燃?xì)廨啓C下部傳動箱試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

吳一鳴， 賈新旺， 繆晨煒， 周 杰

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

下部傳動箱是燃?xì)廨啓C關(guān)鍵部件之一，起到重要的扭矩傳遞和驅(qū)動燃、滑油泵作用[1]。研究下部傳動箱耐久性對其改進設(shè)計具有重大意義，但目前少有科研機構(gòu)對燃?xì)廨啓C下部傳動箱進行單部件試驗，多是按生產(chǎn)工藝要求進行加工裝配后隨燃?xì)廨啓C整機進行試驗。整機試驗方式運行維護成本高、可獲取參數(shù)少，因此研制了燃?xì)廨啓C下部傳動箱單部件耐久性試驗臺。單部件試驗須要模擬燃?xì)廨啓C多個工況運行情況，若手動操作，長周期多工況切換運行將投入大量人力，且難以快速響應(yīng)報警信息及同時加載兩側(cè)負(fù)載。針對上述情況，研發(fā)了一套基于LabView和PLC的下部傳動箱耐久性試驗臺測控系統(tǒng)，滿足試驗任務(wù)要求，具有自動化程度高、操作便捷、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

1 試驗臺設(shè)備

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

圖1 主要設(shè)備布置示意

2 測控系統(tǒng)

2.1 硬件配置

測控系統(tǒng)由工控機、交換機、PLC、信號轉(zhuǎn)換隔離模塊、電渦流測功器控制器、主/輔電機變頻器、振動監(jiān)測組件和各類傳感器等硬件設(shè)備以及測控軟件組成，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)工況、自動加/卸載負(fù)載、數(shù)據(jù)的采集顯示和存儲、實時報警等功能。圖2為下部傳動箱試驗臺測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成。

圖2 下部傳動箱試驗臺測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

工控機作為整個測控系統(tǒng)的核心控制單元，與PLC、變頻器和電渦流測功器控制器通訊完成數(shù)據(jù)上傳和命令下達。人機交互界面基于LabView平臺開發(fā)，用于實現(xiàn)輸入控制命令、監(jiān)測實時參數(shù)、顯示測試數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)等功能。模擬量信號模塊用于接收壓力、溫度、液位信號和經(jīng)振動監(jiān)測組件處理后的振動信號，再通過串口通訊將數(shù)據(jù)輸出至LabView；數(shù)字量輸入信號模塊用于接收供/回油泵就地遠傳、啟停和有無故障等反饋信號，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。

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

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

PLC硬件結(jié)構(gòu)與計算機相似，也有CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、輸入/輸出模塊、存儲器等，但它有更強的與工業(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言[2]。本系統(tǒng)選用西門子S7-1500系列PLC，與工控機實時通訊，完成數(shù)據(jù)上傳和命令下達。PLC作為下位機直接控制試驗系統(tǒng)啟停、供/回油泵啟停；通過網(wǎng)線連接兩個變頻電機控制器，分別控制主/輔變頻電機起動、停止、變轉(zhuǎn)速，并采集其反饋數(shù)據(jù)；通過網(wǎng)線連接兩個電渦流測功器控制器通訊，控制兩臺電渦流測功器的起動、停止、變參數(shù)；電渦流測功器的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由電渦流測功器控制器完成采集后，發(fā)送給PLC。

主/輔變頻電機控制器采用西門子G120系列，配置一定功率的制動電阻，用于變頻電機的快速制動，滿足試驗臺的機動性要求。

2.2 測控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

試驗臺含有2臺變頻電機和電渦流測功器，運行時會產(chǎn)生較強的諧波，對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。另外由于該試驗臺周邊還有其他多個設(shè)備臺位同時運行，因此測控系統(tǒng)設(shè)計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) 信號電纜和動力電纜需分開布線，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

2.3.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序是下部傳動箱試驗臺測控系統(tǒng)的核心單元，具備以下功能：

(1) 接收工控機命令，控制相關(guān)設(shè)備完成試驗。

(2) 對試驗臺各傳感器信號進行數(shù)據(jù)采集，實時上傳至上位機。

(3) 內(nèi)部設(shè)置起動聯(lián)鎖、一級保護、三級保護等邏輯，向工控機發(fā)送起動聯(lián)鎖通過標(biāo)志位、正常起動標(biāo)志位、一級保護標(biāo)志位、三級保護標(biāo)志位等，作為控制反饋。

