FAST促動器性能測試在線監(jiān)測系統(tǒng)*

孫 曉，王啟明，吳明長

（中國科學院國家天文臺，北京 100012）

FAST促動器性能測試在線監(jiān)測系統(tǒng)*

孫 曉，王啟明，吳明長

（中國科學院國家天文臺，北京 100012）

根據(jù)FAST主動反射面需求評估了對促動器性能的要求，依促動器評估參數(shù)需求設計了針對電流、功率、溫度、負載、位移、限位信號的監(jiān)測系統(tǒng)，確定各監(jiān)測信號傳感器選型，完成監(jiān)測系統(tǒng)的組裝制作，并將其應用于實驗，實現(xiàn)促動器的在線監(jiān)測功能以及促動器無人值守實驗，針對以往促動器實驗時人工巡檢故障的離線監(jiān)測有很大改進，在精度以及歷史信息記錄上都有質的提高，進行了長期的促動器調試與監(jiān)測。

FAST；射電望遠鏡；促動器；在線監(jiān)測；傳感器；系統(tǒng)設計

500m口徑大型射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，F(xiàn)AST）［1-2］主動反射面地處貴州省南部的卡斯特洼地中，該地雨水較多，洼地內常年濕度較大，主動反射面主體支撐結構是約7 000根主索按照短程線型網(wǎng)格方式編織而成索網(wǎng)結構。其結構索網(wǎng)模型軸視如圖1。主動反射面的變形是由與索網(wǎng)節(jié)點通過下拉索相連接的促動器實現(xiàn)的，如圖2。

圖1 FAST主動反射面索網(wǎng)支撐結構軸視圖Fig.1 Axis view of the support structure of the adaptive reflectors of the FAST

圖2 FAST主動反射面各部件連接示意圖Fig.2 Illustration of the structure units of an adaptive reflector of the FAST

由圖可以很清楚地看到，每一個主索節(jié)點都有一促動器與其相連，從而實現(xiàn)反射面的整體變形［3］，這樣的促動器，在FAST主動反射面系統(tǒng)中，要使用大約2 300臺。因此，促動器的正常運行，對于FAST主動反射面的整體工作性能有著至關重要的影響，使得在促動器選型時需要客觀合理地評估不同的促動器方案，監(jiān)測其在各種工作模式下的相關運行參數(shù)，為方案的選型提供科學可靠的依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設計需求

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)設計必要性

在以往的促動器實驗中，往往是使用人工巡檢的方式定期檢驗運行中的促動器是否發(fā)生故障，導致促動器在發(fā)生故障后，不能及時反應故障信息，很難合理地評估其故障發(fā)生的真正起因。同時人工巡檢要求促動器實驗時必須有人值守，這也大大限制了促動器的不間斷運行測試條件。

即便采用部分自動監(jiān)測儀器，也因為儀器的監(jiān)測能力限制導致記錄信息不完善，數(shù)據(jù)同步能力差，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)參考價值較低。所以這里需要確定FAST工程促動器選型實驗時所需監(jiān)測的各項參數(shù)［4］，針對不同參數(shù)選擇合適的傳感器，并將不同類型的傳感器進行整體組裝設計一套可以完成這項任務的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，做到在促動器的無人值守實驗，并對實驗歷史信息進行記錄。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)需要評估參數(shù)

促動器主要有電動促動器以及液壓促動器兩種，也稱電動缸和液壓缸，主要功能是通過絲杠的旋轉將電機的旋轉運動或者液壓動力轉換為直線運動，提供直線推拉力的執(zhí)行機構［5］。

FAST促動器有多種選型方案，而在促動器實驗時所需要測評的指標有：運行速度、控制精度、負載能力、耐環(huán)境能力、已經(jīng)無故障工作時間等。

針對促動器性能指標，可確定監(jiān)測系統(tǒng)所需要監(jiān)測評估的具體參數(shù)應為：電機電流、電機功率、電機溫度［6］、相關驅動設備溫度、環(huán)境溫度、促動器負載［7］、促動器位移、限位信號。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設計

