多工段多工位泵試驗(yàn)臺(tái)控制方案設(shè)計(jì)

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(北京航天動(dòng)力研究所 流體與旋轉(zhuǎn)機(jī)械事業(yè)部，北京 100076)

多工段多工位泵試驗(yàn)臺(tái)控制方案設(shè)計(jì)

江海蛟,常明偉，袁志林

(北京航天動(dòng)力研究所流體與旋轉(zhuǎn)機(jī)械事業(yè)部，北京100076)

為了準(zhǔn)確測(cè)量、改進(jìn)泵的各項(xiàng)水力性能并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行記錄，需要一個(gè)可靠運(yùn)行、試驗(yàn)精度高的泵試驗(yàn)臺(tái)；針對(duì)上述目標(biāo)，介紹了正在建設(shè)中的多工段多工位泵試驗(yàn)臺(tái)控制方案中4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、主動(dòng)力裝置(變頻器)的控制設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)；在這4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)上均提出了幾種可供選擇的方案并最終根據(jù)項(xiàng)目要求和工程經(jīng)驗(yàn)做出了選擇；同時(shí)這些設(shè)計(jì)充分應(yīng)用了目前比較先進(jìn)的數(shù)字化傳輸控制技術(shù)、環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)、光纖隔離技術(shù)及其它穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)的技術(shù)，這對(duì)泵試驗(yàn)臺(tái)的連續(xù)可靠運(yùn)行和穩(wěn)定可靠的獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵；這些經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較選用的方案具有很高的可靠性、獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性、操作的簡(jiǎn)便性和良好的經(jīng)濟(jì)性。

控制系統(tǒng)；抗干擾；數(shù)據(jù)采集

0 引言

泵試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是對(duì)設(shè)計(jì)制造出來(lái)的泵進(jìn)行試驗(yàn)，準(zhǔn)確的測(cè)試出泵的各項(xiàng)水力性能，并將試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。泵試驗(yàn)臺(tái)能否平穩(wěn)可靠的運(yùn)行，能否準(zhǔn)確的測(cè)量到各種所需的數(shù)值，操作是否簡(jiǎn)單方便，直接關(guān)系著泵性能的準(zhǔn)確獲取和提升改進(jìn)，關(guān)系著泵試驗(yàn)出廠的進(jìn)度，正在建造中的北京亦莊泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)項(xiàng)目在面臨這些問(wèn)題時(shí)在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仔細(xì)的方案選擇，本文主要是從北京亦莊泵試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、對(duì)主動(dòng)力裝置(變頻器)的控制設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)4個(gè)方面來(lái)闡述控制方案的。

1 工藝流程概述

泵的水力試驗(yàn)分為閉式試驗(yàn)和開(kāi)式試驗(yàn)兩種，通常小功率、小流量泵進(jìn)行閉式試驗(yàn)，即試驗(yàn)泵從一個(gè)水罐(容量十五個(gè)立方米)里抽水，然后又回到這個(gè)水罐里，在這個(gè)過(guò)程中，測(cè)量泵前后的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)來(lái)得到泵的水力性能；大功率、大流量泵通常進(jìn)行開(kāi)式試驗(yàn)，即用注水泵從蓄水池(容量五百立方米)里抽水到水罐里，試驗(yàn)泵從水罐里抽水，然后回到蓄水池里，同樣在這個(gè)過(guò)程中測(cè)量泵前后的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)來(lái)分析泵的各項(xiàng)水力性能。

完成一個(gè)完整試驗(yàn)流程的試驗(yàn)臺(tái)部分被稱為一個(gè)工段，需要設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)包括3個(gè)這樣的工段，每個(gè)工段又有多個(gè)工位，即有多條水力試驗(yàn)管道和多個(gè)水泵安裝接口，以滿足各種不同類型水泵的試驗(yàn)。

