全数字直流调速装置在船模试验拖车控制系统中的应用

中国科技论文

　　　实　验　技　术　与　管　理　　Vol.19　No.6　2002　

统计源期刊

全数字直流调速装置在船模试验

拖车控制系统中的应用

刘　航,朱建华

(华中科技大学交通学院,武汉　430074)

摘　要:本文介绍了一种全数字直流调速系统在船模试验水池拖车控制系统中的应用实例,它与目前常规的模拟、数字调速系统相比,具有较大的技术优势。特别是具有集成度高、抗干扰性能好,所有控制、调节都由微处理器来实现,因此能长期保持稳定的控制精度。对调速精度要求较高的电气拖动系统具有推广价值。关键词:全数字直流调速装置;拖车;微处理器;变流器中图分类号:U611173　文献标识码:B　文章编号:1002-4956(2002)06-0024-04

船模试验拖车是用来做船舶性能试验的基本设备,其作用是拖曳船模或其他模型在水池中作匀速运动,以测量速度稳定后的船舶性能相关参数,达到预报和验证船型设计优劣的目的。因此试验数据的准确性与拖车速度精度有直接关系,所以,提高拖车的动态品质和稳速精度是非常重要的,为此拖车的控制部分我们采用了高精度的全数字直流调速控制系统,它能很好的满足试验要求和实现上述目的。1　系统的构成及原理

船模试验水池拖车电控系统以德国SIEMENSSIMOREG6RA24为核心部件并由工控机、全数字直流调速装置、滑触电缆和测速反馈等构成。其工作原理如下:

拖车控制系统给定部分由工控机实施,工控机与直流调速装置6RA24间采用西门子USS协议进行通信,PC机上用VB软件编程实现给定和电控系统的监控。为了有较好的

控制性能,测速反馈选用了光电编码器,它将拖车速度的脉冲数字信号反馈到6RA24调速装置中,通过速度、电流调节器,形成一个双闭环系统。由于6RA24调速装置闭环控制及通信功能由装置内部的16位微处理器实现,在控制指令下6RA24调速装置自动控制拖车在船模试验水池轨道上实现加速和稳速等运行。系统的原理方框图如图1所示。2　系统主要硬件及功能

(1)工控机:考虑水池实验环境恶劣(湿度大、拖车运行时的震动),选用研华高性能

收稿日期:2001-10-11

),男,工程师1作者简介:刘　航(1957—

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图1　系统原理方框图

工业控制计算机设立上位机监控站,工控机内配有光隔离通讯卡和多路继电器输出卡。

计算机通过RS485总线与直流调速装置建立通讯,主要用来对拖车电控系统进行操作、控制,它具有数字化的拖车运行速度给定,实时显示拖车的运行位置、调速系统的运行状态和故障报警等信息功能。

(2)直流调速装置:自动控制部分由上位监控站(研华工控机),通过RS485总线与6RA24的X500接口建立通讯来完成;手动控制部分则是由拖车操作台面板上的按钮来完成。该装置为三相交流电源直接供电的全数字可逆变流装置,由于SIMOREG6RA24变流器采用一台高性能的微处理器承担所有的控制、调节、监视功能,具有运行速度快,调节精度高,保证了系统的稳定性和良好的动态性能。

(3)测速反馈装置:拖车测速反馈装置,采用安装在拖车上的一只加工精度高、有6个自由度的测程轮,用一定的压力压在轨道上,随车滚动。在轮的同轴上装上编码器,其作用是将拖车的运行速度转变成脉冲信号,一路送往控制计算机作为拖车速度测量信号,一路送往直流调速装置作为速度反馈信号,脉冲编码器旋转一周产生5000个脉冲,每一个脉冲代表011mm的行程。

(4)拖车驱动电机:拖车的驱动电机为4台220伏、22kW直流电动机。通过改变电机电枢电压极性可改变拖车运行方向,改变电机电枢供电电压可获得不同的运行速度。

(5)高低速切换控制:由于拖车运行速度范围为0105米/秒～810米/秒,为了保证系统的低速精度,我们采用了改变电机的联接方式来实现拖车高低速工作方式的切换。当速度在0105～510米/秒内时,主回路的4台直流电动机为串联连接,这样使4台电机转速保持一致,有效地保证了拖车的低速精度;当速度高于510米/秒时,通过计算机控制自动将主回路的4台电机联接方转换为两并两串,以满足电机电枢所需驱动电压、电流的要求,同时保证了高速精度。

