1 控制系统的构成

高水头试验台是由两台最大功率为550kW、转速范围为250～1100r/min的水泵电机将管道中的水流加速到用户所需要的水头米数,并保持水头平稳运行。由测功机监测转轮的各项参数,测功机的电机功率为500kW,转速介于300～2300r/min之间,A、B工位各一台测功机。高水头水利机械试验台原理如图1所示。系统要求电机控制精度小于0.5%,平均无故障时间MTTF大于5000小时。在经过大量的调研后,选用了ABB公司生产的DCS500直流调速系统。DCS500可以通过两种方式接收控制命令,其一为接收4～20mA信号以满足转速要求;其二为增加Profibus-DP模块,以数字方式接收满足速度要求。第一种方式控制简单,价格便宜,但电流传输中会受到干扰,影响控制精度;第二种方式虽价格较贵,但可以保证传输过程中数据的准确性,保证了控制精度。故而,系统采用了四台DCS500,分别用来控制两台测功机、两台水泵电机。四台设备作为Profibus-DP从站与主站PLC按主—从方式通讯,PLC控制测功机、水泵电机的启/停,将电机运行转速通过Profibus-DP传到DCS500,并从DCS500获得电机运行状态及参数,通过Profibus-FMS传到上位IPC,实现实时监控。

PLC选择NAiS欧洲公司生产的AFP37911模块作为主站,该模块同时支持FMS和DP协议。该模块既是FMS主站,与IPC及数据采集系统实现主—主方式通讯;又是DP主站,与DCS500实现主—从方式通讯。

数据采集系统采用VXI总线技术采集测功机的各项参数ue584通过大屏幕显示,并将检测结果形成表格和图形输出(此部分由其他公司完成)。IPC通过FMS与数采系统相连完成通讯。整个系统构成如图2所示。

1.1 现场总线Profibus

Profibus是由SIEMENS、ABB、AEC等13家公司和5家科研机构在联合开发的项目中制定的标准,已列入欧洲标准EN50170,是我国推荐使用的工业现场总线标准之一。具体包括以下几种形式：

· Profibus-FMSue704解决车间级通用性通信任务ue584提供大量的通信服务ue584完成中等传输速度的循环和非循环通信任务。NAiS的Profibus模块支持的最高通信速率为1.2Mbps,不支持循环通信模式ue584与其他FMS主站只能采用MMAue5e4非循环数据传输ue584主主连接通信ue584并且该模块与ABB公司的Profibus-FMS不能兼容ue584所以在方案设计时ue584不能只用一种形式的Profibus。

· Profibus-DPue704经过优化的高速、廉价的通信连接,专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信所设计。因DP、FMS采用相同的通信协议,故可以在同一网段内共存。NAiS与ABB之间采用MSAZue5e4非循环数据传输ue584主从连接ue584从站不主动方式通信。

· Profibus-PAue704专为过程自动化设计的标准的本质安全的传输技术ue584实现了IEC1158-2中规定的通信规程ue584用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

本系统采用的传输介质为铜质屏蔽双绞线ue584通信协议为RS485ue584通信速率为500kbps。工业现场总线的应用为系统的安全性、可靠性提供了保障。

1.2 IPC工业控制计算机

上位工业控制计算机采用台湾的ADVANTECH工控机ue584运行Windows NT4.0 workstation操作系统ue584采用SIEMENS公司的WinCC工业组态软件ue584大屏幕显示系统的运行工况、报警信息,以图形方式表示管路流通及阻塞状况。所有数据由PLC经Profibus传输而来。IPC内部配置一块由德国Softing公司出品的Profiboard 网络卡,该卡专为Profibus而设计。通过Softing提供的配置软件,可以完成组网、建立网络通信关系CR(Communication Relation),建立对象字典OD(Object Dictionary)。WinCC为SIEMENS公司生产,它只支持与该公司S5/S7 PLC直接连接,与其他PLC只能通过Windows提供的DDE技术实现通信。Softing公司提供了DDE Server软件,实现了与WinCC的Profibus通信。

1.3 PLC

PLC选用NAiS公司的FP10SH。

2 控制系统功能

控制系统除了控制两台水泵电机、两台测功机以外,还需要控制28个电动阀、4台砝码电机、8台油泵电机、3台真空泵电机、4台排油泵电机、2台润滑电磁阀,通过阀门的开关控制水的流向与流量来满足用户的试验要求。

2.1 定水头

调节水泵转速ue584使其稳定在某一数值,此时水头一定;调整测功机转速为某一数值,工况稳定2～4分钟后,采集有关数据。试验过程中,要求保持水头不变。在水泵电机安放码盘采集电机转速,使DCS500构成闭环控制。水泵转速由IPC键盘输入。

2.2 定转速

调节测功机转速,使其稳定在某一数值,此时测功机转速一定;调整水泵转速为某一数值(即调整水头),工况稳定2～4分钟后,采集有关数据。DCS500对测功机转速构成闭环,稳定测功机转速。

2.3 飞逸试验

调节测功机转速为某一数值,保持测功机转速不变ue705调节水泵转速,使测功机输出力矩近似为零(该工况下,测功机时作发电运行,时作电动运行),采集有关数据。试验过程中要求水泵电机转速不变,由DCS500调节。

2.4 流量校准

系统设有两个流量校正罐,用于标定系统中的流量计。校准前先确定所标流量值,然后启动水泵电机,并不断调节水泵电机的转速,此时注意观察流量值,当流量值达到所需要的数值时,使水泵电机稳定在当前的转速(此时水在标定管路中循环)。设定好折向器切换时间,待工况稳定后,接通电磁阀,计时开始,同时把管路中的水切换到校正罐中。计时时间到,电磁阀断开,此时水又切换到标定管路中,下调水泵电机转速,稳定在某一转速,读取有关数据。然后把水排掉,再标定下一点。

2.5 手动/自动无扰切换

为使系统检修和调试方便,系统设计了专用手动键盘,操作人员通过键盘可以单独控制某个阀门的动作,不受互锁的约束。系统采用NAiS Remote I/O模块,可以使键盘在异地操作。手动/自动切换时,阀门状态保持不变。

系统采用PLC作为主控制器,简化了系统,保证了系统的高可靠性和易维护性;Profibus实现完全的数据传输,避免了电磁干扰,使系统达到了设计的精度要求;实现了不同设备之间的数据共享;Profibus的灵活性为系统的扩展提供了方便条件。以工业现场总线为核心的系统设计方案将成为工业界应用的主流。