(4) PLC與工控機實時通訊，接收上位程序的開始、停止、變工況、緊急停止、復(fù)位等指令，實時響應(yīng)。

(5) PLC根據(jù)工控機指令，對變頻電機、電渦流測功器等進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)快速、精確的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)。實時反饋各設(shè)備扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)并發(fā)送至上位機。

(6) 正常起動運行時綠燈亮，正常停機綠燈滅；判斷不滿足工況條件時，三級報警觸發(fā)遠程警報器黃燈并發(fā)送至工控機，一級報警觸發(fā)遠程警報器紅燈并緊急停機。

(7) 通訊狀態(tài)實時檢測，將各外圍設(shè)備與PLC通訊狀態(tài)發(fā)送給工控機。如果通訊失敗，則觸發(fā)遠程警報器黃燈。

以試驗臺起動為例，其PLC邏輯如圖3所示。開始后，系統(tǒng)進入初始化，并判斷聯(lián)鎖條件是否具備；聯(lián)鎖通過后，首先起動輔助變頻電機，轉(zhuǎn)速升至設(shè)定值N0以上時，起動主變頻電機；主電機轉(zhuǎn)速升至設(shè)定值N1后，輔助變頻電機退出工作；電機反饋正常后，主變頻電機轉(zhuǎn)速升至第一個工況點，起動成功。

圖3 PLC起動邏輯框圖

2.3.2 LabView程序設(shè)計

LabView可視化技術(shù)的人機交互性界面更直觀，且具有豐富的庫函數(shù)和應(yīng)用子程序、強大的信號分析與數(shù)學(xué)計算能力等優(yōu)點，使它成為最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺[3-4]。下部傳動箱控制系統(tǒng)采用LabView進行工控機編程，主要包括初始設(shè)置、功能調(diào)用、試驗參數(shù)監(jiān)測顯示、試驗控制。

(1) 初始設(shè)置包括下部傳動箱編號、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、打印報表、聯(lián)鎖列表、數(shù)據(jù)查詢。其中圖譜編輯是設(shè)置一個圖譜各工況順序及運行時間；數(shù)據(jù)查詢是調(diào)用MYSQL Sever數(shù)據(jù)庫，可以生成、導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)，便于查看、打印或拷貝。

(3) 試驗參數(shù)監(jiān)測顯示運行參數(shù)實時變化，包括運行時間、圖譜數(shù)、工況點以及試驗臺各傳感器、設(shè)備運行參數(shù)。同時顯示報警信息，當(dāng)運行參數(shù)超出報警值設(shè)定時，相應(yīng)的報警信息將顯示在報警列表中，便于運行人員及時研判。

(4) 試驗控制包括起動、停止、暫停試驗按鈕選擇，以及手動控制下部傳動箱空載運行。

3 應(yīng)用及驗證

為了驗證下部傳動箱耐久性試驗臺測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測試精度，進行下部傳動箱耐久性試驗。

經(jīng)試驗運行獲取的各工況轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)如圖4所示。與試驗要求的標(biāo)準(zhǔn)圖譜各工況對應(yīng)的主變頻電機轉(zhuǎn)速、1#和2#電渦流測功器功率數(shù)據(jù)對比，如表1所示。其中最大偏差是指實際數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值差值的絕對值最大時實際數(shù)值大小。各工況中主變頻電機轉(zhuǎn)速最大偏差度為0.11%，兩臺測功器功率最大偏差度分別為1.72%、0.75%，均在試驗允許范圍內(nèi)。驗證說明了該測試系統(tǒng)能滿足燃?xì)廨啓C下部傳動箱耐久性試驗。

(a) 主變頻電機轉(zhuǎn)速隨時間變化

表1 標(biāo)準(zhǔn)-實際工況偏差分析

4 結(jié)論

為實現(xiàn)燃?xì)廨啓C下部傳動箱單部件耐久性試驗，設(shè)計、應(yīng)用、驗證了一套自動化程度高，可克服手動無法同時加載兩側(cè)負(fù)載，且節(jié)約人力資源的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于PLC和LabView實現(xiàn)的，具有人機交互性強、測試精度高、實時監(jiān)控試驗臺及數(shù)據(jù)調(diào)取功能。目前該系統(tǒng)已累計完成約2 000 h運行，進一步證明了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足試驗任務(wù)需求。