為了滿足促動器監(jiān)測評估的需求，選用了監(jiān)測相應參數(shù)的傳感器，并對其進行組裝整合設計成為一套監(jiān)測系統(tǒng)，與工控機通訊，使用工控機實時接收記錄促動器的各項運行指標，實現(xiàn)自動監(jiān)測，可進行長期無人值守實驗測試。

2.1 系統(tǒng)結構

監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖3。

圖3 促動器監(jiān)測系統(tǒng)工作結構圖Fig.3 Block diagram of themonitoring-management system of the actuators

其中電流、功率、溫度、零點信號以及限位信號由相應的傳感器采集以后通過數(shù)模轉換將信號發(fā)送給工控機。

促動器負載要求較為嚴格，在實驗時需嚴格監(jiān)控促動器負載狀態(tài)，一旦超載將很可能造成設備的損壞甚至發(fā)生危險。由精度高且測量準確的專用設備進行采集，在實現(xiàn)本地記錄與顯示的同時，將信息發(fā)送給工控機。

促動器的直線位移信號，由安裝于促動器低端的旋轉編碼器進行采集，工控機通過編碼器采集卡進行接收。之后對系統(tǒng)進行整體組裝，安裝于控制柜內，增強其耐環(huán)境能力與便攜性。

2.2 傳感器選型

根據(jù)促動器資料可知，所使用電機功率大約為600W，當為380 V三相異步電機時，其線額定工作電流由公式S=UI可知大約為1 A，對于這種小容量三相異步電機，即便在使用直接啟動的情況下，啟動電流也不超過7倍即7 A。由此可確定傳感器量程以及選型如下。

電流變送器：選用型號為I414S41的電流變送器，感應式穿心輸入，安全方便、高精度、微功耗；頻響范圍25 Hz～5 kHz，特別適應于工頻至中頻的電流測量；輸入量程為0.5 A～8 A，輸出4～20 mA電流信號。在輸出端并聯(lián)阻值為250Ω的精密電阻，使之轉化為1～5 V電壓信號。

功率變送器：由于促動器的選型不同，電機也有三相和單相的不同，所以在選擇功率變送器時應考慮兩種情況，在對應不同的促動器實驗時，相應的更換功率測量模塊。所選用的單相有功功率變送器型號為P114S91，而三相有功功率變送器型號為P214P75，兩者輸入范圍為電壓≤500 V，電流≤50 A，輸出4～20mA電流信號。在輸出端并聯(lián)阻值為250Ω的精密電阻，使之轉化為1～5 V電壓信號。

溫度傳感器：溫度信號的測量使用鉑電阻與溫度變送器組合而成，溫度變送器型號為HT-132D，其測溫范圍為-50℃～+150℃，輸出4～20mA電流信號。在輸出端并聯(lián)阻值為250Ω的精密電阻，使之轉化為1～5 V電壓信號。

接近開關：因PNP型接近開關輸出信號為電流信號，方便信號的統(tǒng)一與使用，固選用型號為AL-39P的接近開關，其為三線制24 V供電，其輸出信號線在動作時輸出的為24 V電源電平。固使用電阻將其分壓，如圖4，可得到0～4 V左右的開關量信號。

圖4 接近開關信號電平轉換電路Fig.4 The signal-level switch circuit of the proximity switch

數(shù)模轉換：選用型號為RSM3802的數(shù)據(jù)采集模塊，其在單個設備中集成了I/O、數(shù)據(jù)采集和隔離的RS-485總線接口?？梢酝瑫r采樣8路的差分信號，采樣分辨率為12位，完全滿足監(jiān)測系統(tǒng)的要求。且對輸入輸出端口采用電氣隔離，并采用帶隔離的RS-485總線接口及看門狗技術，有效保障設備安全可靠運行。

旋轉編碼器：選用光洋增量式光電編碼器，將編碼器安裝于促動器絲杠末端，其可將旋轉位移轉化為數(shù)字脈沖，通過工控機上的編碼器卡將脈沖發(fā)送到主機，通過頻率即可計算獲得促動器的直線位移。作為增量式編碼器，其相對于絕對編碼器，在價格上有著很大的優(yōu)勢，而且位移記錄精度足夠滿足需求。

