基于 WINCC6.0和STEP7的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉朝勇

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 201210)

0 引言

用于模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)臺(tái)的直流調(diào)速系統(tǒng)[1]的穩(wěn)定性、可靠性、調(diào)速精度和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)直接決定了民用飛機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果。按照民用飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)要求，拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速范圍段應(yīng)分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段和恒功率調(diào)速段。拖動(dòng)臺(tái)起動(dòng)應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段進(jìn)行，試驗(yàn)運(yùn)行應(yīng)在恒功率調(diào)速段進(jìn)行。

基于西門子公司的 WINCC6.0(Windows Control Center 6.0)和STEP7軟件針對(duì)民用飛機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)拖動(dòng)臺(tái)建構(gòu)了安全可靠，快速響應(yīng)、高調(diào)速精度并具有保護(hù)功能的直流調(diào)速系統(tǒng)。該直流調(diào)速系統(tǒng)的成功研制，為民用飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和適航取證提供了有力保障。

1 硬件組成

按試驗(yàn)需求，擬搭建的拖動(dòng)系統(tǒng)主要由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的拖動(dòng)臺(tái)、西門子SIMOREG 6RA70直流數(shù)字調(diào)速裝置、操控計(jì)算機(jī)和西門子 S7－300型可編程控制器(PLC)等硬件組成，如圖1所示。

圖1 拖動(dòng)系統(tǒng)框圖

其中，S7－300型 PLC采用CPU－313C－2 DP型CPU，該型CPU支持PROFIBUS－DP總線技術(shù)。該鏈路采用混合介質(zhì)存取方式，主站間按令牌環(huán)方式，主站和從站間按主從工作方式，按模塊化結(jié)構(gòu)配置所需模塊，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行控制[2]。本文采用西門子公司 WINCC6.0和STEP7軟件對(duì)4個(gè)功能相似、結(jié)構(gòu)相似的拖動(dòng)臺(tái)(左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)、右發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)、輔助發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái))的拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)分析

基于WINCC6.0和STEP7的直流調(diào)速系統(tǒng)核心功能為拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為保證調(diào)速的穩(wěn)定性和可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的人機(jī)交互功能和必要的保護(hù)功能。

2.1 調(diào)速原理

按電機(jī)學(xué)原理可知，電力拖動(dòng)由電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)所提供的轉(zhuǎn)矩來完成拖動(dòng)。

如圖2所示，忽略溫度、電樞電流的去磁作用等次要因素的影響，可以得出:

圖2 直流并激電動(dòng)機(jī)原理接線圖

式中，M為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;CE，CM分別為電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù);R為電樞電路的總電阻，包括電樞的內(nèi)電阻R樞和外加電阻 R外;Ф是電動(dòng)機(jī)的磁通。

結(jié)合式(1)、(2)和(3)，可以得到:

其中，式(4)為調(diào)壓調(diào)制(恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速)原理，式(5)對(duì)應(yīng)為調(diào)磁調(diào)制(恒功率調(diào)速)原理。

本文中，左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)、右發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)和輔助發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速在0 r/min～4 000 r/min范圍內(nèi)均采用調(diào)壓調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩輸出，為保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，最大加速度限定為250 r/min/s;輸出轉(zhuǎn)速在4 000 r/min～12 800 r/min范圍內(nèi)均采用調(diào)磁調(diào)速，為恒功率輸出;在12 800 r/min～14 400 r/min范圍內(nèi)功率線性下降，在4 000 r/min～14 400 r/min范圍內(nèi)，加速度在0 r/min/s～1 100 r/min/s范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速在0 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)采用調(diào)壓調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩輸出，為保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最大加速度限定為250 r/min/s;在3 750 r/min～11 250 r/min范圍內(nèi)采用調(diào)磁調(diào)速，為恒功率輸出，加速度在0 r/min/s～1 100 r/min/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

為了保證調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)速系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)和電流外環(huán)的雙閉環(huán)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速校正。

