機的設計中，增加了西門子的SIMATICHMI顯示界面，可在現場界面上顯示過程數據，通過畫面上的輸入域修改系統的參數，實現電氣系統的啟停，顯示報警等功能，其特點主要是具有標準化的硬件接口和通信協議，可與西門子PLC配合迅速完成數據通訊，實現控制響應。

4 真空系統

結合風機行業測試標準要求，采用真空系統，在真空泵吸氣口與試驗腔出氣口之間設置電動閥門，試驗腔內的空氣經由此閥吸入真空泵后排出，真空泵停止工作時電動閥門關閉，防止空氣反沖入試驗腔內，維持試驗腔內的真空度，同時在試驗腔體出氣口的連接管道處設置真空壓力變送器，傳送到人機互助界面顯示實時真空度。

5 結論

葉輪超速試驗自動控制系統采用計算機控制，實現了自動控制與遠程控制，同時結合試驗要求，采用真空系統保證腔體的真空度，更加真實、有效地反映出葉輪的剛度、強度以及振動情況，為企業提供了葉輪的精準檢測數據，同時還可以為葉輪的最優化設計提供參考資料，為市場提供優質的風機產品零部件。

［1］重慶通用工業（集團）有限責任公司.JB/T 6445—2005工業通風機葉輪超速試驗［S］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］王燕偉，吳榮仁，何慶，等.葉輪高速旋轉試驗臺自動控制系統開發［J］.機械工程師，2008（02）.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.113

2095－6835（2017）21－0113－02

〔編輯：劉曉芳〕