風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備控制設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：對大型玻璃纖維風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計研究，以西門子可編程控制器SIMATIC S7-226CN為核心，采用人機(jī)界面、伺服運動控制、變頻器調(diào)速、MODBUS通信控制技術(shù)，實現(xiàn)大型玻璃纖維風(fēng)電葉片根部切割、打孔。闡述了設(shè)備主體結(jié)構(gòu)功能及風(fēng)電葉片根部加工工藝流程，提出控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并著重描述控制要求和操作功能，給出了硬件電路和軟件程序設(shè)計。實際應(yīng)用表明，該設(shè)備性能穩(wěn)定，切割、打孔精度均滿足設(shè)計要求，并具有良好的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備;PLC;人機(jī)界面;伺服運動控制;MODBUS通信

0? ? 引言

大型玻璃纖維風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，風(fēng)電葉片在組裝時，其與轉(zhuǎn)子通過螺栓連接固定，因此需要在葉片的根部進(jìn)行切割、打孔。傳統(tǒng)的方式是采用人工對風(fēng)電葉片根部進(jìn)行切割、畫線定位打孔，缺點是操作人員勞動強(qiáng)度大，且孔與孔之間的間距無法準(zhǔn)確保證，需要在組裝時重新進(jìn)行修正、填補(bǔ)，大大降低了生產(chǎn)效率，也影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

本設(shè)計對風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備綜合采用伺服運動控制、變頻調(diào)速控制和PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備高精度自動切割、打孔。

1? ? 設(shè)備主體結(jié)構(gòu)功能

風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備（圖1）包括基座、旋轉(zhuǎn)橫梁、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)、軸向打孔機(jī)構(gòu)、徑向驅(qū)動機(jī)構(gòu)、徑向打孔機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。

（1）基座固定于地面基礎(chǔ)上，基座上方安裝有水平方向運動的活動柱，活動柱通過直線導(dǎo)軌組件與基座連接，旋轉(zhuǎn)橫梁安裝在活動柱的前端，旋轉(zhuǎn)橫梁與活動柱垂直設(shè)置，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)和伺服減速機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)橫梁進(jìn)行轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝有大齒輪、小齒輪、角度檢測齒輪和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。

（2）軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動活動柱在基座上沿風(fēng)電葉片軸向前后移動，通過變頻電機(jī)和減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，軸向打孔機(jī)構(gòu)包括軸向打孔變頻電機(jī)以及用于驅(qū)動軸向打孔機(jī)沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向移動的變頻驅(qū)動裝置。

（3）徑向驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動徑向打孔機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)橫梁上沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向移動，通過變頻電機(jī)和減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，徑向打孔機(jī)構(gòu)包括徑向打孔變頻電機(jī)與根部圓鋸切割裝置以及用于驅(qū)動徑向打孔機(jī)與圓鋸沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向移動的變頻驅(qū)動裝置。

2? ? 風(fēng)電葉片根部連接結(jié)構(gòu)及加工工藝流程

2.1? ? 風(fēng)電葉片根部連接結(jié)構(gòu)

葉片根部連接端面圓周均勻間隔分布54個軸向安裝孔，沿葉片根部筒壁周向分布54個徑向安裝孔，在軸向安裝孔中安裝雙頭螺桿，在徑向安裝孔中安裝交叉螺母，軸向安裝孔與徑向安裝孔相對應(yīng)且與徑向安裝孔連通形成T型安裝孔，雙頭螺桿的一端伸入到徑向安裝孔中與交叉螺母緊固，雙頭螺桿的另一端伸出葉片根部端面與風(fēng)力發(fā)電主機(jī)連接。

2.2? ? 風(fēng)電葉片制造工藝

主要是真空灌注成型，成型后進(jìn)行根部加工：根部齊邊切割→根部軸向打孔（圖2）→根部徑向打孔（圖3）→涂裝。

2.2.1? ? 風(fēng)電葉片根部齊邊切割

將風(fēng)電葉片通過工裝水平置于旋轉(zhuǎn)橫梁前端，沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向手動驅(qū)動切割圓鋸處于葉片切割初始位置，啟動圓鋸變頻電機(jī)和徑向驅(qū)動變頻電機(jī)使圓鋸切入葉片根部，切入深度由位置開關(guān)控制，同時伺服電機(jī)和伺服減速機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)橫梁按設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)360°，從而完成對葉片根部齊邊切割。