這3個(gè)工段基本上相互獨(dú)立，只是在諸如空氣壓縮機(jī)、冷卻泵、蓄水池、大氣壓力信號(hào)等一些基礎(chǔ)設(shè)施上有一些交叉共用的地方。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)臺(tái)的每個(gè)工段流程中，需要測(cè)量的物理量包括流體溫度、壓力、流量、水罐液位、泵轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出扭矩、大氣壓力等；需要控制的輔助動(dòng)力設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、注水泵、冷卻泵、引射泵(真空泵)、各種閥門(mén)、各種風(fēng)機(jī)、各種加熱帶、各種輔助油泵等；需要控制的主動(dòng)力裝置(拖動(dòng)試驗(yàn)泵電機(jī))包括兩臺(tái)高壓變頻器和五臺(tái)低壓變頻器。統(tǒng)計(jì)下來(lái)，每個(gè)工段的控制點(diǎn)數(shù)需要的機(jī)架數(shù)均是3～4個(gè)(西門(mén)子S7-300PLC)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的基本原則是可靠性高、故障風(fēng)險(xiǎn)分散、運(yùn)行速度快、經(jīng)濟(jì)性好。

下面所闡述的3個(gè)方案，盡管最終選擇了第三個(gè)方案，但是其他兩個(gè)方案也可以正常工作使用，滿足使用要求，只是在遵循基本的設(shè)計(jì)原則時(shí)側(cè)重點(diǎn)不同而已。

2.1 單S7-300CPU控制系統(tǒng)

西門(mén)子S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求，各種各樣的CPU模塊、通訊模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，所以用S7-300來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)控制系統(tǒng)是合適的。

由于S7-300通常只有一個(gè)中央機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER)，放不下控制3個(gè)工段需要的模塊，所以需要組成SIMATIC DP分布式I/O，以求容納更多的模塊，這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 單S7-300CPU控制系統(tǒng)

圖中沒(méi)有顯示PS電源模塊，通常每一個(gè)機(jī)架(包括擴(kuò)展機(jī)架)均需要配置一塊PS電源模塊；圖中的PROFIBUS-DP分布式遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展采用的是CPU集成的DP口，采用非CPU集成的DP通訊模塊(CP)也是可以的；圖中顯示的本地和遠(yuǎn)程的模塊雖然都是SM信號(hào)模塊，但是在這些位置放置通訊模塊(CP)和功能模塊(FM)也是可以的。

S7-300的集成DP接口能夠連接的遠(yuǎn)程分布式I/O從站達(dá)64個(gè)，這對(duì)放置控制3個(gè)工段所需要的模塊是足夠的了。

這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性特別好，因?yàn)镾7-300的各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的價(jià)格特別便宜(相對(duì)于S7-400)，在控制點(diǎn)位如此之多的情況下，經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)就特別突出。

但是這樣設(shè)計(jì)的可靠性一般，由于S7-300是為中小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，這樣的點(diǎn)位，對(duì)于S7-300來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)略微顯得龐大了一點(diǎn)，程序運(yùn)行循環(huán)周期會(huì)變長(zhǎng)一些，可靠性也略顯一般，并且只有一個(gè)CPU，故障風(fēng)險(xiǎn)也沒(méi)有分散，因?yàn)槲ㄒ坏囊粋€(gè)CPU一旦故障，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)3個(gè)工段就得停止運(yùn)行。

選擇高性能的CPU模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行速度，比如選擇CPU317-2PN/DP或者CPU319-3PN/DP。

2.2 S7-400H CPU+ET200M控制系統(tǒng)

在單S7-300 CPU控制系統(tǒng)方案中，最主要的薄弱環(huán)節(jié)是CPU，所以需要將關(guān)于CPU的設(shè)計(jì)更改，即將S7-300 CPU拿掉，代之以S7-400H CPU，但是S7-300價(jià)格低廉的I/O模塊需要保留，同時(shí)輔之以SIMATIC DP網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成S7-400H CPU+ET200M控制系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 S7-400H CPU+ET200M控制系統(tǒng)

