PLC與人機界面及變頻器在低速風洞調速系統上的應用

1 引言
風洞是空氣動力試驗系統。它依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在地面人工環境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復雜的飛行狀態，獲取試驗數據。也可以說，風洞就是在地面上人為地創造一個“天空”。風洞是研制飛機必需的一種試驗裝置。它模擬飛機飛行中各種空氣動力條件，只在地面就可以獲取飛機在空中飛行時的各種參數。
氣流的改變通過調節風洞系統中的風速，風速采用富士G11系列變頻控制器，并配以編碼器反饋完成高精度速度控制。可編程控制器(也稱為PLC)工業控制部件因其功能強大、運算速度快、程序設計簡單、修改程序靈活方便、可靠性高、抗干擾能力強以及能在惡劣的工業環境下長期工作等顯著特點，已廣泛應用于工業自動化控制的各個領域。但是其本身不具備人機交互功能，在工藝參數較多，需要人機交互時，配合使用具有觸摸操作和通信功能的人機界面就是一種很好的選擇。在本文所述的風洞調速系統中，變頻器、PLC及人機界面之間以串行通信方式，可以在人機界面上直接對風洞內的風速、速壓進行設定、控制及監視，并且可以通過趨勢圖隨時觀察氣流改變時風洞內9個環境參數(溫度、大氣壓、落壓差等)的變化。該系統具有穩定、可靠性高的特點。
2 硬件配置設計
2.1 原理設計
圖1是該系統的主要硬件組成圖，應用于某風洞實驗。

圖1 系統主要硬件配置圖

設定數據主要是風速，風速分為自動和手動調節兩種方式。自動調節時,風速分15個等級，在POD上預先設定好每個等級的數據和工作時間后，按預先設定的等級的數據和時間讓風速電機依次連續運行。手動時，POD隨時由操作員調節風速電機的速度。通過傳感器把風洞內的9個環境參數信號傳給三個模擬輸入單元。這9個環境參數分別是溫度、實驗段氣壓、落壓差和力等。
對風速和速壓兩種方式可以任意選擇和任意設定，根據流體力學[1]，由公式:
Qi=k1ρVi2=k2△Pi ——i=1到15可任意選擇(i為實驗Vi或Qi點數)
ρ=k3P/(273+t) ——k1,k2,k3:常數，根據不同系統而定:
Qi——速壓(kg/m2)
Vi——風速(m/s)
△Pi——落差壓(mbar)
ρ——空氣密度(kg*s2/m4)
t——溫度(℃)
P——實驗段氣壓(mbar)
可以計算Vi和Qi，也可以和風速的給定值進行比較。
2.2 配置設計
(1) 根據系統運行和控制要求，選用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用簡單，功能強大，最優性能價格比，能滿足各種各樣自動化控制需要，且具有尺寸小不受安裝場所限制，大容量內存，高速指令功能;并提供了方便、簡潔、開放的通信功能;可直接連接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的滿足控制要求[2]。
(2) 人機界面選用帶RS-485通信的富士UG430H-SS觸摸屏，彩色，128色，10.4寸。進行參數的設定、顯示[3]。
(3) 變頻器選用富士的FRENIC5000G11S，該變頻器具有低噪音、高性能、多功能以及帶有RS-485通信接口等特點。配以編碼器反饋完成高精度速度控制[4]。
3 系統軟件設計
3.1 人機界面的軟件設計
本系統人機界面所有畫面均用UG00S-CWV3軟件進行設計，分為操作畫面和檢測畫面。有主畫面、環境參數趨勢圖顯示、風速的自動和手動設定等畫面，經UG00S-CWV3編譯無誤后，從個人電腦中下載到人機界面,如果與PLC的通信能正常進行，并且PLC側相應的程序也正確無誤，則即可使用。人機界面通過RS-422通信電纜直接與與PLC編程器端口連接，實行命令設定型通信。根據來自人機界面的請求命令，可以實施PLC內部存儲器的讀寫操作。PLC完成處理后，回送答復給外部設備。PLC側不用特意編寫通信程序。這里只介紹風速的自動和手動兩個畫面。
(1) 風速自動畫面設計
風速的自動調節分為15個等級，每一個等級對應一個風速設定值和相應運行的時間。通過畫面顯示風速的當前值和系統的累計運行時間。
圖2是設計的畫面。畫面中的自動調節風速是靜態文字，對畫面起到說明的作用，畫面上所有靜態文字的設計方法基本相同，設計時應在畫面上合理布置，現以“自動調節風速”為例說明如下:在draw tool bar中選擇[text],輸入文字“自動調節風速”設定文字大小為Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字顏色為白色、透明。文字底下的方塊、陰影，是在draw tool bar中選擇[box]進行重疊的結果，它起到美化的作用，這里就不再詳細說明[5]。

