（电力电子与电力传动专业论文）直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现.pdf

皇茎垫堑墨堕竺堂皇垄垫垫鎏型至堑堡生量壅翌 a b s t r a c t r o t o rt e s tb e di so n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n t si n t h e p r o c e s s o fh e l i c o p t e r d e v e l o p m e n ta n d t e s t n l ee s t a b l i s h m e n to fi tb o o s t e dt h ed e v e l o p m e n to fh e l i c o p t e r s g r e a t l y e l e c t r i c a la c d r i v ei sa d o p t e da st h ed r i v es y s t e mo fr o t o rt e s tb e d t h i s a r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er o t o rl o a d si nt h et e s tb e d t h u sw o r k e d o u tt h ep o w e rr e q u i r e m e n tf o rt h ed r i v es y s t e m a f t e rt h a t ，c o n s i d e r i n gt h ed r i v e e q u i p m e n t i n t e n d e dt ou s e ，i te s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo f s p e e dr e g u l a t i o n s y s t e mb a s e do nv e c t o rc o n t r o l + h e l i c o p t e rr o t o rl o a d “w i t hm a t l a b ，w h i c h a n a l y z e d t h e f e a s i b i l i t y o fa p p l y i n ge l e c t r i c a l s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mt o d r i v e h e l i c o p t e r r o t o rl o a d s s e c o n d ，t h ea r t i c l e a n a l y z e d t h ec o n t r o lm e t h o do ft h e t h r e e 1 e v e li n v e r t e ru s e di nt h es i m u l a t i o nm o d e l w i t hi n t r o d u c t i o nt oan o v e ld o u b l e h y s t e r e s i sb a n dc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d ，a n dc o m p a r e d 晰t h t h et r a d i t i o n a lh y s t e r e s i s b a n dc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sf r o mt h ea n g l eo f s w i t c h ! n gf r e q u e n c y 1 1 1 er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n p r o v e d t h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f u r t h e rm o r e ，t h em a i n o b j e c to f t h i sp r o j e c ti st os e tu par e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e mf o rt h ed r i v es y s t e mo ft h er o t o rt e s tb e d e m p l o y i n gt h el a t e s tf i e l db u s t e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s sa u t o m a t i o nf i e l d ，t h ea r t i c l ei n t e g r a t e dt h ep l c ，c o n v e r t e r , c o m p u t e rw i 也p r o f i b u sd pn e t w o r k a n dr e a l