圖2中的雙CPU就是S7-400H冗余系統(tǒng)，CPU模塊通常選用CPU414-4H或者CPU417-4H，放置在UR2H機(jī)架上，這個(gè)機(jī)架除了CPU模塊和電源外，不帶任何其他S7-400模塊，其所有的信號(hào)模塊均是遠(yuǎn)程的ET200M，這樣方便采用價(jià)格低廉的S7-300模塊。

S7-400系列集成的DP接口能夠連接的遠(yuǎn)程ET200M從站機(jī)架達(dá)123個(gè)，這足夠滿足使用的了。

這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的可靠性特別好，S7-400的可靠性本來(lái)就比S7-300的可靠性高，這里采用的又是S7-400H這種雙CPU的冗余配置，所以可靠性很高，并且由于同時(shí)擁有兩個(gè)CPU，最核心的CPU故障風(fēng)險(xiǎn)也是分散的。

這樣設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性比較一般，因?yàn)楸M管保留了價(jià)格低廉的S7-300的I/O模塊，但是S7-400H CPU非常昂貴，極大的提高了控制系統(tǒng)的成本。

2.3 多S7-300CPU+Profinet控制系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)有3個(gè)工段，并且相對(duì)都比較獨(dú)立，那么可以分別對(duì)每個(gè)工段用S7-300進(jìn)行控制，由于這些工段之間多多少少還要發(fā)生一些聯(lián)系，所以通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)將這些分散的控制系統(tǒng)聯(lián)接成一個(gè)整體，為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，還可以構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 多S7-300 CPU+Profinet控制系統(tǒng)

這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與前兩個(gè)相比，可靠性和故障風(fēng)險(xiǎn)分散性接近S7-400H CPU+ET200M控制系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性接近單S7-300CPU控制系統(tǒng)，只是在3個(gè)工段互相交流某些數(shù)據(jù)時(shí)，需要編寫(xiě)通訊程序段。

3 抗干擾設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，各種各樣的大大小小的電器在運(yùn)行，尤其是大功率變頻器的運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)的測(cè)量造成了嚴(yán)重的影響，在某些情況下，干擾信號(hào)甚至大到完全可以湮沒(méi)某些微小信號(hào)，所以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行良好的抗干擾設(shè)計(jì)是非常有必要的。

下面所闡述的幾種抗干擾的方法，要么是針對(duì)某一類特定干擾的，要么就是比較通用的一類方法，這些方法在設(shè)計(jì)中均有采用。

3.1 抗工頻干擾

工頻干擾主要是由使用工頻電源的、內(nèi)部不帶逆變電路的各種功率器件產(chǎn)生，功率越大，對(duì)外產(chǎn)生的干擾越大，這是現(xiàn)場(chǎng)最普遍常見(jiàn)的一種干擾。工頻干擾產(chǎn)生的干擾信號(hào)都是工頻頻率，并且通常是等幅波，這種干擾信號(hào)送到控制器后，可以通過(guò)20 ms積分時(shí)間的積分濾波方式很好的濾掉。

3.2 抗變頻器載波頻率干擾

試驗(yàn)臺(tái)配電間有兩臺(tái)10 kV高壓變頻器，最大功率分別達(dá)到4 000 kW和1 100 kW，另外還有五臺(tái)低壓變頻器，功率從355 kW到37 kW都有。

通常，變頻器的載波是頻率2 kHz到20 kHz的方波信號(hào)，這種高頻載波在線路中會(huì)造成高次諧波干擾，這種高次諧波很難采用諸如積分濾波、數(shù)字濾波方式濾掉。

如圖4，是交—直—交電壓型變頻器動(dòng)力回路示意圖。

圖4 交—直—交電壓型變頻器動(dòng)力回路示意圖

從圖上可以看出,由于逆變電路功率開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3、V4、V5、V6的高頻通斷，同時(shí)由于逆變電路前后電路部分與大地之間寄生分布電容C的存在，必然會(huì)產(chǎn)生經(jīng)由寄生分布電容C的干擾電流，這個(gè)干擾電流的大小為：

i=CXdU/dt

從這個(gè)公式可以看出，干擾電流的大小和寄生分布電容C的大小和電壓對(duì)時(shí)間的微分(dU/dt)有著直接的關(guān)系，這就是載波頻率產(chǎn)生干擾信號(hào)的根源之一。