壓力傳感器：選用型號為NS-YB05C型拉壓力傳感器，量程為100 KN，性能穩(wěn)定且易于安裝，滿足實驗要求。

壓力測量顯示控制儀：該設備用于監(jiān)測促動器負載信息，實現(xiàn)本地的精確記錄顯示，并將信息發(fā)送到工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。固選用型號為NS-YB05C型的測量顯示控制儀，與壓力傳感器直接配套，協(xié)議一致，使用極為方便。

2.3 實際電路接線

對于監(jiān)測系統(tǒng)二次側接線較為簡單，系統(tǒng)各元件均使用24 V開關電源供電，采集輸出信號經(jīng)250Ω精密電阻轉換為電壓信號后輸入RSM3802多通道數(shù)模轉換芯片，并通過標準RS485協(xié)議與工控機進行通信［8］。模擬信號輸入端口分配如表1。一次側接線如圖5。圖中，功率變送器以及電流變送器的電流信號Ia、Ic、I均為感應式穿心輸入，由圖可見，三相與兩相接線不同之處主要在于功率變送器的更換，在實驗時非常方便。

表1 模擬信號輸入端口分配Table 1 The assignment of the analog-signal input ports

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)一次側接線圖.（a）三相一次側接線圖；（b）兩相一次側接線圖Fig.5 The primary wiring diagrams（which are side wiring diagrams）of themonitoring-management system.（a）The diagram for the three-phase wiring；（b）The diagram for two-phase wiring

2.4 通信軟件

使用C語言編寫了相應的監(jiān)測軟件，與促動器控制程序集成在一起，軟件界面如圖6，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測與記錄。

在實驗中，由于對數(shù)據(jù)無特殊要求，固采用定時采樣的方式，每隔1 s發(fā)送查詢指令，對監(jiān)測系統(tǒng)的返回數(shù)據(jù)進行更新處理，并將獲得的參數(shù)以文本的方式保存在硬盤中，以便進行歷史故障分析。

圖6 監(jiān)測控制軟件界面截圖Fig.6 A screenshot of the user interface of themonitoring and control software

3 實驗應用

根據(jù)需要，對不同類型的促動器進行了不同工作狀態(tài)下的實驗，進行了空載、變載以及適當超載情況下的測試，并在室外環(huán)境下進行了長期監(jiān)測，獲得了大量實驗數(shù)據(jù)。其中促動器的載荷提供主要由一種促動器力學性能測試的裝置［9］實現(xiàn)?，F(xiàn)場實驗照片可見如圖7。

圖7 現(xiàn)場實驗照片.（a）變頻促動器實驗；（b）液壓促動器實驗Fig.7 Photos showing the on-site tests.（a）Test of a ferequency-conversion actuator；（b）Test of a hydraulic actuator

而對于促動器處于4 t恒載并以1.7mm/s恒速運行時監(jiān)測系統(tǒng)所測得數(shù)據(jù)，每10 s選一組數(shù)據(jù)，連續(xù)100 s，如表2監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)（節(jié)選），并且通過紅外測溫儀對溫度進行標定，電參數(shù)表對電流功率進行標定，消除了零點誤差，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。而由于實驗時促動器裝置存在機械誤差等原因，所以監(jiān)測到的數(shù)據(jù)略有波動，符合真實實驗結果。

表2 監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)（節(jié)選）Table 2 Som e data obtained through them onitoring-m anagement system

在變載往復運行實驗中所監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8，圖中根據(jù)在促動器實驗時監(jiān)測系統(tǒng)長時間監(jiān)測測得數(shù)據(jù)繪出了促動器的負載、速度、電流等參數(shù)的變化曲線，其中速度參數(shù)是根據(jù)編碼器所測得位移與時間關系計算得來，可見監(jiān)測系統(tǒng)客觀有效地記錄了促動器的運行情況。

圖8 電流、速度與負載變化監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 Somemonitored data of current，velocity，and load