(6)滑触电缆系统:主要有由滑线、碳刷、集电弓等组成,通过它将380伏交流电源传送至运动的拖车上。3　系统控制软件

软件运行环境为Windows98系统,采用VB软件编程通过RS485总线与6RA24接口建立通信,当计算机和6RA24建立通信后,计算机监视窗口将显示出6RA24开关量输入、输出状态。在运行窗口中,可以设定车速、运行方向、车位的初始位置及停车位置,以保证拖车运行的安全性。同时显示车速设定值、车速实际值、拖车运行距离,并具有操作控制拖车运行的功能,以实现过程监控。

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拖车控制软件除了具有以上功能外,还具有直流调速装置重要参数设定功能,可方便

地进行直流调速装置与计算机间的数据通信。直流调速装置发生故障,监视窗口将出现闪烁的报警信号,需要时可调出故障内容以方便对故障诊断。系统控制程序设计流程图如图2所示。

图2　系统控制程序流程图

4　系统安全保护

为了保证拖车安全可靠运行,系统设有多种保护功能。西门子6RA24直流调速装置

本身具有很强的故障报警和各种故障停机安全保护功能。如发生过流、欠压、过压及编码器测速回路故障,励磁电流调节回路故障引起的超速故障等,会自动发出故障信号,这些故障均可以通讯方式传送到工控机进行监视,并自动实现停车保护。除此以外,我们还加装了拖车“雪撬”保护装置,当拖车冲出警戒位置后,该装置可以将拖车车轮抬离轨道,实现紧急停车。

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5　控制系统主要特点及主要技术指标

对于船模试验水池拖车电控系统来说,可靠性、稳定性是至关重要的,因此控制系统的“核心”选了SIMOREG公司6RA24全数字直流调速装置。他主要有以下特点:

(1)所有开环和闭环控制及通讯功能由极强的16位微处理器实现。

(2)抗干扰性好,运行可靠,不受元器件老化和温度漂移的影响,能长期保持稳定的控制精度。

(3)具有很强的自诊断处理功能,对缺相、过流、过压、欠压、超速等100多种故障进行监视和处理,并且提供有关故障原因的补充信息,使故障原因一目了然,故障排除更为简单、方便。

(4)本系统计算机操作友好界面,采用VB高级语言开发界面,用宏汇编语言做低级接口,功能上操作方便实用。拖车电控系统既可通过计算机自动控制,也可脱离计算机手动操作。特别是对车速在0105米/秒至8米/秒较宽的调速范围内,采用一套调速系统,通过改变电机连接方式(串、并联)的方法来实现拖车高低速工作方式的切换,这样即保证了拖车运行时的高低速精度,又节约了经费。(5)主要技术指标拖车驱动电机功率:22kW×4台

拖车运行速度范围:0105米/秒～810米/秒稳速精度:≤±1‰最大加速度:0108g

工控机:软件运行环境Windows98系统,硬件要求Pentium以上兼容,显示器分辨率800×600或更高。

全数字可逆直流调速装置:德国西门子公司6RA7078-6DV62-0。6　拖车控制系统运行情况

拖车控制系统自2000年投入使用以来,经过完成多项科研、教学试验,其结果表明该系统具有自动化程度高、调速快、稳速精度高、操作方便、工作安全可靠等优点,而且大大提高了工作效率。对于我们现有的175米长的船模试验水池,由于实际有效测量段只有130米,过去对车速要求7米/秒以上的高速船舶性能试验因有效测量距离非常有限,很难开展相关实验研究,给拓宽实验室功能带来很大的局限性;现在,拖车采用了全数字可逆直流调速装置后,由于起动性能好、加速段短、调节方便、可视性强,大大缩短了试验周期,为我们开展对高速船舶性能的分析、研究、提供了技术保证。目前,随着计算机的不断发展,数字技术现代控制领域中的应用也越来越多,有着广泛的应用前景。

[参考文献]

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