同時(shí)，由于功率開(kāi)關(guān)管高頻通斷的存在，在某些具有電感特性的負(fù)載兩端，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干擾電壓，其大小為：

U=LXdi/dt

其中：L是電感的大小。

這也是載波頻率產(chǎn)生干擾信號(hào)的根源之一。

為了防止載波頻率產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)其他的器件產(chǎn)生影響，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)處理這種干擾。

通常在變頻器的進(jìn)線端安裝進(jìn)線電抗器和進(jìn)線濾波器，在變頻器的出線端安裝出線濾波器和出線電抗器，這種變頻器自帶的措施的基本思想是將高次干擾諧波信號(hào)盡量封閉在變頻器內(nèi)部而不往外輸出。

另外一個(gè)措施就是從干擾的傳播方式上考慮，載波頻率干擾與其他電磁干擾一樣，通常有3種傳播方式：①通過(guò)傳導(dǎo)導(dǎo)體(包括共用電源回路和共用接地)傳播的傳導(dǎo)干擾；②對(duì)靠近的信號(hào)線產(chǎn)生的感應(yīng)干擾；③變頻器本體和輸出側(cè)電纜如同無(wú)線發(fā)射天線一般產(chǎn)生的輻射干擾。

針對(duì)這3種傳播方式，有針對(duì)性的采取3種抗干擾措施：①控制器與變頻器之間采取光纖通訊控制，完全不發(fā)生電氣上的聯(lián)系，各自的接地也是完全獨(dú)立的；②各種信號(hào)線與變頻器及其輸出側(cè)電纜保持足夠遠(yuǎn)的距離并用接地橋架和接地電纜屏蔽層加以隔離；③變頻器的輸出側(cè)電纜采用銅帶屏蔽電纜，并且銅帶采用雙端接地，兩個(gè)接地點(diǎn)保持嚴(yán)格等地電位。

3.3 電纜屏蔽層的接地

在試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，為了防止電磁干擾，所有的電纜均帶有銅帶屏蔽層，這些屏蔽層能否正確的接地，很大程度上影響著信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以這里討論一下各種屏蔽接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況選用。

3.3.1 屏蔽層單端接地

屏蔽層單端接地是指將連接控制器和信號(hào)源的屏蔽電纜的屏蔽層在控制器或者信號(hào)源一端接地，另外一端懸空，其電路模型圖如圖5所示。

圖5 屏蔽層單端接地

假如屏蔽層沒(méi)有接地的話，在干擾導(dǎo)線1和信號(hào)導(dǎo)線2之間由于耦合電容C1(電線1和屏蔽層耦合)和C3(屏蔽層和電線2耦合)的存在，必然產(chǎn)生一個(gè)干擾電流，這個(gè)干擾電流的大小為：

i=(C1+C3)dU/dt

這個(gè)干擾電流在控制器的分壓電阻上產(chǎn)生一個(gè)干擾電壓U1，其大小為：

U1=iR=(C1+C3)RdU/dt

其中:耦合電容C1的大小和兩根電纜的布置方式(平行布置、交叉布置)和距離遠(yuǎn)近等因素相關(guān)。

假如屏蔽層可靠接地的話，那么導(dǎo)線1產(chǎn)生的干擾通路會(huì)直接短路至地，其對(duì)控制器分壓電阻上的干擾電壓就能很好的消除掉。

屏蔽層單端接地方式適合電纜不太長(zhǎng)、干擾頻率不太高、對(duì)地放電電流不太大的情況。

3.3.2 屏蔽層雙端接地

屏蔽層雙端接地是指將連接控制器和信號(hào)源的屏蔽電纜的屏蔽層在控制器和信號(hào)源兩端均接地，由于兩端地電位的差異，通常會(huì)在屏蔽層內(nèi)產(chǎn)生接地電流，這個(gè)接地電流會(huì)在電纜內(nèi)的信號(hào)導(dǎo)線上耦合出共模干擾電壓。