4 結論

所設計的監(jiān)測系統(tǒng)功能完善，可實時完備地監(jiān)測促動器運行中的各個狀態(tài)信息，非常有利于性能評估實驗，且系統(tǒng)模塊化強，組裝方便易于擴展，在應用于不同類型的促動器時易于改裝。系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守的在線監(jiān)測，大大降低了促動器實驗時對人員的要求，也彌補了以往離線監(jiān)測的不足之處，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，取得的數(shù)據(jù)可靠，對促動器的性能評估起到了非常關鍵的作用。

［1］金曉飛，范峰，錢宏亮，等.巨型射電望遠鏡（FAST）主動反射面結構故障診斷［J］.土木工程學報，2010（6）：18-25.Jin Xiaofei，F(xiàn)an Feng，Qian Hongliang，et al.Fault diagnosis of cable-net structure supporting active reflector of large radio telescope-FAST［J］.China Civil Engineering Journal，2010（6）： 18-25.

［2］Nan Rendong.Five hundred meter aperture spherical radio telescope（FAST）［J］.Science in China（Series G：Physics，Mechanics＆Astronomy），2006，49（2）：129-148.

［3］周榮偉，朱麗春，胡金文，等.FAST單元面板面型檢測算法研究 ［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2012，9（1）：14-20.Zhou Rongwei，Zhu Lichun，Hu Jinwen.Study of a measurement algorithm for the surface of a single panel of the reflector of the FAST［J］.Astronomical Research＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2012，9（1）：14-20.

［4］管皓，孫才紅.FAST望遠鏡40米模型天文觀測軟件的開發(fā)［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2011，8（4）：323-328.Guan Hao，Sun Caihong.Development of a software for the astronomical observation of the 40m model of the FAST［J］.Astronomical Research＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2011，8（4）：323-328.

［5］徐文燦.電動缸與氣缸［J］.液壓氣動與密封，2006（2）：19-24.Xu Wencan.Electric cylinder and air cylinder［J］.Hydraulics Pneumatics＆Seals，2006（2）： 19-24.

［6］森下正志.電氣設備故障分析與對策［M］.王益全，譯.北京：科學出版社，2009：296-297.

［7］周毓，王啟明，李建斌.FAST無線式索力傳感器節(jié)點的設計制作與測試［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2011，8（1）：21-28.Zhou Yu，Wang Qiming，Li Jianbin.Development and test of nodes of wireless cable tension sensors for the fast［J］.Astronomical Research＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2011，8（1）：21-28.

［8］郭秀才，楊世興.監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理及應用［M］.北京：中國電力出版社，2010：66-68.

［9］郭永衛(wèi)，王啟明，南仁東.一種促動器力學性能的測試裝置［P］.北京：中科院國家天文臺.專利號：200810116587.

Performance Tests of a M onitoring-M anagement System of Actuators for the FAST

Sun Xiao，Wang Qiming，Wu Mingchang
（National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email：sunxiao10@mails.gucas.ac.cn）

There are high standards for the actuators of the Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope（FAST）.In the past tests，we usually only used inconvenient human inspection for recording states of the actuators.We assess the requirements on the actuators for the FAST.For testing the actuator we have further designed a monitoring-management system that can measure the current，power，temperature，load，displacement，and limit of an actuator.The system can automatically monitor and record，avoiding the inconvenience of human inspection.We chose appropriate sensors for the system and fabricated it following the structural design.We have tested the system using certain equipments.This system has achieved online monitoring of the actuators and successfully passed tests of supervision of the actuators without human intervention.The tests have generated many data showing the reliability and effectiveness of the system.In addition，the system has dramatic improvement in accuracies and maintenance of historical-information records.Long-term tests of the system have shown its satisfactory performance.

FAST；Radio Telescope；Actuator；Online Monitoring；Sensor；System Design

P111.44

：A

：1672-7673（2013）03-0227-07

國家自然科學基金（11173035）資助.

2012-06-16；修定日期：2012-07-06

孫 曉，男，碩士.研究方向：大型射電望遠鏡健康監(jiān)測技術.Email：sunxiao10@mails.gucas.ac.cn

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673