電力拖動(dòng)典型負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張建賀

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北 唐山 063200）

1 機(jī)械負(fù)載模擬和監(jiān)控系統(tǒng)介紹

基于PCL為控制器的機(jī)械負(fù)載模擬和監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)磁粉離合器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，該負(fù)載模擬和控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、CANopen通信接口、PLC、CANopen接口的變頻器、電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、磁粉制動(dòng)器控制電源以及光電編碼器組成。在運(yùn)行過(guò)程中，觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)和PLC連接，PLC再通過(guò)CANopen通信接口與變頻器連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率以及轉(zhuǎn)矩的控制與檢測(cè)。

在此負(fù)載模擬和監(jiān)控系統(tǒng)中，為了計(jì)算精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和期望的轉(zhuǎn)矩，控制電源也發(fā)揮了重要的作用。首先通過(guò)PLC輸出模擬控制信號(hào)，控制電源在接收后輸出直流電壓，該電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁粉制動(dòng)器的控制。而控制電源是處于持續(xù)輸出電壓的狀態(tài)，開關(guān)的頻率很高，因此磁粉制動(dòng)器也處于持續(xù)工作狀態(tài)，所以可以得出，磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是和制動(dòng)器線圈的電壓成正比。此外，觸摸屏在工作中的作用是設(shè)定負(fù)載特性曲線，通過(guò)以太網(wǎng)和PLC連接后，PLC又通過(guò)CANopen接口與變頻器連接，變頻器連著電動(dòng)機(jī)，所以在觸摸屏設(shè)置好負(fù)載特性后，PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。最后，通過(guò)設(shè)定的負(fù)載特性計(jì)算出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PI計(jì)算得出所需要的控制模擬信號(hào)，該信號(hào)輸出到控制電源，控制電源和制動(dòng)器連接，使得磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生所期望的轉(zhuǎn)矩。

2 PLC軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上述機(jī)械負(fù)載模擬和監(jiān)控系統(tǒng)主要的設(shè)備包括PLC、觸摸屏、變頻器和控制電源，而系統(tǒng)的核心設(shè)備是PLC，因此主要對(duì)基于PLC軟件的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

2.1 PLC系統(tǒng)配置方案

PLC系統(tǒng)配置由機(jī)架模塊、CPU模塊和模擬量輸出模塊構(gòu)成，CPU模塊上有CANopen總線和Ethernet總線，模擬量輸出模塊上為了提高信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，選擇了0-20mA的電流輸出模式。此外，CANopen總線和變頻器相連接。至于機(jī)架模塊和總線上的其他設(shè)備暫沒(méi)有配置。

2.2 典型負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制流程

負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制流程如下：首先通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC的連接，通過(guò)CANopen總線實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器聯(lián)網(wǎng)。其次PLC可以從變頻器讀取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，從觸摸屏獲取設(shè)定好的負(fù)載類型和特性曲線等數(shù)據(jù)。然后根據(jù)獲得的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和設(shè)定的負(fù)載類型與特性，通過(guò)計(jì)算得到控制模擬信號(hào)，并輸出控制電壓到控制電源。最后控制電源讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所期望的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩的獲取，將數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上。以恒功率負(fù)載為例，在獲得該負(fù)載特性時(shí)，首先從變頻器獲得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，然后從觸摸屏獲得負(fù)載特性參數(shù)K，并通過(guò)觸摸屏設(shè)定好K的取值范圍，在計(jì)算控制量時(shí)還需要規(guī)定n的取值范圍，然后通過(guò)公式：輸出模擬控制量=K/n計(jì)算得到控制量。并輸出控制電壓到電源，制動(dòng)器可根據(jù)控制量算出所期望的功率。

2.3 PLC控制命令

PLC的控制命令包括五個(gè)，即讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速、獲取負(fù)載類型和特性系數(shù)并進(jìn)行負(fù)載特性運(yùn)算、輸出變頻器控制命令、控制轉(zhuǎn)矩閉環(huán)以及。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速讀取是通過(guò)變頻器從電機(jī)讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速和相對(duì)轉(zhuǎn)矩，然后將電機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)轉(zhuǎn)矩以整形變量的形式存儲(chǔ)到單元中，PLC通過(guò)CANopen總線獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。負(fù)載類型和特性系數(shù)獲取以及運(yùn)算命令，以恒功率負(fù)載為例，在運(yùn)算命令時(shí)因?yàn)樨?fù)載系數(shù)是浮點(diǎn)型變量，所以需要將整型變量——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也變?yōu)楦↑c(diǎn)型變量后進(jìn)行運(yùn)算?？刂戚敵鲎冾l器命令包括變頻器轉(zhuǎn)速設(shè)定命令和變頻器起停命令。關(guān)于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制命令，是因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩是符合期望值的，所以在系統(tǒng)中加了磁粉制動(dòng)器，并加入PI運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，然后通過(guò)轉(zhuǎn)矩的特性計(jì)算得到期望的轉(zhuǎn)矩。最后關(guān)于模擬量輸出命令，是在模擬量模塊上進(jìn)行的輸出命令，在執(zhí)行該命令時(shí)需要將其中的浮點(diǎn)型變量進(jìn)行變量類型轉(zhuǎn)換，變成和模擬量模塊的輸入統(tǒng)一的整型變量。

2.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控界面有兩個(gè)功能，第一進(jìn)行負(fù)載類型的選擇和該負(fù)載類型特性的設(shè)定，第二顯示相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)期望轉(zhuǎn)矩。在負(fù)載類型界面有恒功率負(fù)載、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，以風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載為例，在負(fù)載類型特性設(shè)定與監(jiān)控界面，電機(jī)觸摸屏便可進(jìn)入到設(shè)置界面，界面中包括風(fēng)機(jī)泵類系數(shù)的輸入框，轉(zhuǎn)速輸入框和停止啟動(dòng)觸摸鍵，另外也實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和相對(duì)轉(zhuǎn)矩。

3 3種典型負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)每個(gè)負(fù)載類型選擇轉(zhuǎn)速和相對(duì)轉(zhuǎn)矩作為負(fù)載系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明每種負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合期望結(jié)果，以風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載特性為例，變頻器采用的是磁通矢量閉環(huán)控制，因?yàn)殚]環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)所以可以得到期望的轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可以用公式：T=K2n2來(lái)表示。因?yàn)樽冾l器的轉(zhuǎn)矩是負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩的和，所以當(dāng)空載轉(zhuǎn)矩不變，而總轉(zhuǎn)矩減少時(shí)，變頻器反饋的轉(zhuǎn)矩也會(huì)減少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了電力拖動(dòng)典型負(fù)載模擬系統(tǒng)，利用磁粉電動(dòng)器為加載元件，PLC軟件為系統(tǒng)的控制中心，直流發(fā)電機(jī)為測(cè)試元件。在較長(zhǎng)的工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，而其中的變頻器利用磁通矢量閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)衡負(fù)載。在基于PLC為中心的負(fù)載模擬系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)PLC設(shè)置方案、負(fù)載系統(tǒng)的控制流程設(shè)定、PLC控制命令以及觸摸屏界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電力拖動(dòng)典型負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合三種典型負(fù)載特性。

[1] 李嵐.電力拖動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 孫新柱，張浩，陳躍東.《電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)》虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34(3)：62-65.