挾沙風沖蝕實驗裝置控制系統(tǒng)的設計*

閆彩霞陳松利甄 琦王星燃

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

沖蝕磨損指的是材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象，是由多相流動介質(zhì)沖擊材料表面而造成的[1-3]。沖蝕磨損對工業(yè)設備的正常運行產(chǎn)生了很大影響，例如導致零件失效、效率降低，甚至成為事故隱患，威脅安全生產(chǎn)[4-5]。因此提高材料的抗沖蝕性能已成為亟需解決的重要課題，它對于提高機械零部件的使用壽命，降低能源的消耗，改善設備的運轉(zhuǎn)效率，提高經(jīng)濟性有著非常重要的意義。課題主要研究風沙對于風力發(fā)電機葉片的沖蝕影響，對于風力發(fā)電機組的安全運行和經(jīng)濟效益，以及風電機組葉片的設計改進，有至關重要的意義。然而，由于目前的沖蝕試驗機都適用于特定的工況條件，不同試驗機的組成結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)差別較大，很多相關研究因為模擬風沙環(huán)境受限從而使得研究效果達不到預期。但在自然環(huán)境中，挾沙風沖蝕磨損的過程并不明顯，也很難進行定量分析。因此，模擬出一套風沙環(huán)境中沙粒對風機葉片加速沖蝕磨損的試驗設備是極為重要的，在試驗設備中，風中所挾帶沙粒的重量控制是實現(xiàn)加速磨損的關鍵所在[6]。

綜上所述，設計一套能夠精確模擬風沙環(huán)境的設備意義重大，而且稍作調(diào)整后能夠推廣應用到其他涉及到?jīng)_蝕磨損研究的領域。

沖蝕裝置最的動力來源是步進電機，對于步進電機的電氣控制系統(tǒng)的設計，有采用單片機控制的，也有采用觸摸屏和PLC 的。PLC 集成化程度較高，穩(wěn)定性較好，具有組態(tài)靈活的特點，能夠較好地結(jié)合觸摸屏實現(xiàn)人機交互界面，因此得到了廣泛應用[7-11]。

本文以沖蝕設備中的關鍵部分—噴砂裝置，為研究對象，建立了以西門子S7-200 SMART PLC 為核心控制器的三步進電機控制系統(tǒng)，為沖蝕設備提供動力源，實現(xiàn)沙流量的控制。本文主要進行了硬件選型設計、軟件系統(tǒng)設計，并將觸摸屏作為上位機，進行操作界面設計，實現(xiàn)了方便操作的目的。

1 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)選用西門子S7-200 SMART 系列的ST40 PLC 作為控制器，晶體管輸出型。S7-200 SMART PLC 主要具有以下優(yōu)點[12-15]:執(zhí)行速度快，基本指令僅需0.15 μs 即可執(zhí)行；具備良好的以太網(wǎng)通信功能，僅需一根網(wǎng)線即可實現(xiàn)其他部件與PLC的傳輸連接；脈沖多路輸出，S7-200 SMART PLC 具備3 個高速脈沖輸出口，脈沖輸出頻率均可達100 kHz。編程軟件采用STEP 7-MicroWIN SMART，軟件中的位控向?qū)е噶羁梢暂^好地完成PWM 與PTO 的設定。觸摸屏采用威綸通TK6071IP，內(nèi)置處理器是ARM RISC 528 MHz，128 MB 閃存，可以快速地響應組態(tài)程序的控制；24 V 直流電即可驅(qū)動；在電源的內(nèi)部還有隔離保護，滿足安全需求。

步進電機選用86BYGH250AL-14J，其步距角為1.8°，轉(zhuǎn)矩為4 N·m，步進驅(qū)動器的型號為DM542，有8 個撥碼開關，其中SW5-SW8 用于選擇7 檔細分控制，本裝置選擇為4 細分。其中SW1-SW8 的撥碼開關中，SW3、SW4 和SW6 為OFF 狀態(tài)，其余開關為ON 狀態(tài)。

圖1 為噴射式?jīng)_蝕實驗裝置示意圖，氣源由空氣壓縮機提供，氣壓大小由調(diào)壓閥控制，當壓力固定后，空氣在管道內(nèi)的流速與管道內(nèi)橫截面積成反比[16]，通過控制沖蝕管入口處氣流的壓力即可實現(xiàn)沖蝕管道內(nèi)氣流的速度控制，即控制了實驗需要的風速；PLC 主要用來控制3 臺步進電機的變速運行，能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；螺旋推進器上面是沙箱，螺旋推進器由步進電動機拖動，通過調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)挾沙風的含沙量。氣流和沙子從混合加速管噴出，形成挾沙風，作用于風電機組試驗葉片上面。該裝置的沖蝕箱內(nèi)設有三個噴砂口，便于研究沖蝕對翼型整體氣動性能的影響?？刂葡到y(tǒng)中，觸摸屏主要實現(xiàn)對于步進電動機加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的操作，以及歷史運行數(shù)據(jù)顯示功能。

圖1 噴射式?jīng)_蝕實驗裝置示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)控制需要，設置5 個按鈕SB1—SB5，M2.0—M2.5 為觸摸屏的控制鍵對應的地址。具體I/O 分配表如表1 所示。