i z e d t h er e a lt i m em o n i t o ra n d c o n t r o lo ft h ed r i v e s y s t e m t h es i e m e n sp l cp r o d u c t ( s t e p7 ) a n di n d u s t r i a l s o f t w a r ep r o d u c t ( w i n c c ) a r eu s e dt o d e s i g nt h el o g i cc o n t r o lp r o g r a m sa n dt h e m o n i t o r - c o n t r o li n t e r f a c es e p a r a t e l y c o o p e r a t e dw i t ht h e e n g i n e e rf r o ms i e m e n s g e r m a n y ，w em a k et h ed r i v es y s t e mo ft h er o t o rt e s tb e dm e e ta l lt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o ls y s t e mo fi tp e r f o r m ss t a b l ya n dr e l i a b l y , a n dw i n sh i g h c o m m e n d sf r o mt h ei n v e s t o r so ft h e p r o j e c t k e y w o r d ：r o t o r t e s tb e d ，a cs p e e dr e g u l a t i o n ，f i e l db u s ，r e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o l ，p r o f i b u s l i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：雄銎 日期：2 0 0 5 - 2 - 2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 符号注释 s i m o v e r tm v西门子公司的三电平电压源型中压变频器 f i e l d b u s现场总线 p r o f i b u s现场总线的一种实现标准 d c s集散控制系统，工业控制系统的一类 f c s 现场总线控制系统 w i n c c视窗控制中心，西门子公司联合微软开发的工控软件 h m l人机界面 s c a d a监控管理系统 p l c可编程序控制器 s 7 3 0 0西门子公司的p l c 产品型号 c b p 2s i m o v e r tm v 变频器选件，用于处理与外部的p r o f i b u s 通信 c p 5 6 1 1计算机端通信卡，用于p r o f i b u s 网络通信 c p l 6 1 3 计算机端通信卡，用于与外部工业以太网通信 s p w m 正弦脉宽调制 s v m空间矢量调制 o d b c 开放的数据库连接 s q l结构化查询语言 o l e对象的链接与嵌入 a c t i v e x 动态对象 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先概述了直升机旋翼试验塔的基本组成。接着重点讨论其拖动系统 构成及远程控制的实现，最后介绍本文研究的主要内容及主要意义。 1 1 直升机旋翼试验塔概述 1 1 1 课题背景 旋冀试验塔是直升机研制和试验过程中所需的关键设备之一，它能进行l ：l 的实物试验，模拟实际飞行过程中旋翼的工作状态，反映飞行状态下旋翼的气 动、动力学、飞行力学等情况，检测旋翼是否达到设计要求，并为进一步的改 进设计提供各种数据，为不同机型、不同翼型直升机旋翼的理论研究与实际运 用提供了有力的试验验证手段。美国西科斯基公司、波音公司、法国欧洲宇航 直升机公司先后在二十世纪八十年代及九十年代初，研制了该试验塔。其主要 特点是系统功率大、技术要求高，工程总量及规模大，风险性大，属于高、精、 尖的科研项目。 随着直升机技术的不断进步，对直升机旋翼试验研究的要求也越来越高一 种新型旋翼的设计思路或旧式旋翼的改进方案，其性能指标从理论上或许是行 之有效的，但在实际应用中可能会有所不同，有时甚至会差距很大，这都需要用 试验来证明【2 7 j 。以往国内进行的旋翼试验均为模型试验，即将实际旋翼根据一 定的比例缩小，制成模型进行各种试验，据此推算实际旋翼的性能指标。然而 旋翼试验牵涉到了气动、动力学、飞行力学等各方面问题，涉及的各种参数多 为非线性，且相互关联。因此模型试验无法准确反映实际飞行中可能出现的种 种情况，存在定的局限性。 为了加快我国直升机事业的发展步伐，由中国直升机研究所主持研制我国 首座直升机旋翼试验塔，建成之后，结合已经研制成功的直升机旋翼机身组合 模型试验合、两吨级旋翼旋转试验台、直升机尾桨通用试验台、直升机地面联 合试验台等试验设备，将使我国的直升机旋翼试验从模型试验到全尺寸旋翼试 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 验，再到地面联合试验，形成一个完整的闭环，试验规模、试验手段、数据处 理技术等基本与当前先进国家的技术水平相当。 