但是雙端接地能夠很好的抑制屏蔽層單端接地時(shí)高頻干擾在非接地端產(chǎn)生的暫態(tài)電壓干擾和諸如雷電一類的大電流入地時(shí)產(chǎn)生的地電位升高并且劇烈波動(dòng)的干擾。

3.3.3 總屏雙端接地、分屏單端接地

有一種屏蔽電纜帶有總屏蔽層和分屏蔽層，并且總屏和各分屏蔽層之間是絕緣的，這種電纜通常采用總屏蔽層雙端接地和分屏單端接地的方式，這種方式能夠很好的將電纜中的信號(hào)傳輸導(dǎo)線包裹在一個(gè)理想的法拉第籠中，基本上不受外部干擾的影響。

4 對(duì)主動(dòng)力裝置(變頻器)的控制設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)所有試驗(yàn)泵的電機(jī)均由兩臺(tái)高壓變頻器和五臺(tái)低壓變頻器拖動(dòng)，這七臺(tái)變頻器能夠拖動(dòng)的電機(jī)電壓有10 kV、6 kV及380 V三個(gè)等級(jí)，功率覆蓋從4000 kW到37 kW(變頻器額定功率37 kW，在保證矢量控制功能不失效的情況下能夠拖動(dòng)的電機(jī)功率可以小至變頻器功率的1/4，如果僅僅保證對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能不失效則能夠拖動(dòng)的電機(jī)功率可以小至變頻器功率的1/8)，控制器對(duì)這七臺(tái)變頻器的控制主要是控制變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、故障復(fù)位、電機(jī)調(diào)速、電機(jī)保護(hù)等功能，同時(shí)還需要盡可能多的監(jiān)視變頻器的各種狀態(tài)，包括輸入功率、輸出功率、輸出頻率、輸出電壓、輸出電流等各項(xiàng)狀態(tài)。

下面所闡述的兩種方法，在設(shè)計(jì)中實(shí)際上采用了第二種方法，即數(shù)字化的控制方法。

4.1 開(kāi)關(guān)量、模擬量控制

利用開(kāi)關(guān)量、模擬量來(lái)控制變頻器，是一種很通用的做法，其基本接線圖6所示。

圖6 變頻器開(kāi)關(guān)量、模擬量控制

這種方法利用兩個(gè)干節(jié)點(diǎn)(干節(jié)點(diǎn)的通斷由控制器來(lái)控制)來(lái)控制變頻器的正反轉(zhuǎn)，利用4～20 mA的電流輸入或者0～10 V的電壓輸入來(lái)設(shè)定變頻器的輸出頻率，如果要監(jiān)視變頻器某個(gè)連續(xù)量或者某個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，可以利用變頻器的模擬量輸出或者開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用這種控制方法，需要輔助以變頻器操作面板上的操作，通過(guò)面板上的操作，將包括拖動(dòng)的電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入到變頻器中。

由于采取模擬量和開(kāi)關(guān)量的方式對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控，而模擬量和開(kāi)關(guān)量的通道數(shù)量有限，所以這種方法只能對(duì)變頻器有限的狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)控。

這種方法特別適合變頻器拖動(dòng)的電機(jī)不發(fā)生變化的情況。

由于模擬量變頻調(diào)速和模擬量輸出的存在，這種方法通常沒(méi)有實(shí)現(xiàn)變頻器和控制器的電氣隔離，如果要實(shí)現(xiàn)變頻器和控制器之間的電氣隔離，可以通過(guò)加裝電隔離器的方法，這樣可以阻斷變頻器對(duì)控制器的傳導(dǎo)干擾通路。

4.2 數(shù)字化通訊控制

數(shù)字化通訊控制是利用控制器和變頻器上的通訊接口，采用某種通訊協(xié)議，在控制器和變頻器之間建立通訊連接，控制器發(fā)出的各種命令和變頻器反饋的各種狀態(tài)信號(hào)均在這條線路上傳輸，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 變頻器數(shù)字化控制

