基于 WINCC6.0和STEP7的直流调速系统的设计和实现

刘朝勇

(上海飞机设计研究院 电气系统设计研究部，上海 201210)

0 引言

用于模拟飞机发动机的拖动台的直流调速系统[1]的稳定性、可靠性、调速精度和响应时间等参数直接决定了民用飞机电源系统试验室的试验结果。按照民用飞机电源系统发电机试验要求，拖动台输出转速范围段应分为恒转矩调速段和恒功率调速段。拖动台起动应在恒转矩调速段进行，试验运行应在恒功率调速段进行。

基于西门子公司的 WINCC6.0(Windows Control Center 6.0)和STEP7软件针对民用飞机电源系统试验拖动台建构了安全可靠，快速响应、高调速精度并具有保护功能的直流调速系统。该直流调速系统的成功研制，为民用飞机电源系统设计验证和适航取证提供了有力保障。

1 硬件组成

按试验需求，拟搭建的拖动系统主要由直流电动机驱动的拖动台、西门子SIMOREG 6RA70直流数字调速装置、操控计算机和西门子 S7－300型可编程控制器(PLC)等硬件组成，如图1所示。

图1 拖动系统框图

其中，S7－300型 PLC采用CPU－313C－2 DP型CPU，该型CPU支持PROFIBUS－DP总线技术。该链路采用混合介质存取方式，主站间按令牌环方式，主站和从站间按主从工作方式，按模块化结构配置所需模块，便于实现远距离对多个用户进行控制[2]。本文采用西门子公司 WINCC6.0和STEP7软件对4个功能相似、结构相似的拖动台(左发电机拖动台、右发电机拖动台、辅助发电机拖动台和应急发电机拖动台)的拖动系统进行软件设计和实现。

2 设计分析

基于WINCC6.0和STEP7的直流调速系统核心功能为拖动台输出转速调节，为保证调速的稳定性和可靠性，直流调速系统还应具有良好的人机交互功能和必要的保护功能。

2.1 调速原理

按电机学原理可知，电力拖动由电动机的旋转所提供的转矩来完成拖动。

如图2所示，忽略温度、电枢电流的去磁作用等次要因素的影响，可以得出:

图2 直流并激电动机原理接线图

式中，M为电动机输出转矩;CE，CM分别为电动机的电势常数和转矩常数;R为电枢电路的总电阻，包括电枢的内电阻R枢和外加电阻 R外;Ф是电动机的磁通。

结合式(1)、(2)和(3)，可以得到:

其中，式(4)为调压调制(恒转矩调速)原理，式(5)对应为调磁调制(恒功率调速)原理。

本文中，左发电机拖动台、右发电机拖动台和辅助发电机拖动台输出转速在0 r/min～4 000 r/min范围内均采用调压调速，为恒转矩输出，为保护试验设备，最大加速度限定为250 r/min/s;输出转速在4 000 r/min～12 800 r/min范围内均采用调磁调速，为恒功率输出;在12 800 r/min～14 400 r/min范围内功率线性下降，在4 000 r/min～14 400 r/min范围内，加速度在0 r/min/s～1 100 r/min/s范围内均连续可调。

应急发电机拖动台输出转速在0 r/min～3 750 r/min范围内采用调压调速，为恒转矩输出，为保护试验设备，在此转速范围内，最大加速度限定为250 r/min/s;在3 750 r/min～11 250 r/min范围内采用调磁调速，为恒功率输出，加速度在0 r/min/s～1 100 r/min/s范围内连续可调。

为了保证调速系统的稳定性，调速系统采用了转速内环和电流外环的双闭环方式进行转速校正。

2.2 软件功能划分及模块化设计

根据WINCC6.0和STEP7编程要求，本文将拖动台从起动准备到试验运行结束的整个过程分解为系统选择、系统准备、参数设定、拖动状态、登录、故障报警、帮助、报表及退出等9项功能，每项功能作为一个工作区域并分页显示。

其中，系统选择页用于按试验需求选择需要运行的拖动台系统，最大可以支持4台拖动台同时运行;系统准备页用于对已选定拖动台系统进行起动准备或停车准备操作;参数设定页用于对选定拖动台系统完成准备工作后的运行加速度和转速设置或者停车前的运行加速度和转速清零;拖动状态页用于显示被选定的拖动台系统的运行参数(温度、润滑油压力、流量等)，使操作者能及时掌握拖动台运行状态;为保护设备，登录页采用分级权限设置，管理权限者可以对参数设定页中的加速度给定限制和转速给定限制项进行设置，用户权限只可以设置给定的加速度和转速;故障报警页用于系统保护及排故使用;帮助页用于指导操作;报表页用于输出选定的拖动台运行参数记录;退出页用于退出调速控制系统。