本课题研究旋翼试验塔拖动控制系统，属国防科工委高新工程条件保障建 设项目直升机旋翼试验塔的子项目。 1 1 2 旋翼试验塔系统组成 直升机旋翼试验塔由拖动单元、旋翼单元、测试单元三部分组成，各部分 之间相互协作，如图1 1 所示。其中拖动单元是试验塔的基础部分，用来驱动 旋翼运转并控制旋翼的转速；旋翼单元是试验主体，由传动轴、旋翼及各种狈4 试传感器组成；测试单元接收来自拖动单元与旋翼单元的各类数据进行处理， 得出试验结果并可根据需要改变试验进程。 图1 1 旋翼试验塔系统组成 1 1 3 旋翼试验塔对拖动系统的要求 旋翼试验塔作为全尺寸旋翼试验设备，要求模拟实际飞行过程中的起飞、 悬停、前飞等不同状态，对转速有很高的静态精度要求：同时，旋翼试验塔主 要满足新型武装直升机研制需求。对转速的动态指标要求也很高。此外，旋翼 试验塔还需满足不同机型旋翼的试验需求，工作在不同的转速一功率范围内。因 此，拖动系统在满足大的输出功率的基础上，还要求具有宽的转速一功率范围， 并具备良好的动静态特性。具体技术指标如表1 1 所示。其中对转速范围的要 求仅在接机型旋翼负载时需达到2 2 5 0 r m i n 。 表1 1 拖动系统技术指标 转速范围正反转o - 2 2 5 0 r m i n 可调 转速精度 误差o 1 系统硬特性空载时突加额定载转速变化小于5 ，并在o 5 - 1 秒内稳定 加速特性从启动到额定转速时间为5 1 5 秒可调 减速特性从额定转速到零时间5 1 5 秒可调，快速停车时间0 - 5 秒 南京航空航天大学硕士学位论文 续表1 1 i 功率转速范额定转速9 9 5 r m i n ，对应功率3 3 0 0 k w ，并能过载到4 0 0 0 k w l 围运行3 0 分钟，满足不同机型旋翼要求( 详见表2 1 ) 1 1 4 旋翼试验塔拖动方案选择 建立这样大功率的拖动系统，液压、气动马达显然已经不能满足要求，只 能采用电力拖动。电力拖动有直流调速和交流调速两类传动系统。 直流调速控制简单，调速性能良好。但是由于直流电动机本身在结构上存 在缺点，它的机械接触式换向器不仅结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且在 运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等问题的存 在，在运行中需要有经常性的维护检似副。又因为旋翼试验塔所在地环境湿度较 高，对直流电动机尤为不利。 而交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机由于它结构简单，制造方便， 价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环 境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用【5 1 。交流电动机不利之处在于其控 制较为复杂，调速性能较差。然而随着电气传动技术的不断进步以及电力电子 器件和微处理器技术的不断发展，交流调速系统的调速性能不断提高，已经接 近甚至能够超过直流调速系统扣j 。因此，拖动系统最终选择交流调速方案，第二 章中将给出其可行性论证。 1 1 5 高压变频调速技术 随着电气传动技术尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变 频调速技术( 习惯称谓，与电网电压相比，应称为中压) 也得到了广泛的应用【”。 旋翼试验塔所带旋翼负载最大额定功率达到3 3 0 0 k w ，选用交流调速方案，就必 然要应用高压变频调速技术。评价高压变频调速技术的指标主要有：成本、可靠 性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、d v d t 、共模电压、系统效 率、能否四象限运行等f 2 1 。 随着新型大功率电力电子器件的性能不断改进，大容量高压变频器仍处于 不断发展之中。因此，它不象小功率变频器那样具有基本相同的结构，而是随着 使用场合和功率的大小可以有不同方案的选择。冒黉囊焉章舅疃舅 拇胡静魍舟嗍聱魈蠓鞫黑置囊曹- 醴，疮稠嘲嗍舅嗍喜赣： 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 另一种是茺黑暖冀奠_ “高一低一高”式高压变频器由输人、输出变压器及低压变频器组成。输人 降压，经低压变频器后，再经输出变压器升压，供给高压电动机。这种方案实 际应用的仍是低压变频调速技术，存在较明显的缺陷。主要是两次电压变换增 加了损耗，降低了效率，并且占地面积稍大，还产生大量的高次谐波。但是这 种系统技术难度相对较小，投资相对较低，对功率较小的场合仍比较适用。 “高一高”式高压变频器。一般由输人侧隔离变压器和功率单元组成，由于 省掉了输出变压器，因而减少了损耗，提高了效率，减少了占地面积，容量越 大直接高压变频器的优势越明显，直接高压变频器是大容量电动机调速驱动发 展的方向【3 1 。按有无中间直流环节又可将其分为交交变频器和交直交变频器。