挟沙风冲蚀实验装置控制系统的设计*

闫彩霞陈松利甄 琦王星燃

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

冲蚀磨损指的是材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，是由多相流动介质冲击材料表面而造成的[1-3]。冲蚀磨损对工业设备的正常运行产生了很大影响，例如导致零件失效、效率降低，甚至成为事故隐患，威胁安全生产[4-5]。因此提高材料的抗冲蚀性能已成为亟需解决的重要课题，它对于提高机械零部件的使用寿命，降低能源的消耗，改善设备的运转效率，提高经济性有着非常重要的意义。课题主要研究风沙对于风力发电机叶片的冲蚀影响，对于风力发电机组的安全运行和经济效益，以及风电机组叶片的设计改进，有至关重要的意义。然而，由于目前的冲蚀试验机都适用于特定的工况条件，不同试验机的组成结构和性能参数差别较大，很多相关研究因为模拟风沙环境受限从而使得研究效果达不到预期。但在自然环境中，挟沙风冲蚀磨损的过程并不明显，也很难进行定量分析。因此，模拟出一套风沙环境中沙粒对风机叶片加速冲蚀磨损的试验设备是极为重要的，在试验设备中，风中所挟带沙粒的重量控制是实现加速磨损的关键所在[6]。

综上所述，设计一套能够精确模拟风沙环境的设备意义重大，而且稍作调整后能够推广应用到其他涉及到冲蚀磨损研究的领域。

冲蚀装置最的动力来源是步进电机，对于步进电机的电气控制系统的设计，有采用单片机控制的，也有采用触摸屏和PLC 的。PLC 集成化程度较高，稳定性较好，具有组态灵活的特点，能够较好地结合触摸屏实现人机交互界面，因此得到了广泛应用[7-11]。

本文以冲蚀设备中的关键部分—喷砂装置，为研究对象，建立了以西门子S7-200 SMART PLC 为核心控制器的三步进电机控制系统，为冲蚀设备提供动力源，实现沙流量的控制。本文主要进行了硬件选型设计、软件系统设计，并将触摸屏作为上位机，进行操作界面设计，实现了方便操作的目的。

1 系统硬件设计

控制系统选用西门子S7-200 SMART 系列的ST40 PLC 作为控制器，晶体管输出型。S7-200 SMART PLC 主要具有以下优点[12-15]:执行速度快，基本指令仅需0.15 μs 即可执行；具备良好的以太网通信功能，仅需一根网线即可实现其他部件与PLC的传输连接；脉冲多路输出，S7-200 SMART PLC 具备3 个高速脉冲输出口，脉冲输出频率均可达100 kHz。编程软件采用STEP 7-MicroWIN SMART，软件中的位控向导指令可以较好地完成PWM 与PTO 的设定。触摸屏采用威纶通TK6071IP，内置处理器是ARM RISC 528 MHz，128 MB 闪存，可以快速地响应组态程序的控制；24 V 直流电即可驱动；在电源的内部还有隔离保护，满足安全需求。

步进电机选用86BYGH250AL-14J，其步距角为1.8°，转矩为4 N·m，步进驱动器的型号为DM542，有8 个拨码开关，其中SW5-SW8 用于选择7 档细分控制，本装置选择为4 细分。其中SW1-SW8 的拨码开关中，SW3、SW4 和SW6 为OFF 状态，其余开关为ON 状态。

图1 为喷射式冲蚀实验装置示意图，气源由空气压缩机提供，气压大小由调压阀控制，当压力固定后，空气在管道内的流速与管道内横截面积成反比[16]，通过控制冲蚀管入口处气流的压力即可实现冲蚀管道内气流的速度控制，即控制了实验需要的风速；PLC 主要用来控制3 台步进电机的变速运行，能够实现步进电机的正转、反转和停止；螺旋推进器上面是沙箱，螺旋推进器由步进电动机拖动，通过调整步进电机的转速调节挟沙风的含沙量。气流和沙子从混合加速管喷出，形成挟沙风，作用于风电机组试验叶片上面。该装置的冲蚀箱内设有三个喷砂口，便于研究冲蚀对翼型整体气动性能的影响。控制系统中，触摸屏主要实现对于步进电动机加速、减速、正转、反转、停止的操作，以及历史运行数据显示功能。