表1 I/O 分配表

圖2 所示為硬件接線圖，實驗需要3 臺電機同步同速運行，因此，實物接線中，PLC 的一個輸出端口連接3 個驅(qū)動器，分別驅(qū)動3 臺步進電機。

圖2 硬件接線圖

PLC 和驅(qū)動器的連接采用共陰極連接方法。供電電源采用24 V 直流電源模塊；脈沖輸出端口Q0.0 通過2 kΩ 限流電阻分別接到3 個步進電機驅(qū)動器的PUL+端，方向輸出端口Q0.2 通過2 kΩ 限流電阻分別接到3 個步進電機驅(qū)動器的DIR+端。觸摸屏通過RS485 總線與PLC 的通信端口連接，PLC的程序上傳和下載通過網(wǎng)線和電腦連接實現(xiàn)，PLC的IP 地址為192.168.2.1。威綸通TK6071IP 觸摸屏有兩個通信接口，分別是USB2.0 通信接口和RS-485 通信接口。USB2.0 可以用來與PC 端通信，完成對組態(tài)程序的上傳和下載，RS-485 通信接口實現(xiàn)觸摸屏和PLC 的通信，采用PPI 通信協(xié)議。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計主要包括人機界面組態(tài)以及PLC 控制程序設計，通過對人機界面參數(shù)設置，可實現(xiàn)3 個步進電機的調(diào)速控制。

3.1 人機界面組態(tài)設計

組態(tài)軟件采用威綸通IP 系列觸摸屏專用軟件—Utility Manager。用EasyBuilder Pro 編輯工程文件，設計操作界面后，設置通信參數(shù)，實現(xiàn)與PLC 的通信，達到使用觸摸屏控制PLC 的目的。

圖3 所示為觸摸屏操作界面，初始界面如圖3(a)所示，圖3(b)為控制窗口，實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)和停止操作，圖3(c)為調(diào)速窗口，通過界面中的兩個三角形按鈕實現(xiàn)加速和減速，圖3(d)為操作歷史界面，可查看步進電機的運行歷史。

圖3 觸摸屏界面

3.2 PLC 控制程序設計

PLC 控制程序編寫主要采用STEP7-MicroWIN SMART 軟件完成，步進電機的啟動控制主要通過運動控制向?qū)瓿?。依?jù)控制系統(tǒng)基本原理，控制系統(tǒng)流程如圖4 所示，步進電機是螺旋推進器的動力源，依據(jù)試驗所需輸沙量調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)速。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

使用MOV_DW(移動雙字)指令將步進電機運行的初始速度50 脈沖/s 存入軸預設速度的雙字寄存器中，通過使用位控向?qū)е械腁XISO_CTRL 模塊(軸初始化模塊)，即可觀察到步進電機的當前位置(使用脈沖數(shù)來表示，0 為初始位置)、當前速度(脈沖/s 為單位)和當前方向(0，1 分別代表正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn))。方向控制模塊通過2 個MOV_DW 指令將帶有符號的數(shù)值存入運行脈沖數(shù)量的雙字寄存器中，符號控制步進電機運行方向，正數(shù)表示正轉(zhuǎn)，負數(shù)表示反轉(zhuǎn)，存入的數(shù)值代表步進電機將要運行的脈沖數(shù)量。根據(jù)實驗情況，需連續(xù)運行時，設置為系統(tǒng)允許最大值。位控向?qū)XISO_GOTO(軸相對定位模塊)中將mode(模式)設置為1 即使用步進電機相對定位模式，Abort 為該模式的關閉信號輸入。將停止按鈕的地址取非后接入AXISO_GOTO 的Abort 輸入觸點作為停止信號；加減速調(diào)速控制采用增加或減少脈沖數(shù)的方法實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)調(diào)試與驗證

將所設計的步進電機控制系統(tǒng)與沖蝕裝置其他部件裝配，葉片沖蝕裝置整機實物如圖5 所示。經(jīng)過試驗，系統(tǒng)整機運行情況較好，步進電機運行比較平穩(wěn)，步進電機的轉(zhuǎn)速可根據(jù)實驗需求進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)沖蝕裝置的含沙量。步進電機的啟動轉(zhuǎn)速為50 脈沖/s，每按一次調(diào)速按鈕，增加或者減少25 脈沖/s，該數(shù)值可根據(jù)實驗需要修改。沙粒落在沖蝕管內(nèi)，與氣泵配合，能夠模擬挾沙風，不同轉(zhuǎn)速下的下沙量如表2 所示，隨著步進電機脈沖數(shù)的增加，下沙量也增加。后期試驗需要根據(jù)實際情況進行加速磨損，因此在不同轉(zhuǎn)速下的輸沙率比自然界中的挾沙風含沙量大。該設備能夠滿足沖蝕試驗要求。

圖5 葉片沖蝕實驗裝置

表2 不同轉(zhuǎn)速下的輸沙率

5 結(jié)論

本文通過采用以PLC 為核心控制器的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了步進電機的調(diào)速控制，以及正反轉(zhuǎn)運行，并設計了人機界面。該控制系統(tǒng)能夠較精確地控制沖蝕裝置的下沙量，該裝置配合氣泵，能夠較真實地模擬實際中不同挾沙程度的挾沙風，為風機葉片涂層沖蝕磨損的研究奠定了基礎。