通過(guò)數(shù)字化通訊控制，控制器可以獲取對(duì)變頻器的完全控制權(quán)，這樣就可以在與控制器關(guān)聯(lián)的上位機(jī)組態(tài)軟件上編制人機(jī)交互界面良好、操作簡(jiǎn)單的操作界面，可以免除在操作面板上進(jìn)行的任何操作，并且能對(duì)變頻器進(jìn)行全面的監(jiān)視。

傳輸數(shù)字化命令和狀態(tài)的介質(zhì)采用光纖，光纖將變頻電路與非變頻電路進(jìn)行了電氣上的完全隔離，能夠完全阻斷變頻器載波頻率對(duì)控制器及其他器件的傳導(dǎo)干擾，這對(duì)控制器精確的獲取現(xiàn)場(chǎng)各種測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)是非常有利的。

4.2.1 對(duì)高壓變頻器的控制

對(duì)于兩臺(tái)高壓變頻器，控制器只需與之進(jìn)行周期性通訊即可，即變頻器提供給控制器組態(tài)好的GSD(或者GSE)文件，通過(guò)這個(gè)組態(tài)文件，控制器可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制和監(jiān)視。

通過(guò)周期性通訊，控制器可以向變頻器發(fā)送下列命令字：電機(jī)額定功率，額定電流，額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、故障復(fù)位，頻率設(shè)定。

通過(guò)周期性通訊，變頻器可以向控制器反饋下列狀態(tài)字：電機(jī)額定功率，電機(jī)額定電流，電機(jī)額定電壓，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，狀態(tài)位(變頻器的各種狀態(tài)，包括而不僅限于過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、接地故障、過(guò)載、超轉(zhuǎn)速、短路、失磁、超溫、缺相等超限報(bào)警、保護(hù)功能)，輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，輸出功率，輸出功率因數(shù)，輸出扭矩，輸出轉(zhuǎn)速，輸入功率。

通過(guò)周期性通訊，控制器能夠完全獲取對(duì)高壓變頻器的控制權(quán)。

4.2.2 對(duì)低壓變頻器的控制

對(duì)低壓變頻器的控制，不僅要采用GSD周期性通訊，同時(shí)還要采用問(wèn)答式的非周期性通訊。

通過(guò)周期性通訊，控制器能夠?qū)ψ冾l器進(jìn)行頻率的設(shè)定和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、故障復(fù)位功能。

通過(guò)周期性通訊，變頻器能夠?qū)㈩A(yù)先設(shè)定的十六種狀態(tài)反饋給控制器，同時(shí)還能將變頻器輸出頻率、輸出功率、輸出電流、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出電壓反饋給控制器，但是后面5種狀態(tài)信號(hào)的基準(zhǔn)，需要通過(guò)非周期性通訊方式獲得。

由于不能將拖動(dòng)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以周期性通訊方式輸入變頻器，同時(shí)也不能獲取變頻器其他方面的參數(shù)，所以必須同時(shí)采取非周期性通訊方式控制器才能獲取對(duì)變頻器的完全控制權(quán)。

在非周期性通訊中，控制器對(duì)變頻器發(fā)出請(qǐng)求參考時(shí)，請(qǐng)求命令的數(shù)據(jù)塊格式如表1 所示。

如果請(qǐng)求命令是請(qǐng)求讀取變頻器的內(nèi)存參數(shù)，那么上述數(shù)據(jù)塊格式中“第1個(gè)參數(shù)值”及以后的內(nèi)容就沒(méi)有了，因?yàn)槟鞘菍?xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)才需要的參數(shù)。

表1 請(qǐng)求命令數(shù)據(jù)塊格式

請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)命令發(fā)出后，變頻器會(huì)作出相應(yīng)響應(yīng)，控制器就會(huì)接到變頻器的應(yīng)答，應(yīng)答的數(shù)據(jù)塊格式表2所示。