圖2 風速自動調節畫面

在工具欄中單擊數值顯示部件[Num.Data Display],出現Num.Display對話框，對該數值進行設置，Division No設為0，Memory設為$u0100,Display function設為Entry Target，放置到如圖2等級1的下面。用同樣的方法，在工具欄中單擊數值顯示部件[Num.Data Display]，對該數值進行設置，Division No設為0，Memory設為D0120，Display function設為Entry Target。利用編輯菜單中的Multi Copy分別對上面設置的兩個數值進行復制，復制時次序遞增，存儲單元地址遞增，分別復制15個，放置的位置如圖2。然后用Draw工具欄中的[Line]和[Text]畫成表格的形式。
圖3是對風速和時間設定時彈出的小窗口，在Item菜單中選擇[Multi-Overlap],在出現的對話框中設窗口號為0，點擊OK，進入多窗口設置畫面，在工具欄中單擊[Overlap],設置彈出窗口大小、顏色、類型，設好后點擊OK放置到畫面編輯區域里。在編輯區域內單擊右鍵，選擇Overlap0，工具欄中選擇[Entry Mode]，出現，點擊最左面的部件，通過設置把鍵盤到上一步的彈出窗口中。通過[Max]和[Min]在彈出窗口上可以顯示每一個設定值的范圍，這里就不再詳細介紹了。

圖3 風速和時間設定窗口

在圖2的畫面上設置了三個按鈕，通過他們可以轉到首頁、手動調節風速、風壓畫面。自動調節風速的數值設好后，系統運行時指示燈亮。顯示的當前值是根據前面的公式計算的結果，累計運行時間是從系統運行到停止的總的運行時間。
在依次自動執行15個風速段的程序設計中用到了宏命令模式。每一個風速值對應一個標志位，系統從第一個數值運行，當到達設定的運行時間后，第二個風速值對應的標志位置1，執行宏命令，把設定值送給變頻器、風扇電機，按設定時間運行后，第三個風速值對應的標志位置1，下面的依此類推。
該人機界面內置日歷，用來顯示當前時間，也可是修改時間的顯示格式。如圖2右上角顯示當前的年月日、日期和時間。
(2) 風速手動畫面
圖4為風速手動畫面

圖4 風速手動畫面

在風速手動畫面上，放置有加一減一鍵、左右移動鍵和輸入鍵，通過它們可以改變設定的風速和時間值。
3.2 PLC的軟件設計
用PLC編制的程序主要完成的功能有:對9路環境參數進行轉換、運算;完成風速的自動、手動調節;PLC程序結構圖如圖5所示:

圖5 程序結構圖

PLC的程序和人機界面的畫面設計相互配合來完成系統的功能。在整個系統軟件的設計過程中，最明顯的特點是用了標志位。以風速自動調節為例，對15個等級采用了15個標志位，來分別完成對15個風速等級的控制[6]。
4 變頻器功能參數的設置與控制方法
變頻器通過RS-485通信線和人機界面相連，通過人機界面對風速電機進行調控[7]。變頻器的接線圖如圖6。利用編碼器、編碼器反饋卡實現對風速電機轉速的閉環控制。風洞風速用變頻器的PID調節實現閉環控制。變頻器主要功能參數的設置附表。

附表 變頻器主要功能參數

圖6 變頻器接線圖

5 系統調試
5.1 脫機調試
為了縮短現場調試時間，在安裝之前先進行脫機調試。首先用下載線分別下載程序到PLC和人機界面，再用通信線RS-422把PLC和人機界面相連，上電檢查PLC和人機界面能否正常通信。在調試中，遇到了通信出錯的情況，通過改變PLC和人機界面的通信參數，最后使它們能夠正常通信。接下來把PLC和3個模擬輸入單元相連，給模擬輸入模塊任意通道一個0～10V的電壓信號，在PLC編程畫面里的數據表中看相應的數字變換值，在調試中變換值正確，PLC和三個輸入模擬單元連接正常。最后，有485通信線連接變頻器和人機界面，用人機界面顯示變頻器某個功能代碼的值，在調試中，通信正常，并能正確顯示功能代碼的值。最后，把按系統要求編制的程序下到PLC和人機界面里，PLC的輸入接上開關量進行調試，調試通過。
5.2 現場調試
在脫機調試通過之后，進行帶負荷，也就是帶電機后的試運行調試。變頻器和電機相連，上電，用變頻器的鍵盤面板操作方式，分別按FWD正轉鍵、REV反轉鍵和STOP鍵，看電機是否運轉正常。在現場調試中電機旋轉方向正確，旋轉平穩，加減速平穩。之后增加運行頻率，繼續試運行，電機運行正常。
6 結束語
由于當時的歷史條件所決定，早期建設的低速風洞設備落后，自動化程度不高，這和當前科學技術迅猛發展的時代不相適應，必須對其進行技術改造。經過實際運行表明，針對某風洞改造實現的控制方案較好的達到了預期的效果。