常 规的交交变频器由于输出频率的限制只能用于低速场合。而交直交变频器按直 流环节所用储能元件的不同又分为电压源型与电流源型两类。 电压源型变频器采用电容滤波，直流回路的电压波形比较平直，电压不易突 变：交流输出为方波电压或方波电压序列，电流经过电动机绕组的滤波后接近于 正弦波【l l 。电压源型高压变频器具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入 电流谐波含量低、功率因数高和效率高等优点，应用较为广泛【4 l 。但是由于直流 回路存在大电容，直流电压不能反向，而整流器因其单向导电性，电流也不能反 向，能量难以回馈，电动机如欲再生制动，需要另外反并联一套相控整流器。常 见的电压源型高压变频器有三电平p w m 变频器及单元串联多电平p w m 变频器【2 】。 电流源型变频器采用电感滤波，直流回路的电流波形比较平直，电流不易突 变：交流输出为方波电流，电压由输出电流及负载决定。由于直流回路接的是大 电感，虽电流方向不变，但允许电压反向，可以通过控制改变逆变器和可控整流 器的电压极性来回馈能量，电动机能方便地实现再生制动。同时，由于存在大的 平波电抗器和快速电流调节器。所以过电流保护比较容易1 2 】。但是电流源型变频 器输入输出电流谐波含量较大。对电网和电机的均有不良影响，限制了其应用。 当采用晶闸管可控整流时，输入功率因数一般较低，且随转速的下降而降低，通 常要附加功率因数补偿装置。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压， 当没有输入变压器时，共模电压会影响电机的绝缘【1 一。常见的电流源型高压变频 器有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换向式和g t o p w m 式等【2 】o 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 旋翼试验塔拖动系统构成 1 2 1 系统构成与主要设备指标 旋翼试验塔的主动力拖动系统采用电力交流拖动。系统构成如图1 2 所示。 齿轮减速箱减速比4 7 8 ，在变速的同时改电机的水平旋转为旋翼轴的垂直旋转， 起到了连接拖动单元与旋翼单元的作用，并且有助于提高系统的低速特性。 图1 2 拖动系统结构图 主要动力传动设备采用西门子公司制造的中压变频器和中压电机，其额定 数据如表1 2 1 4 所示。 表1 2 电机额定数据 型号 1 t z l 2 3 3 4 a u 0 3 一z备注 额定功率 3 3 0 0 k w 额定电压 4 1 6 k v 额定电流2 x 2 7 1 a 额定频率 5 0 h z 额定转速9 9 5 r p m 额定转矩 3 1 6 9 5n m 最大转矩倍数 2 5 转速范围o 9 9 5 r d m转矩、 匝盼 三鬟l ) - “譬：9 与) 口型”口型o r一 毒艇惫 盎嘉孟嘉 上龟反蕾值目 上电m 攥i 希i 灯蛀行厦馕倩号 运f 器澡玎 a ) 电源控制 b ) 运行控制 图4 7 运行控制功能块实现逻辑 图4 8 为温度监控功能块的实现逻辑。对从模拟量输入模板上得到的电机各 部分温度监测值进行比较，取最大值，作为显示值并以之判断是否超限。超限 值是预先存储在p l c 里的，初始以厂家提供的限定值为准，试运行后还应根据 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 设备工作情况调整。传送到变频器的温度超限信号以汇总的信号为准，具体是 哪一部分出现温度超限则传送到w i n c c ，在报警记录中存档以各查询。图中只 给出了报警限的判断，故障限的判断与之相似。 h 哪 珊 匝珍匝盼 抟猫 轴黼瘫鼬 嘲哪 p 皿 郴峨黼溅 魏鞋野鑫 剖当 当 r 厂n l l 锄村ir 厂ni 狮啊蝌 a ) 温度比较b ) 超限判断 图4 8 温度监控功能块实现逻辑 图4 9 为报警显示功能块的实现逻辑。所有报警、故障信号均以变频器返回 值为准，此模块只负责显示，具体处理在其它与操作相关的模块中完成。 主鞭鼍升报 a ) 报警显示 b ) 故障显示 图4 9 报警显示功能块实现逻辑 图4 1 0 为运行参数监控功能块的实现逻辑。此功能实际只是数据的转移， 将从p r o f i b u s 网络上得到的参数值转移到某一固定地址，w i n c c 程序则由此 处读取数据在监控画面上显示，变频器给出的参数值均是规格化表示，即以 尚搬蛩 嚣一 j i _ 1 南京航空航天大学硕士学位论文 0 1 6 3 8 4 表示o 参数额定值，在w i n c c 端还要进行数据转换。其它监控参数还 有电机电压、转速等均与此相似。 从攀m w l 卫3 4 幽量匠知豢圆 p z d 3r e c e i v em o t o rc u r r e n t 从竺盘凹面裟匝 p z d 6 _ r e c e i v em o t o t j o w e r 图4 1 0 运行参数监控功能块实现逻辑 图4 i i 为网络通信功能块的实现逻辑。先将所有变频器需要的关于操作控 制、外部报警故障的数据放置到指定的通信数据区，然后调用d p 写系统功能块， 将数据通过p r o f i b u s 网络传给变频器。