表2 應(yīng)答數(shù)據(jù)塊格式

如果請(qǐng)求命令是請(qǐng)求在變頻器的某些內(nèi)存位置寫(xiě)入相應(yīng)數(shù)據(jù)，那么請(qǐng)求命令數(shù)據(jù)塊就包含“第1個(gè)參數(shù)值”及以后的內(nèi)容。

不過(guò)寫(xiě)入數(shù)據(jù)后變頻器沒(méi)有反饋，要確認(rèn)一下數(shù)據(jù)有沒(méi)有正確的寫(xiě)入，通常控制器還是需要再發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令，即將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)觀察一下看是否正確。

有的時(shí)候發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并不能寫(xiě)入，這并不是控制器寫(xiě)入命令出了問(wèn)題，而是變頻器內(nèi)部參數(shù)寫(xiě)入有一定的規(guī)則，這是需要注意的地方。

5 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

泵試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種過(guò)程數(shù)據(jù)表明了試驗(yàn)泵的各種性能，這些過(guò)程數(shù)據(jù)需要被記錄下來(lái)。采集記錄這些數(shù)據(jù)的方法有很多，比如通常的組態(tài)軟件自帶的數(shù)據(jù)歸檔功能就是一種非常好的方法，這里講述的是另外的兩種方法，這兩種方法均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄的功能，最終經(jīng)過(guò)比較，設(shè)計(jì)中選用的是第二種方法。

5.1 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集

利用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是一個(gè)通常的做法。數(shù)據(jù)采集器通常由PCI數(shù)據(jù)采集板卡和信號(hào)調(diào)理箱構(gòu)成，各種變送器信號(hào)先送到信號(hào)調(diào)理箱，然后通過(guò)PCI數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)入到上位機(jī)，然后數(shù)據(jù)采集軟件(這里采用VB)通過(guò)控件讀取這個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)入到VB軟件后，就可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和記錄了。

由于數(shù)據(jù)采集器和控制器的同時(shí)存在，所以各種變送器送來(lái)的模擬量需要同時(shí)進(jìn)入這兩個(gè)器件。這里有兩個(gè)方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，其一是一分為二的方法，即用電隔離器將一個(gè)信號(hào)分成兩個(gè)信號(hào)，然后分別送往采集器和控制器；另外一個(gè)辦法是串接法，即將采集器和控制器的采樣電阻串聯(lián)起來(lái)，信號(hào)(電流信號(hào))依次流過(guò)這兩個(gè)器件。

在有控制器的地方采用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，即同一個(gè)模擬量分別在控制器和數(shù)據(jù)采集器中的A/D中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，兩個(gè)器件里得到的數(shù)據(jù)通常會(huì)產(chǎn)生輕微的差異，這里說(shuō)的還是采樣電流完全一致的串接法，如果是一分為二法，由于電隔離器轉(zhuǎn)換誤差的存在，數(shù)據(jù)差異會(huì)更大一些。

數(shù)據(jù)采集器能夠進(jìn)行高速的采集，不過(guò)這需要外圍的感應(yīng)器件能夠高速動(dòng)態(tài)的刷新模擬量輸出，如果不特別提出，現(xiàn)在各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常所配置的溫度變送器、壓力變送器、電磁流量計(jì)等器件的模擬量輸出都不是高頻刷新輸出，其每秒刷新的次數(shù)通常不到20次。

5.2 數(shù)字化通訊數(shù)據(jù)采集

控制現(xiàn)場(chǎng)的控制器，已經(jīng)對(duì)各種變送器信號(hào)進(jìn)行了A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好的過(guò)程數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在控制器中的內(nèi)存中，這個(gè)時(shí)候數(shù)據(jù)采集軟件(這里用的是VB)需要獲取這個(gè)數(shù)據(jù)，可以采取數(shù)字化通訊的辦法。

在這種數(shù)字化通訊數(shù)據(jù)采集的方法里，首先，控制器端需要利用Open Communication Wizard建立內(nèi)容包括TCP native連接類型、組態(tài)通訊伙伴、連接ID、連接名稱、連接界面、連接端口在內(nèi)的數(shù)據(jù)類型，然后調(diào)用系統(tǒng)功能塊FB65(西門(mén)子S7-300)利用這個(gè)數(shù)據(jù)類型建立一個(gè)開(kāi)放式的以太網(wǎng)通訊連接，然后再調(diào)用系統(tǒng)功能塊FB63將存放相應(yīng)數(shù)據(jù)塊里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