图1 喷射式冲蚀实验装置示意图

2 控制系统硬件设计

根据控制需要，设置5 个按钮SB1—SB5，M2.0—M2.5 为触摸屏的控制键对应的地址。具体I/O 分配表如表1 所示。

表1 I/O 分配表

图2 所示为硬件接线图，实验需要3 台电机同步同速运行，因此，实物接线中，PLC 的一个输出端口连接3 个驱动器，分别驱动3 台步进电机。

图2 硬件接线图

PLC 和驱动器的连接采用共阴极连接方法。供电电源采用24 V 直流电源模块；脉冲输出端口Q0.0 通过2 kΩ 限流电阻分别接到3 个步进电机驱动器的PUL+端，方向输出端口Q0.2 通过2 kΩ 限流电阻分别接到3 个步进电机驱动器的DIR+端。触摸屏通过RS485 总线与PLC 的通信端口连接，PLC的程序上传和下载通过网线和电脑连接实现，PLC的IP 地址为192.168.2.1。威纶通TK6071IP 触摸屏有两个通信接口，分别是USB2.0 通信接口和RS-485 通信接口。USB2.0 可以用来与PC 端通信，完成对组态程序的上传和下载，RS-485 通信接口实现触摸屏和PLC 的通信，采用PPI 通信协议。

3 控制系统软件设计

控制系统软件设计主要包括人机界面组态以及PLC 控制程序设计，通过对人机界面参数设置，可实现3 个步进电机的调速控制。

3.1 人机界面组态设计

组态软件采用威纶通IP 系列触摸屏专用软件—Utility Manager。用EasyBuilder Pro 编辑工程文件，设计操作界面后，设置通信参数，实现与PLC 的通信，达到使用触摸屏控制PLC 的目的。

图3 所示为触摸屏操作界面，初始界面如图3(a)所示，图3(b)为控制窗口，实现步进电机的正反转和停止操作，图3(c)为调速窗口，通过界面中的两个三角形按钮实现加速和减速，图3(d)为操作历史界面，可查看步进电机的运行历史。

图3 触摸屏界面

3.2 PLC 控制程序设计

PLC 控制程序编写主要采用STEP7-MicroWIN SMART 软件完成，步进电机的启动控制主要通过运动控制向导完成。依据控制系统基本原理，控制系统流程如图4 所示，步进电机是螺旋推进器的动力源，依据试验所需输沙量调整步进电机的转速。

图4 控制系统程序流程图

使用MOV_DW(移动双字)指令将步进电机运行的初始速度50 脉冲/s 存入轴预设速度的双字寄存器中，通过使用位控向导中的AXISO_CTRL 模块(轴初始化模块)，即可观察到步进电机的当前位置(使用脉冲数来表示，0 为初始位置)、当前速度(脉冲/s 为单位)和当前方向(0，1 分别代表正转反转)。方向控制模块通过2 个MOV_DW 指令将带有符号的数值存入运行脉冲数量的双字寄存器中，符号控制步进电机运行方向，正数表示正转，负数表示反转，存入的数值代表步进电机将要运行的脉冲数量。根据实验情况，需连续运行时，设置为系统允许最大值。位控向导AXISO_GOTO(轴相对定位模块)中将mode(模式)设置为1 即使用步进电机相对定位模式，Abort 为该模式的关闭信号输入。将停止按钮的地址取非后接入AXISO_GOTO 的Abort 输入触点作为停止信号；加减速调速控制采用增加或减少脉冲数的方法实现。

4 系统调试与验证

将所设计的步进电机控制系统与冲蚀装置其他部件装配，叶片冲蚀装置整机实物如图5 所示。经过试验，系统整机运行情况较好，步进电机运行比较平稳，步进电机的转速可根据实验需求进行调节，进而调节冲蚀装置的含沙量。步进电机的启动转速为50 脉冲/s，每按一次调速按钮，增加或者减少25 脉冲/s，该数值可根据实验需要修改。沙粒落在冲蚀管内，与气泵配合，能够模拟挟沙风，不同转速下的下沙量如表2 所示，随着步进电机脉冲数的增加，下沙量也增加。后期试验需要根据实际情况进行加速磨损，因此在不同转速下的输沙率比自然界中的挟沙风含沙量大。该设备能够满足冲蚀试验要求。

图5 叶片冲蚀实验装置

表2 不同转速下的输沙率

5 结论

本文通过采用以PLC 为核心控制器的步进电机调速系统的研究，实现了步进电机的调速控制，以及正反转运行，并设计了人机界面。该控制系统能够较精确地控制冲蚀装置的下沙量，该装置配合气泵，能够较真实地模拟实际中不同挟沙程度的挟沙风，为风机叶片涂层冲蚀磨损的研究奠定了基础。