再调用d p 读系统功能块，将系统运 行所需反馈数据从变频器读入到p l c 的指定数据区，其它程序功能块及w i n c c 程序统一由此读取。 糠佧信号 糍1 i1 l 厂丁t l ， 叫ilj 报瞢信号芒e 掺ji i 而告= i 删 一2 。l f o r ! ! ! ! ! 一 ( c a l l 卜型生! ! ! ! _ 一d p 写模块l ! ! ! 生一 ( c a l l 卜一一! 羔! 一id p 读模块p 竺竺二二二尘 图4 1 1 网络通信功能块实现逻辑 4 3 小结 本章介绍旋翼试验塔拖动系统远程控制的实现，给出控制系统的构成，阐 明了p r o f i b u s 网络的建立方法。并从硬件组态、网络组态、程序设计等方面详 述了p l c 在控制系统中的应用。 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 第五章实时监控人机界面设计 旋翼试验塔拖动控制系统采用w i n c c 建立人机界面，很好的完成了实时监 控功能，确保拖动系统安全、可靠运行。本章将详细介绍监控界面的设计思路 及w i n c c 的使用技巧。 5 1w l n c c 与p l c 的p r o f i b u s 网络连接 在整个拖动控制系统的p r o f i b u s 网络中，监控计算机属于二类主站，首先 要将它与一类主站p l c 相连，实现二者的数据交换。 计算机与p l c 的通信可以利用高级程序语言基于某种通信协议编程实现， 比如常用的u s s 协议，但这要求用户必须熟悉互连的p l c 及所采用的通信协议， 严格按照通信协议规定编程，且需同时为计算机和p l c 编写通信程序，对用户 的要求较高。如果采用工控组态软件实现就简单多了，因为工控组态软件一般 都提供不同设备的通信驱动程序，用户可以不必熟悉p l c 网络的通信协议，另 外工控组态软件提供的强大工具使用户开发监控界面变得非常简单。 w i n c c 作为优秀的工控组态软件包含了多种p l c 的驱动软件，使其与p l c 的 连接变得非常容易。具体实现步骤如下 i i , 1 3 , 1 5 】： 首先打开w i n c c 项目，在变量记录编辑器( t a gm a n a g e m e n t ) 中添加p l c 驱动程序，选择支持s 7 协议的通信驱动程序s i m a t i cs 7p r o t o c o ls u i t e c h n ， 之后将出现可创建的各种通信网络，在其中的“p r o f i b u s ”下建立连接 “s 7 3 0 0 ”，在连接属性中设置节点名、p r o f i b u s 地址、机架号、槽号等参数， 这些设置应与相连的p l c 中对应。这样就在p r o f i b u s 网络中将w i n c c 与p l c 连 接起来了，监控计算机也随之融入了拖动控制系统中。这里的操作与p l c 的网 络组态过程相似，只需通知p r o f i b u s 网络接入设备的正确信息即可，这体现了 f c s 的开放性及操作的简单性。 接着在组态完的“s 7 3 0 0 ”连接下设置外部变量，即定义在p r o f i b u s 网络 问交互的数据。变量可分组设置，每个变量有三个设置项，即变量名、数据类 型、变量地址。其中最主要的是变量地址，它定义了该变量与p l c 中某确定 南京航空航天大学硕士学位论文 地址的对应关系。可对应的p l c 地址域有输入域i 、输出域q 、外部输入域p i 、 外部输出域p q 、数据块d b 、存储区m 等地址类型有位、字节、字、双字等。 另外，也可以直接将p l c 程序中定义的符号表导入作为外部变量，这样w i n c c 所用符号与p l c 程序一致，可以使程序结构更为清晰，更具可读性。这里需要 用到w i n e c 动态向导中的导入功能，导入s 7 任务列表( 此处即符号表) 并放置 到组态好的p r o f i b u s 连接“s 7 3 0 0 ”即可。 将p l c 与w l n c c 间需要通信的数据全部用变量建立联系后，再将这些变量 应用到w i n c e 画面中，与画面中的按钮、仪表、曲线、指示灯、c 动作等一一对 应起来，就相当于将现场设备与计算机上显示的画面联系起来了。 5 2w i n o o 监控界面设计 5 2 1w i n c c 各编辑器的使用 首先介绍w i n c c 中各主要编辑器及其使用方法，这是界面设计的基础。 w i n c c 提供了全面的功能模块，对实现工业自动控制项目得心应手。开放的 数据接口技术允许开发者调用其他w i n d o w s 程序的结果，更加全面的控制生产 的过程。w l n c c 功能模块包括图形编辑器、报警记录编辑器、变量记录编辑器、 报表设计编辑器等，其相互关系如图5 1 所示。图形系统为最终设计成果，图形 编辑器直接为其服务，报警记录、变量记录、全局脚本、用户管理等编辑器则 从不同方面对其进行补充，以得到符合用户需求的完善的图形监控界面。系统 的工作状况及监控数据则由报表编辑器整理输出。 图5 1w i n c c 编辑器及相互联系 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 5 2 1 1 图形编辑器 所有的w i n c c 运行应用都集中在图形编辑器生成的可视界面中。