2.2 軟件功能劃分及模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)WINCC6.0和STEP7編程要求，本文將拖動(dòng)臺(tái)從起動(dòng)準(zhǔn)備到試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束的整個(gè)過程分解為系統(tǒng)選擇、系統(tǒng)準(zhǔn)備、參數(shù)設(shè)定、拖動(dòng)狀態(tài)、登錄、故障報(bào)警、幫助、報(bào)表及退出等9項(xiàng)功能，每項(xiàng)功能作為一個(gè)工作區(qū)域并分頁顯示。

其中，系統(tǒng)選擇頁用于按試驗(yàn)需求選擇需要運(yùn)行的拖動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，最大可以支持4臺(tái)拖動(dòng)臺(tái)同時(shí)運(yùn)行;系統(tǒng)準(zhǔn)備頁用于對(duì)已選定拖動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行起動(dòng)準(zhǔn)備或停車準(zhǔn)備操作;參數(shù)設(shè)定頁用于對(duì)選定拖動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作后的運(yùn)行加速度和轉(zhuǎn)速設(shè)置或者停車前的運(yùn)行加速度和轉(zhuǎn)速清零;拖動(dòng)狀態(tài)頁用于顯示被選定的拖動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(溫度、潤滑油壓力、流量等)，使操作者能及時(shí)掌握拖動(dòng)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài);為保護(hù)設(shè)備，登錄頁采用分級(jí)權(quán)限設(shè)置，管理權(quán)限者可以對(duì)參數(shù)設(shè)定頁中的加速度給定限制和轉(zhuǎn)速給定限制項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，用戶權(quán)限只可以設(shè)置給定的加速度和轉(zhuǎn)速;故障報(bào)警頁用于系統(tǒng)保護(hù)及排故使用;幫助頁用于指導(dǎo)操作;報(bào)表頁用于輸出選定的拖動(dòng)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)記錄;退出頁用于退出調(diào)速控制系統(tǒng)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

調(diào)速系統(tǒng)軟件主要由操作界面和功能實(shí)現(xiàn)組成。操作界面由WINCC6.0實(shí)現(xiàn)，功能實(shí)現(xiàn)則采用西門子的STEP7軟件完成。

其中，STEP7支持梯形邏輯圖(Ladder Logic)、語句表(Statement List)和功能塊圖(Function Block Diagram)等編程語言。WINCC6.0軟件是微軟公司專門為西門子公司開發(fā)的一個(gè)開放的過程可視化系統(tǒng)，用戶可以靈活調(diào)用STEP7資源(包括參數(shù)列表和功能模塊)、快捷編輯操作界面、輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息管理功能。

3.1 操作界面

根據(jù)試驗(yàn)需求，采用WINCC6.0軟件編制了電源系統(tǒng)試驗(yàn)拖動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)操作界面。在分頁的基礎(chǔ)上，將第2.2節(jié)劃分的9項(xiàng)功能分別設(shè)計(jì)成9個(gè)頁面。每個(gè)頁面，除了具有必要的操作功能，還具有運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控顯示功能。

左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)和右發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)同時(shí)工作條件下系統(tǒng)準(zhǔn)備和故障報(bào)警等頁面分別如圖3和圖4所示。其中，圖4采用不同顏色的狀態(tài)指示燈進(jìn)行標(biāo)示，紅燈標(biāo)示故障狀態(tài)，白燈標(biāo)示正常狀態(tài)。如左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，則圖4中左拖動(dòng)臺(tái)和調(diào)速裝置交匯處的指示燈亮為紅色;如無故障則對(duì)應(yīng)的指示燈亮為白色。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

拖動(dòng)臺(tái)按給定轉(zhuǎn)速要求起動(dòng)和停止功能分別按以下步驟實(shí)現(xiàn):

(1)拖動(dòng)臺(tái)按給定的轉(zhuǎn)速起動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)如下:

Step1:在系統(tǒng)選擇頁面中選擇需要工作的拖動(dòng)臺(tái);

Step2:在系統(tǒng)準(zhǔn)備頁中依次閉合油泵啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)勵(lì)磁合和主接觸器合按鈕;

Step3:在參數(shù)設(shè)定頁面中按要求設(shè)定起動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)速參數(shù)，如需要修改加速度給定限制值或者轉(zhuǎn)速給定限定值，需先在登錄頁面后再在參數(shù)設(shè)定頁面中進(jìn)行設(shè)置;