在數(shù)據(jù)采集端，VB軟件需要調(diào)用DataArrival這個(gè)方法來(lái)獲取控制器端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，其程序段代碼如下：

Private Sub Winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long)

Dim bb() As Byte

ReDim bb(bytesTotal - 1) As Byte

Winsock1.GetData bb

End Sub

這些數(shù)據(jù)進(jìn)入到VB軟件后，就可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和記錄了。

在這種數(shù)據(jù)采集方法里，控制器和采集軟件里的數(shù)據(jù)是完全一致的，控制器與采集軟件最多可以建立八個(gè)連接，使得八套采集軟件能夠同時(shí)采集，構(gòu)成一個(gè)采集冗余系統(tǒng)。

這種數(shù)據(jù)采集方法，舍棄了價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集器這個(gè)硬件，只是利用了已有的以太網(wǎng)絡(luò)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

這種采集方法，通常只能進(jìn)行比較低速的采集，速率無(wú)法提高的原因主要有3個(gè)：①PLC循環(huán)周期的問(wèn)題，PLC循環(huán)周期比較長(zhǎng)，通常達(dá)十幾毫秒，所以采集一次的時(shí)間間隔最短也需要十幾毫秒；②模擬量A/D轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，為了濾去工頻干擾，模擬量A/D轉(zhuǎn)換通常采用20 ms的積分時(shí)間，這意味著模擬量只能20 ms刷新一次，短于這個(gè)時(shí)間間隔的模擬量A/D轉(zhuǎn)換實(shí)際上沒(méi)有更新；③數(shù)據(jù)傳輸時(shí)緩存限制的問(wèn)題，S7-300PLC的開(kāi)放式以太網(wǎng)通訊支持的最大通訊速率是64ms時(shí)間內(nèi)傳輸1460個(gè)字節(jié)，短于這個(gè)時(shí)間或者大于這個(gè)字節(jié)數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，這意味著假如進(jìn)行高速采集，海量的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行有效的傳輸。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了多工段多工位泵試驗(yàn)臺(tái)控制方案中的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、抗干擾的設(shè)計(jì)、主動(dòng)力裝置(變頻器)的控制設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)這4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，這些經(jīng)過(guò)比較和選擇最終確定的設(shè)計(jì)方案，充分考慮到了大型泵試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中所要求的控制系統(tǒng)的可靠性、獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性、操作的簡(jiǎn)便性和良好的經(jīng)濟(jì)性。

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ControlDesignSchemeforMulti-workSectionandMulti-workStationTestBenchofPump

Jiang Haijiao, Chang Mingwei, Yuan Zhilin

(Liquid and Rotating Machinery Department,Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076,China)

A pump test bench which runs reliably and has a higher test accuracy is needed in order to measure exactly and improve the hydraulic performance of pump and record correlative test parameters. For the above mentioned aim, four key points are introduced about control scheme of multi-work section and multi-work station test bench of pump that is being constructed,included control system design、anti-jamming design、control design for main drive device(transducer) and data acquirement design. Several possible selections are provided and decision is made finally according to item requirement and project experience in the every key design.In the same time, much more advanced digital transmission control technology, ring network redundancy technology, fiber isolation technology and other data acquisition technology at present are applied, which can make the test bench of pump running reliably and continuously and acquiring test data stably and reliably.These designs that are compared and selected carefully possess advantage of high reliability、veracity and coherence of data acquirement、operation convenience and low invest cost.

control system; anti-jamming; data acquirement

2017-03-29；

2017-05-15。

江海蛟(1982-)，男，湖北人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事高速泵、破渣機(jī)、泵試驗(yàn)臺(tái)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

1671-4598(2017)11-0068-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.018

TP3

A