它允许用 户为各类应用开发图形用户界面( g u i ) ，监视过程数据，浏览其他w i n c c 编辑 器中的应用以及综合安全性。设计完好的可视界面使用户易于对过程数据，系 统报警，信息和其他事件进行说明并做出响应。 图形编辑器主要用于自由地组态画面，通过图形对象( w i n c c 图形， w i n d o w s ，o l e ，o c x 对象) 进行操作。每个图形对象均有属性与事件两类特性可进 行在线组态，使图形对象根据用户需要产生各种动态效果。典型应用是根据过 程对象的变化组态动态对象，而过程变量的变化直接反映了现场设备运行状态 的变化，实现了对现场工作状态的图形化实时监控。图形编辑器提供了三种工 具用于动态对象组态 1 3 , 1 5 】： 直接连接( d i r e c tc o n n e c t ) ：在一个对象事件基础上，组态从源到目的之 间动态传送任何类型的数据； 动态对话框( d y n a m i cd i a l o g s ) ；定义某个对象属性的行为，该行为根据 所给表达式的值而变化。表达式可以是简单的，如过程变量中的值，也可以是 复杂的，用算术操作运算、c 功能返回值，或其结合。与直接连接不同，动态对 话框需要一个触发器才能执行，触发器可选择不同的时间间隔触发，一般对基 于过程变量的动态行为选择根据变化触发； c 脚本界面( cs c r i p t i n gi n t e r f a c e ) ：将c 脚本程序与所给对象上的任何 事件或属性相连，此方法提供功能最多，但需要运用的知识也最多。 5 21 2 报警记录编辑器 w i n c c 报警记录系统的目的是显示、存档和报告运行信息及由过程数据状态 导致的报警。这些信息是事先组态好的，其生成是响应过程值预先定义的极限 值。该编辑器允许系统开发人员为其w i n c c 应用自己定义信息系统( 报警条件) ， 包括信息行格式，信息等级，信息窗口和应答方式，并能生成档案库和信息报表。 有两种档案库类型可供选择 1 3 , 15 】： 短期档案库( s h o r t t e r ma r c h i v e ) ：循环数据库，用于存放预先定义好数 目的报警信息。当该档案库满了，新的信息将覆盖最老的信息，总是保持档案 库的大小尺寸恒定； 南京航空航天大学硕士学位论文 顺序档案库( s e q u e n c ea r c h i v e ) ：保存所有生成的信息，必须具有备份策 略，即定期地移走档案库的内容并把它们存到一个外部媒体上。 对于一般的工业应用，报警需求基本相近，报警编辑器提供了通用的报警 画面模板，用户只需向其中添加自己所需的报警信息即可。该模板提供排序、 查询、列表、打印等功能。用户也可以自己设计报警画面。 5 2 1 3 变量记录编辑器 此编辑器用于接收、记录系统中各类变量。它所管理的变量是衔接其他各 编辑器和图形编辑器进行通讯的基础【13 。内部变量与软件界面设计相关，外部 变量则直接与工作现场相联系。如曲线和图表的显示及其历史数据的保存均直 接与变量相关。值得一提的是，内部变量可以随意使用，而外部变量由于存在 与外部的数据交换，需要占用通信通道，故有数量限制。可用外部变量数量与 所购买的w i n c c 授权类型直接相关。所以在设计监控软件时应尽可能的优化对 外部变量的使用，因为可用变量数少的w i n c c 授权售价也低得多。 5 2 1 4 报表编辑器 报表编辑器允许用户自由的选择一定的报表格式，按时间顺序或者事件触 发来对信息操作、文档数据处理，进行报表输出。w i n c c 提供多达6 0 种报表格 式任用户选用。用户还可自行设计所需的报表格式f i 3 1 。允许动态的将文本和图 形放在同一个报表中，例如，根据变量记录档案库中数据做的报表，可以包括 档案库中的数字值，以及运行时，这些值在曲线窗口中的图形显示。 其他编辑器如全局脚本编辑器、用户管理编辑器等主要是用来为上述四个 主要编辑器中的某些功能服务。如全局脚本在图形编辑器中可以对其中组态的 对象进行c 动作设计，以达到用户的特定要求。 监控界面的设计实际上就是综合应用上述各种编辑器生成满足用户需求的 过程控制画面。 5 2 2 监控需求分析 首先需要分析进出w l n c c 的数据，决定应该建立怎样的监控画面。对上节 中建立的变量进行分类，并根据用户对监控界面的要求，得到图5 2 的数据流。 w i n c c 从p l c 得到关于拖动系统工作状态、被监控量实时数据、旋翼试验塔各部 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 分报警故障信息等各类数据，经过处理之后需要能控制系统状态指示灯、显示 实时数据、处理报警故障、输出工作曲线、工作报表等。 运行状况 监控数据 报警故障 登景界面 熏坑信 运行控 运行指示 t 据量示 曲缝绘 报警哉 指示处理 工作报衰 信息出 图5 2w i n c c 数据流 根据以上分析，采用多画面系统。建立系统登录、系统信息、系统操作、 系统监控、特性曲线、报警记录六个画面，各画面之间可随意切换。各画面完 成功能如图5 3 所示。 系统登录i | 系统信息il 系统操作 系统监控ll 特性曲线li 报警记录 雏 5 2 3 画面布局确定 确 舭 图5 3 系统监控功能分类图 重0 报 雏 为了整个监控界面的一致性，除登录画面外的五个画面采用相同的画面布 局。