2.2.2? ? 風(fēng)電葉片根部軸向打孔

根據(jù)葉片設(shè)計要求，在葉片根部端面圓周鉆54個均勻間隔軸向安裝孔，手動驅(qū)動軸向打孔機(jī)沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向移動到葉片端面打孔初始位置，啟動軸向打孔機(jī)變頻電機(jī)，軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動活動柱從后限位沿風(fēng)電葉片軸向前進(jìn)到前限位，鉆入深度由位置開關(guān)控制，每打完一個孔，軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動活動柱退回后限位，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)橫梁旋轉(zhuǎn)（360°/54），角度檢測編碼器反饋旋轉(zhuǎn)角度到控制系統(tǒng)，系統(tǒng)判斷角度偏差是否在允許范圍內(nèi)，在允許范圍內(nèi)則進(jìn)行下一個打孔動作，否則系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)橫梁進(jìn)行角度糾正，完成54個軸向打孔后，控制系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)橫梁回到初始位置。

2.2.3? ? 風(fēng)電葉片根部徑向打孔

手動驅(qū)動徑向打孔機(jī)沿旋轉(zhuǎn)橫梁長軸方向移動到葉片筒壁周向打孔初始位置，啟動徑向打孔機(jī)變頻電機(jī)，控制動作與軸向打孔類似。

3? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計中采用了西門子S7-226CN PLC作為該系統(tǒng)的控制核心，一個16DI/DO EM223模塊和一個EM253位控模塊通過擴(kuò)展接口與PLC連接，PLC通過RS485接口PORT0與HITECH觸摸屏實現(xiàn)通信，PLC通信接口PORT1通過主/從結(jié)構(gòu)串行通信協(xié)議MODBUS與6臺森蘭變頻器進(jìn)行通信，站地址設(shè)置為1～6。通過MODBUS通信設(shè)置變頻器運行命令、運行頻率以及功能參數(shù)的讀取和修改、變頻器工作狀態(tài)和故障信息的監(jiān)視。系統(tǒng)中各設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置與顯示均由HITECH觸摸屏完成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

EM253位控模塊通過高速脈沖實現(xiàn)安川伺服電機(jī)速度與位置控制，控制系統(tǒng)測量單位采用脈沖數(shù)，P0口輸出脈沖控制電機(jī)的運動，P1口輸出控制電機(jī)運轉(zhuǎn)方向。

4? ? 系統(tǒng)主要功能及控制方式

4.1? ? 系統(tǒng)功能

（1）控制系統(tǒng)根據(jù)控制程序?qū)θ~片根部切割打孔的工藝過程、電氣設(shè)備進(jìn)行控制，同時采集工藝參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)。

（2）通過人機(jī)界面HMI設(shè)置工藝參數(shù)、操作方式、操作權(quán)限，顯示操作流程、工藝參數(shù)、報警信息等。

（3）采集主要工藝參數(shù)：橫梁旋轉(zhuǎn)角度、實時打孔數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等。

4.2? ? 控制方式

風(fēng)電葉片根部切割打孔設(shè)備控制系統(tǒng)控制方式分為現(xiàn)場手動控制與自動控制兩種模式?，F(xiàn)場手動模式和自動模式下，安全聯(lián)鎖保護(hù)均有效，在自動模式下，限制相關(guān)工藝參數(shù)的修改，防止設(shè)備在非正常狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。

（1）現(xiàn)場手動控制模式：現(xiàn)場電氣控制箱或人機(jī)界面上的“手動/自動”開關(guān)選擇“手動”方式時，通過現(xiàn)場控制箱或人機(jī)界面上的按鈕實現(xiàn)設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。

（2）自動控制模式：現(xiàn)場電氣控制箱或人機(jī)界面上的“手動/自動”開關(guān)選擇“自動”方式時，設(shè)備的運行完全由PLC根據(jù)選擇的切割方式或打孔方式自動完成。

5? ? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括觸摸屏應(yīng)用程序和S7-226CN PLC應(yīng)用程序。