3 软件实现

调速系统软件主要由操作界面和功能实现组成。操作界面由WINCC6.0实现，功能实现则采用西门子的STEP7软件完成。

其中，STEP7支持梯形逻辑图(Ladder Logic)、语句表(Statement List)和功能块图(Function Block Diagram)等编程语言。WINCC6.0软件是微软公司专门为西门子公司开发的一个开放的过程可视化系统，用户可以灵活调用STEP7资源(包括参数列表和功能模块)、快捷编辑操作界面、轻松实现数据信息管理功能。

3.1 操作界面

根据试验需求，采用WINCC6.0软件编制了电源系统试验拖动台系统操作界面。在分页的基础上，将第2.2节划分的9项功能分别设计成9个页面。每个页面，除了具有必要的操作功能，还具有运行状态参数的监控显示功能。

左发电机拖动台和右发电机拖动台同时工作条件下系统准备和故障报警等页面分别如图3和图4所示。其中，图4采用不同颜色的状态指示灯进行标示，红灯标示故障状态，白灯标示正常状态。如左发电机拖动台调速装置出现故障，则图4中左拖动台和调速装置交汇处的指示灯亮为红色;如无故障则对应的指示灯亮为白色。

3.2 功能实现

拖动台按给定转速要求起动和停止功能分别按以下步骤实现:

(1)拖动台按给定的转速起动功能实现如下:

Step1:在系统选择页面中选择需要工作的拖动台;

Step2:在系统准备页中依次闭合油泵启动、风机励磁合和主接触器合按钮;

Step3:在参数设定页面中按要求设定起动加速度和转速参数，如需要修改加速度给定限制值或者转速给定限定值，需先在登录页面后再在参数设定页面中进行设置;

Step4:观测拖动状态页面中参数显示并观察运行现场以监控拖动台运行状态直至运行结束。

在Step1至Step4中，一旦出现异常将触发拖动系统的保护功能，紧急停车并在故障报警页面中标记故障状态。直到确认发生的故障完全清除后，方可重新起动拖动台。

(2)拖动台停车功能实现如下:

Step1:经确认正常运行结束后，在参数设定页面中将转速参数清零;

Step2:如有需求，在报表页中按要求输出数据报表;如无需求，进入Step3;

Step3:在系统准备页中依次断开主接触器分、风机励磁分和油泵停止按钮;

Step4:在退出页退出系统，完成停车。

根据使用需求，本文分别采用了STEP7的3种编程语言，编制了200多个功能模块，现实了拖动台起动/停止整个过程中的全部动作逻辑和保护功能。

4 运行实例

为满足试验需求，左发电机拖动台定义了表1所示的输出转速范围、过渡期转速变化量、稳态速度偏差以及恢复精度等参数指标。

表1 左发电机拖动台输出转速参数指标

为验证调速系统稳态特性以及软件的可操作性，本文在拖动台输出转速为4 700 r/min、5 200 r/min和8 000 r/min状态下对左拖动台进行空载稳态运行，运行加速度为200 r/min/s，得到的试验数据如表2左拖动台转速稳态数据所示。

表2 左发电机拖动台转速稳态数据

同时，为考核调速系统的瞬态特性，对左拖动台进行了变加速变速运行，转速均按0 r/min～4 000 r/min～12 000 r/min～4 000 r/min～0 r/min变化，对应加速度为200 r/min/s～600 r/min/s～1 100 r/min/s～250 r/min/s，得到的转速曲线如图5所示。

图5 左拖动台转速变化曲线

由图5可以看出，左发电机拖动台的过渡期转速变化量为159 r/min，小于表1规定的200 r/min，速度调节精度为7 r/min，小于表1规定的7.2 r/min。

运行中，为验证调速系统的保护功能，通过断开左发电机拖动台齿轮箱冷却油压检测传感器信号的方式人为设置了左发电机拖动台齿轮箱冷却欠油压故障，左发电机拖动台立刻停车，并在图4的左拖动台和齿轮箱冷却欠油压交汇处亮红灯标记了故障状态，系统保护功能正常。

5 结束语

上述的运行验证表明，本文实现的拖动台直流调速系统不仅能满足输出转速范围、过渡期转速变化量、稳态速度偏差以及恢复精度等参数指标要求，而且还具有可靠的状态监控显示功能、保护功能以及良好的人机界面功能。

基于WINCC6.0和STEP7的直流调速系统的成功实现，不仅有力的保障了民用飞机电源系统试验室试验的动力源，而且积累了宝贵的民用飞机电源系统试验设备研制经验，提升了国内民用飞机电源系统试验能力。

[1]丁元杰.中小型直流电机可控硅调速[M].上海:上海科学技术出版社，1982:11－26.

[2]廖常初.S7－300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社，2006:44－68.