从实用和美观两个方面出发，把画面划分为三个区域：工具栏、功能键和 系统工作区。 工具栏：位于画面的顶部，为一横栏，全部由图标组成。迸一步细化，又 可分为功能键图标、前进后退键和系统按钮。特点是采用图标形式，形象直观， 简洁明了，操作方便。 功能键：位于画面右侧的竖栏，五个个文本按钮对应五个主画面，当前画 南京航空航天大学硕士学位论文 面按钮高亮显示。另有一个系统退出按钮。空余部分加入了时钟控件。 系统工作区：为用户所需要的工作内容，包括监控、实际操作等内容，是 整个画面的核心，为用户的工作区。 5 2 4 画面工作区设计 5 2 4 1 登录画面 为了确保系统的安全性和完整性，在进入监控系统 之前需要经过一个登录画面，输入正确的用户名及密 码，才能进入系统，保证系统的安全。画面设计方法是 令w i n c c 启动后首先进入登录画面，登录画面仅设一个 进入其它操作画面的链接，并只有在输入正确的密码的 情况下才能触发此链接。具体实现通过对用户输入密码 后的确认事件组态c 动作完成，c 函数流程如图5 4 所 不。 图5 4 密码保护流程 在w i n c c 项目中，使用用户管理编辑器生成用户组，每个用户对应一个用 户i d 和口令。可以给每个用户分配不同的权限级( a u t h o r i z a t i o nl e v e l s ) ， 在图形设计编辑器中将这些权限级连接到对象的属性，保证操作的安全性。比 如对拖动系统的运行操作可以设为最高权限等级，防止低级用户或无关人员对 系统的误操作。登录画面如图5 5 所示。 5 ，2 4 2 系统信息画面 在登录画面中输入正确密码后即进入此画面，显示系统相关信息，如图5 6 所示。画面分为左右两栏，左栏为拖动控制系统说明，介绍系统组成及主要设 备参数等：右栏为用户提供的相关资料，如负载机型资料等。 用户工作区设计只需嵌入两个表格对象，并填上相应资料，选择合适的字 体字号及颜色即可。 用户在在浏览完相关信息之后，可以通过工具栏或功能键区的切换按钮进 入其它工作主画面。此功能的实现是通过对按钮点击事件运用“直接连接”工 具，赋值内部变量，再由内部变量激发相应画面。 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 图5 5 系统登录画面 5 2 4 3 系统操作画面 图5 6 系统信息画面 此画面为监控界面的核心部分，是w i n c c 与p l c 交换数据的主界面，如图 s 7 所示。用户工作区分为左右两栏，左栏为拖动系统运行控制及运行状态指示， 右栏为主要监控数据显示。 画面功能均以图形对象实现。左栏中，运行状态指示灯均为具有凸显效果 的圆形，对其背景颜色属性进行动态组态即可实现指示效果。比如电源开指示 灯，令其初始背景颜色与画面背景颜色一致，运用“动态对话框”工具将此属 性与电源开信号相联系，当电源开信号为真时，使背景颜色变为绿色。于是当 拖动系统上电时，电源开信号通过p l c 传入w i n c c ，电源开指示灯变为绿色，在 画面中变得很醒目，指示效果极佳。其它状态如系统就绪以黄色灯指示，运行 以绿色灯指示，报警以闪烁的红色灯指示，故障指示为红色灯。 转速给定由一个结合了输入域对象的输入框实现。对输入域的数据属性组 态c 动作，完成对输入转速的判断与处理。c 函数的流程如图5 8 所示。运行状 态控制由四个文本按钮完成，分别实现上电、断电、运行、停止功能。运用“直 接连接”对每个按钮的点击事件组态，分别与p l c 中的信号相连。再通过p l c 控制变频器完成相应操作。同时增加内部变量用于按钮间互锁功能的实现，如 运行按钮应在上电后才有效，断电按钮需要在变频器停止之后才有效，这些判 断较复杂，需用c 动作实现。 右栏中，电机转速及对应的旋翼转速、电机电压、电流、功率等参数均在 结合了输出域对象的输出框内显示，输出域的数据属性通过“动态对话框”直 接与外部过程变量相连，实时显示监控数据；而电机绕组温度、轴承温度、冷 南京航空航天大学硕士学位论文 热风温度则除了实时显示外，还需对字体颜色属性组态动态过程，以使温度过 限时能分别以黄色及红色指示报警与故障。 图5 7 系统操作画面图5 8 给定转速处理流程 5 2 4 4 系统监控画面 此画面是整个拖动系统的图形化表示，是对系统操作画面的补充，如图5 9 所示。画面中的各个部分与外部过程变量直接相连，可实时显示拖动系统的运 行状态，相比于系统操作画面中的数值表示，显得更为直观。 设计中主要考虑形象、美观。比如当拖动控制系统与外部有数据交换时， 可用“动态对话框”组态属性使监控计算机与外部网络的连线以绿色闪烁，当 变频器运行时，其图形对象柜门上的指示灯也可以做出指示。需要实时监视的 几处温度均以三色仪表显示，组态动态过程使指针在温度正常时指向绿色区域， 过报警线时指向黄色区域，故障时指向红色区域。图形对象上的相应部位也可 以黄色或红色闪烁指示报警、故障。方法是在相应部位粘贴闪烁块，并组态其 显示状态属性，即温度正常时不显示，报警、故障时以黄色或红色闪烁显示。 5 2 4 5 特性曲线画面 特性曲线画面完成对监控数据随时间变化曲线的描绘，如图5 1 0 所示，它 仅是w l n c c 的内部数据操作。外部变量数据传入w l n c c 后，存储于统一的数据 库中，曲线描绘只是对它们的有序输出。