Step4:觀測(cè)拖動(dòng)狀態(tài)頁面中參數(shù)顯示并觀察運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)以監(jiān)控拖動(dòng)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)直至運(yùn)行結(jié)束。

在Step1至Step4中，一旦出現(xiàn)異常將觸發(fā)拖動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)功能，緊急停車并在故障報(bào)警頁面中標(biāo)記故障狀態(tài)。直到確認(rèn)發(fā)生的故障完全清除后，方可重新起動(dòng)拖動(dòng)臺(tái)。

(2)拖動(dòng)臺(tái)停車功能實(shí)現(xiàn)如下:

Step1:經(jīng)確認(rèn)正常運(yùn)行結(jié)束后，在參數(shù)設(shè)定頁面中將轉(zhuǎn)速參數(shù)清零;

Step2:如有需求，在報(bào)表頁中按要求輸出數(shù)據(jù)報(bào)表;如無需求，進(jìn)入Step3;

Step3:在系統(tǒng)準(zhǔn)備頁中依次斷開主接觸器分、風(fēng)機(jī)勵(lì)磁分和油泵停止按鈕;

Step4:在退出頁退出系統(tǒng)，完成停車。

根據(jù)使用需求，本文分別采用了STEP7的3種編程語言，編制了200多個(gè)功能模塊，現(xiàn)實(shí)了拖動(dòng)臺(tái)起動(dòng)/停止整個(gè)過程中的全部動(dòng)作邏輯和保護(hù)功能。

4 運(yùn)行實(shí)例

為滿足試驗(yàn)需求，左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)定義了表1所示的輸出轉(zhuǎn)速范圍、過渡期轉(zhuǎn)速變化量、穩(wěn)態(tài)速度偏差以及恢復(fù)精度等參數(shù)指標(biāo)。

表1 左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速參數(shù)指標(biāo)

為驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性以及軟件的可操作性，本文在拖動(dòng)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速為4 700 r/min、5 200 r/min和8 000 r/min狀態(tài)下對(duì)左拖動(dòng)臺(tái)進(jìn)行空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，運(yùn)行加速度為200 r/min/s，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2左拖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)所示。

表2 左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)

同時(shí)，為考核調(diào)速系統(tǒng)的瞬態(tài)特性，對(duì)左拖動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了變加速變速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速均按0 r/min～4 000 r/min～12 000 r/min～4 000 r/min～0 r/min變化，對(duì)應(yīng)加速度為200 r/min/s～600 r/min/s～1 100 r/min/s～250 r/min/s，得到的轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖5 左拖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖5可以看出，左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)的過渡期轉(zhuǎn)速變化量為159 r/min，小于表1規(guī)定的200 r/min，速度調(diào)節(jié)精度為7 r/min，小于表1規(guī)定的7.2 r/min。

運(yùn)行中，為驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)功能，通過斷開左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)齒輪箱冷卻油壓檢測(cè)傳感器信號(hào)的方式人為設(shè)置了左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)齒輪箱冷卻欠油壓故障，左發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)立刻停車，并在圖4的左拖動(dòng)臺(tái)和齒輪箱冷卻欠油壓交匯處亮紅燈標(biāo)記了故障狀態(tài)，系統(tǒng)保護(hù)功能正常。

5 結(jié)束語

上述的運(yùn)行驗(yàn)證表明，本文實(shí)現(xiàn)的拖動(dòng)臺(tái)直流調(diào)速系統(tǒng)不僅能滿足輸出轉(zhuǎn)速范圍、過渡期轉(zhuǎn)速變化量、穩(wěn)態(tài)速度偏差以及恢復(fù)精度等參數(shù)指標(biāo)要求，而且還具有可靠的狀態(tài)監(jiān)控顯示功能、保護(hù)功能以及良好的人機(jī)界面功能。

基于WINCC6.0和STEP7的直流調(diào)速系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)，不僅有力的保障了民用飛機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)的動(dòng)力源，而且積累了寶貴的民用飛機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備研制經(jīng)驗(yàn)，提升了國內(nèi)民用飛機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

[1]丁元杰.中小型直流電機(jī)可控硅調(diào)速[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1982:11－26.

[2]廖常初.S7－300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:44－68.