5.1? ? 觸摸屏畫面組態(tài)

觸摸屏程序由HITECH組態(tài)軟件完成，HITECH人機(jī)界面采用中文菜單，界面友好，操作方便，根據(jù)需求系統(tǒng)共配置12幅畫面，主要畫面功能描述如下：

5.1.1? ? 主畫面

顯示橫梁實時旋轉(zhuǎn)角度、當(dāng)前運行模式、實時打孔數(shù)、徑向軸向預(yù)角度設(shè)置、工藝參數(shù)設(shè)置、“手動/自動”控制模式選擇、報警查詢等功能，如圖5所示。

5.1.2? ? 工藝參數(shù)設(shè)置畫面

包括切割圓鋸切割速度設(shè)置、橫梁旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置、軸向打孔數(shù)設(shè)置、打孔速度設(shè)置等，如圖6所示。

5.2? ? S7-226 CN應(yīng)用程序設(shè)計

S7-226 CN應(yīng)用程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，便于維護(hù)、擴(kuò)展，運用順序指令編程。將各主要功能編制為用戶子程序功能塊，在主程序中調(diào)用這些編制好的子程序塊。其中，主要的用戶子程序塊有以下幾個：

5.2.1? ? 初始化子程序

設(shè)定高速計數(shù)器寄存器、順控位置步S、標(biāo)志位M、計數(shù)器、PLC工作模式、通信方式等參數(shù)初始值。

5.2.2? ? 高速計數(shù)子程序

在程序向?qū)е信渲酶咚儆嫈?shù)器HC4，高速計數(shù)器操作模式選用模式9，A/B相正交計數(shù)器，無啟動輸入，無復(fù)位輸入，計數(shù)頻率設(shè)為4倍速，角度檢測選擇NEMICON增量編碼器NOC-S5000-2MHCP-300，編碼器A相和B相脈沖分別接入PLC高速輸入通道I0.3和I0.4進(jìn)行計數(shù)，實時反饋橫梁實際旋轉(zhuǎn)角度用于程序控制。

5.2.3? ? 手動控制模式子程序

當(dāng)現(xiàn)場控制箱或觸摸屏“手動/自動”開關(guān)選擇為“手動”模式時，通過現(xiàn)場控制箱或觸摸屏對應(yīng)按鈕對橫梁旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、切割變頻電機(jī)、打孔變頻電機(jī)、進(jìn)給變頻電機(jī)等進(jìn)行手動控制操作調(diào)整。

5.2.4? ? 自動控制模式子程序

當(dāng)現(xiàn)場控制箱或觸摸屏“手動/自動”開關(guān)選擇為“自動”模式時，通過觸摸屏選擇徑向打孔或軸向打孔方式對葉片進(jìn)行自動打孔，軸向自動打孔程序流程圖如圖7所示。

5.2.5? ? S7-226CN PLC與森蘭SB70變頻器通信子程序

森蘭SB70變頻器內(nèi)置國際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信協(xié)議，作為MODBUS協(xié)議從站;S7-226CN PLC作為MODBUS協(xié)議主站，與6臺森蘭SB70變頻器進(jìn)行通信，PLC通過輪詢讀寫控制變頻器的啟停、頻率給定、監(jiān)控等功能，與通過外部端口控制變頻器的運行相比，具有較高的可靠性，節(jié)約了可貴的PLC I/O口，并能獲得大量變頻器信息。

以1#站切割圓鋸變頻器為例，設(shè)置變頻器通信參數(shù)，如表1所示。

控制變頻器正轉(zhuǎn)及設(shè)置變頻器的給定頻率，如圖8所示。變頻器控制地址3200H，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為12800，MODBUS地址400001開頭，控制地址為412801。VW102為通信給定頻率。

6? ? 結(jié)語

本系統(tǒng)在公司風(fēng)電產(chǎn)品部已穩(wěn)定運行多年，實際運行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)有效提高了風(fēng)電葉片根部切割打孔自動化程度及生產(chǎn)效率，具有重大的工程使用價值。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡介：章志勇（1975—），男，江蘇南通人，工程師，從事玻纖行業(yè)電氣自動化設(shè)計、開發(fā)及自動化系統(tǒng)集成工作。