不考虑存储空间的话，用户可以得到 之前任意时刻被监控量的变化曲线。实际上w l n c c 的数据库有自己的一套运行 机制，保证数据存储的合理，并提供接口供用户读取所需数据。比如外部变量 可以分为普通变量与归档变量，归档变量可以查看任意时刻的数据，而普通变 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 量只有当前时刻的数据，数据随画面的刷新而丢失。用户可以根据自己的需要 设置变量类型。 w l n c c 有相应的曲线描绘控件可用，可以实现以秒为单位的任意时段曲线的 显示、曲线的缩放、坐标的设置、曲线的打印输出等常用功能。将控件置入画 面后，只需设置相关变量并选择所需的输出格式即可。画面中采用了四个控件， 每个控件显示两个被监控量的曲线。 图5 9 系统监控画面 5 2 4 6 报警搜索画面 图5 1 0 特性曲线画面 运用报警编辑器，建立短期档案库，包含本系统所有可能的报警、故障， 并进行分级，确定相应的应答方式，如图5 1 1 所示。系统监控过程中，若有过 程值超出相应的极限值，或者接收到外部设备的报警、故障信号，就在报警画 面中显示相关信息并存入档案库。 用户工作区采用w i n c c 提供的通用模板生成报警画面。根据需要组态报警信 息十六条，其中六个与系统相关，十个与温度检测相关。新出现的信息以红色 显示，已处理过的信息则以蓝色显示，并 具有搜索、报表组织、打印等功能。 5 3 小结 本章介绍了拖动系统监控界面的设计 及过程中的w i n c c 应用，详述了监控软 件中每个画面的设计及功能的实现，并给 出了晟终的用户界面。 图5 1 1 报警搜索画面 南京航空航天大学硕士学位论文 第六章系统调试及试运行 系统设计完成之后，与西门子工程师合作在现场进行了安装与调试，并运 用本控制系统完成了旋翼试验塔试运行。 6 1 系统安装与调试 6 1 1 系统安装布线 由于采用现场总线技术，减少了连接线数量，布线变得较为简单，主要是 确保连接的可靠性。根据设计思路，建立整个系统的布线图，并为每根连接线 分配不同的线号，严格按照线号进行连接。图6 1 6 4 是p l c 上各主要模块的口 地址分配情况： ( 1 ) 数字量输入模块( d i ) ：主要用于手动控制台指令的输入，及外部报警、 故障信号的接入。 控一台i t = 3 们2 1o _ 3 2 手动自动 运行停止 娈h 嚣1 技障 盘压器2 艘障 负载系统筑结 负载系统故障 驰 - 描 变压器i 报警 赴噩器= j 世臀 012 l0 d22 z c 632 3 q 04 2 4 a o6 o62 6 0 o72 7 0 ob o9 - _ 一 _ _ 一 ) l2 3 2 a ，l3 ) l4 3 o ，1 5 ，l6 l 73 7 c ) i8 3 8 c i93 9 c ，20 图6 1s m 3 2 1 口地址分配 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 ( 2 ) 数字量输出模块( d o ) ：主要用于向手动控制台传递系统状态指示信号， 触发各状态指示灯。 二= 控啊台i t 图6 , 2s m 3 2 2 口地址分配 ( 3 ) 模拟量输入模块( a i ) ：主要用于连接p t l 0 0 温度传感器，采用三线制 连接，接入受监控温度信号。 m o t o rt l + lr l - i 一 ， ，7 0 8 口9 ，t 0 - 一 一 ，1 ，1 0 ，| 3 ，1 ，i5 1 日 ，j 目 图6 3s m 3 3 1 口地址分配 黧淼 南京航空航天大学硕士学位迨塞 ( 4 ) 模拟量输出模块( a o ) ：主要用于向控制台上各仪表传递电机电压、电 流、转速等工作参数，双线制接法，输出为o i o v 的电压信号。 圈6 4s m 3 3 2 口地址分配 表6 1 6 3 为拖动系统中各主要动力设备动力参数及监控点连接方式，其中 变压器2 数据与变压器1 基本相同。监控点连接传递开关量信号，只需普通导 线，用于电力传输的导线则必须根据动力参数进行选择，确保运行安全。 表6 1 变压器1 数据 i 参数名称额定数据 原边电压u l 1 0 0 0 0v 原边电流i l 1 4 4 3a 容量s5 2 0 0 k v a 副边绕组1 电压u 2 2 2 0 0v 副边绕组1 电流1 2 3 2 8a 阻抗电压u l ( 2 5 7 8 副边绕组2 电压u 3 2 2 0 0v 副边绕组2 电流1 3 3 2 8a 阻抗电压u k 3 5 7 4 报警点连接 端子4 ，5 ，1 0 ，1 1 故障点连接端子7 ，9 直升机旋翼试验塔电力拖动控制系统设计与实现 表6 2 变频器数据 参数名称额定数据 输入电压u l 2 * 2 2 0 0v 输入电流i l2 * 3 7 0 a 直流母线电压u d c 6 2 2 2 v 输出电压u 2 0 4 1 6 0v 输出电流1 2 0 2 * 3 6 0a 输出频率f 0 。 0 1 5 0h z 报警点连接控制字方式 故障点连接控制字方式 表6 3 电机数据 参数名称额定数据 定子绕组电压u l2 * 2 2 0 0v 电子绕组电流i j 2 * 3 7 0a 转速范围n0 - 3 0 0 0r p m 输出功率p 。 0 3 3 0 0k w 输出电