基于PLC的叶轮超速试验自动控制系统的研发

杨艺伟，裘科名，张 璟，庄益娈，徐洪海

（1.绍兴市上虞区计量测试所，浙江 绍兴 312300；2.绍兴市上虞区产品质量监督检验所，浙江 绍兴 312300）

基于PLC的叶轮超速试验自动控制系统的研发

杨艺伟1，裘科名2，张 璟2，庄益娈2，徐洪海2

（1.绍兴市上虞区计量测试所，浙江 绍兴 312300；2.绍兴市上虞区产品质量监督检验所，浙江 绍兴 312300）

叶轮超速试验是风机性能检测的重要试验之一，可以对风机的制造质量水平、叶轮的强度和刚度进行参考和评定。针对国家风机行业标准要求，结合自身实验室条件，开发了一款具有真空系统的自动控制检测装置，整个系统采用模块化设计，分为主体系统、真空系统、控制系统，控制系统通过上位机与下位机的设置完成系统控制，具有较好的实际意义和应用价值。

叶轮超速试验；控制系统；主体系统；PLC

传统的叶轮超速试验台多为手动操作，这就造成了控制系统的稳定性偏差，甚至有些试验数据不能及时采集，从而造成不能完整有效地记录试验结果。针对以上的这些缺点，结合实验室实际需要，研发一款具有自动控制系统计算机的叶轮超速试验台具有其现实意义。

1 试验台概述

超速试验是利用高速旋转所产生的强大离心力，在超速试验件工作转速不小于1.1倍的试验转速下对高速旋转工件预加负载，以检查工件是否安全可靠的一种近代先进的科学负载[1]。对高速旋转工件进行超速试验就成为确保高速大应力旋转工件安全可靠的唯一手段，因此超速试验机就成为高速旋转机械生产企业必不可少的检测试验设备。

控制系统采用上位机与下位机相结合的控制策略，上位机采用工业控制计算机，可对设备进行智能监控和远程操作，保证设备的高效不间断运行。下位机采用PLC控制，可靠性强、抗干扰能力强，可实现故障自诊断和智能控制，可在控制过程中完成数据采集及处理，根据编程程序完成顺序控制，提供故障报警和故障分析完成对系统的保护。

2 主体系统

主体系统部分针对风机叶轮直径较大的特点采用上立式结构设计，主要由底板、支承裙座、试验腔体、试验腔盖、连接轴、防爆保护层等组成，采用变频器配合直流电机可实现0～5 000 r/min范围内的无级变速，同时安装同轴数字编码器用于实时检测并反馈转速，主轴采用带橡胶阻尼减振的连接轴系结构，采用带橡胶圈的连接轴系结构增大了主轴系统的阻尼，有助于使超速试验机顺利通过临界转速，同时又抑制了工件掉块等引起的振动，保证超速试验机稳定、高效运行。

此外，在试验腔体内安装振动传感器用于实时反馈振动值，并根据试验要求可设定的最大振动值完成自我保护和自动停车；安装热电偶传感器，及时监测腔体内温度防止过热；试验腔体内设置防爆保护层，防止散落工件损坏试验设备。

3 控制系统

根据设计要求，将控制系统分为上位机与下位机，上位机主要用于接收下位机的采集信号，完成基本参数设置与数据处理，同时对整个系统进行监测，提供系统保护和故障监测；下位机主要用于采集温度、压力、转速、真空度、振动等数据信号，并完成与上位机的通讯，提供就地保护和电气、辅助设备的启停。控制系统结构原理图如图1所示。

图1 控制系统结构原理图

系统通过与异步电动机相连的编码器获取输出转速后，通过RS232总线将转速信号传递给PLC，完成对系统转速的控制；与此同时，通过安装在主轴的振动传感器获取振动信号并传送给PLC，根据获取的振动与转速信号，结合超速试验中要求的试验条件，完成试验所需设置。PLC可通过实时的转速数据，通过变频器调节控制电压获取目标转速。在开始试验之前，可通过PLC完成对电气设备和辅助设备的开启及结束试验后对设备的关闭。同时，PLC与工控机通过现场总线连接完成上位机与下位机的通讯，及时反馈系统运行状态中的参数，完成上位机的指令操作。上位机具有友好的人机互助界面，可进行参数设置，可实现远程人机操作，还可对数据进行系统分析和存储。此外，还可设置系统保护装置，实现紧急停车，保护试验设备。PLC是超速试验机控制系统的核心，负责执行上位机的命令，完成真空泵和主机设备的启停，输入信号的采集，电机转速的控制以及系统故障识别，完成与转速仪表、温度仪表、振动传感器、真空表等通信，增加控制的稳定性，快速、高质量地完成控制过程。在下位机的设计中，增加了西门子的SIMATICHMI显示界面，可在现场界面上显示过程数据，通过画面上的输入域修改系统的参数，实现电气系统的启停，显示报警等功能，其特点主要是具有标准化的硬件接口和通信协议，可与西门子PLC配合迅速完成数据通讯，实现控制响应。

4 真空系统

结合风机行业测试标准要求，采用真空系统，在真空泵吸气口与试验腔出气口之间设置电动阀门，试验腔内的空气经由此阀吸入真空泵后排出，真空泵停止工作时电动阀门关闭，防止空气反冲入试验腔内，维持试验腔内的真空度，同时在试验腔体出气口的连接管道处设置真空压力变送器，传送到人机互助界面显示实时真空度。

5 结论

叶轮超速试验自动控制系统采用计算机控制，实现了自动控制与远程控制，同时结合试验要求，采用真空系统保证腔体的真空度，更加真实、有效地反映出叶轮的刚度、强度以及振动情况，为企业提供了叶轮的精准检测数据，同时还可以为叶轮的最优化设计提供参考资料，为市场提供优质的风机产品零部件。

［1］重庆通用工业（集团）有限责任公司.JB/T 6445—2005工业通风机叶轮超速试验［S］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］王燕伟，吴荣仁，何庆，等.叶轮高速旋转试验台自动控制系统开发［J］.机械工程师，2008（02）.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.113

2095－6835（2017）21－0113－02

〔编辑：刘晓芳〕