風電葉片根部切割打孔設備控制設計與實現

摘要：對大型玻璃纖維風電葉片根部切割打孔設備控制系統進行技術方案設計研究，以西門子可編程控制器SIMATIC S7-226CN為核心，采用人機界面、伺服運動控制、變頻器調速、MODBUS通信控制技術，實現大型玻璃纖維風電葉片根部切割、打孔。闡述了設備主體結構功能及風電葉片根部加工工藝流程，提出控制系統設計方案，并著重描述控制要求和操作功能，給出了硬件電路和軟件程序設計。實際應用表明，該設備性能穩定，切割、打孔精度均滿足設計要求，并具有良好的可擴展性。

關鍵詞：風電葉片根部切割打孔設備;PLC;人機界面;伺服運動控制;MODBUS通信

0? ? 引言

大型玻璃纖維風電葉片是風力發電機組的重要組成部分，風電葉片在組裝時，其與轉子通過螺栓連接固定，因此需要在葉片的根部進行切割、打孔。傳統的方式是采用人工對風電葉片根部進行切割、畫線定位打孔，缺點是操作人員勞動強度大，且孔與孔之間的間距無法準確保證，需要在組裝時重新進行修正、填補，大大降低了生產效率，也影響了產品質量。

本設計對風電葉片根部切割打孔設備綜合采用伺服運動控制、變頻調速控制和PLC控制系統，實現設備高精度自動切割、打孔。

1? ? 設備主體結構功能

風電葉片根部切割打孔設備（圖1）包括基座、旋轉橫梁、旋轉機構、軸向驅動機構、軸向打孔機構、徑向驅動機構、徑向打孔機構和控制系統。

（1）基座固定于地面基礎上，基座上方安裝有水平方向運動的活動柱，活動柱通過直線導軌組件與基座連接，旋轉橫梁安裝在活動柱的前端，旋轉橫梁與活動柱垂直設置，旋轉機構通過伺服電機和伺服減速機驅動旋轉橫梁進行轉動，旋轉機構安裝有大齒輪、小齒輪、角度檢測齒輪和增量式旋轉編碼器。

（2）軸向驅動機構用于驅動活動柱在基座上沿風電葉片軸向前后移動，通過變頻電機和減速機進行驅動，軸向打孔機構包括軸向打孔變頻電機以及用于驅動軸向打孔機沿旋轉橫梁長軸方向移動的變頻驅動裝置。

（3）徑向驅動機構用于驅動徑向打孔機構在旋轉橫梁上沿旋轉橫梁長軸方向移動，通過變頻電機和減速機進行驅動，徑向打孔機構包括徑向打孔變頻電機與根部圓鋸切割裝置以及用于驅動徑向打孔機與圓鋸沿旋轉橫梁長軸方向移動的變頻驅動裝置。

2? ? 風電葉片根部連接結構及加工工藝流程

2.1? ? 風電葉片根部連接結構

葉片根部連接端面圓周均勻間隔分布54個軸向安裝孔，沿葉片根部筒壁周向分布54個徑向安裝孔，在軸向安裝孔中安裝雙頭螺桿，在徑向安裝孔中安裝交叉螺母，軸向安裝孔與徑向安裝孔相對應且與徑向安裝孔連通形成T型安裝孔，雙頭螺桿的一端伸入到徑向安裝孔中與交叉螺母緊固，雙頭螺桿的另一端伸出葉片根部端面與風力發電主機連接。

2.2? ? 風電葉片制造工藝

主要是真空灌注成型，成型后進行根部加工：根部齊邊切割→根部軸向打孔（圖2）→根部徑向打孔（圖3）→涂裝。

2.2.1? ? 風電葉片根部齊邊切割

將風電葉片通過工裝水平置于旋轉橫梁前端，沿旋轉橫梁長軸方向手動驅動切割圓鋸處于葉片切割初始位置，啟動圓鋸變頻電機和徑向驅動變頻電機使圓鋸切入葉片根部，切入深度由位置開關控制，同時伺服電機和伺服減速機驅動旋轉橫梁按設定速度旋轉360°，從而完成對葉片根部齊邊切割。

2.2.2? ? 風電葉片根部軸向打孔

根據葉片設計要求，在葉片根部端面圓周鉆54個均勻間隔軸向安裝孔，手動驅動軸向打孔機沿旋轉橫梁長軸方向移動到葉片端面打孔初始位置，啟動軸向打孔機變頻電機，軸向驅動機構驅動活動柱從后限位沿風電葉片軸向前進到前限位，鉆入深度由位置開關控制，每打完一個孔，軸向驅動機構驅動活動柱退回后限位，旋轉機構驅動旋轉橫梁旋轉（360°/54），角度檢測編碼器反饋旋轉角度到控制系統，系統判斷角度偏差是否在允許范圍內，在允許范圍內則進行下一個打孔動作，否則系統對旋轉分度機構驅動旋轉橫梁進行角度糾正，完成54個軸向打孔后，控制系統控制旋轉橫梁回到初始位置。

2.2.3? ? 風電葉片根部徑向打孔

手動驅動徑向打孔機沿旋轉橫梁長軸方向移動到葉片筒壁周向打孔初始位置，啟動徑向打孔機變頻電機，控制動作與軸向打孔類似。

3? ? 硬件系統設計

硬件系統設計中采用了西門子S7-226CN PLC作為該系統的控制核心，一個16DI/DO EM223模塊和一個EM253位控模塊通過擴展接口與PLC連接，PLC通過RS485接口PORT0與HITECH觸摸屏實現通信，PLC通信接口PORT1通過主/從結構串行通信協議MODBUS與6臺森蘭變頻器進行通信，站地址設置為1～6。通過MODBUS通信設置變頻器運行命令、運行頻率以及功能參數的讀取和修改、變頻器工作狀態和故障信息的監視。系統中各設備狀態、參數設置與顯示均由HITECH觸摸屏完成。系統硬件結構如圖4所示。

EM253位控模塊通過高速脈沖實現安川伺服電機速度與位置控制，控制系統測量單位采用脈沖數，P0口輸出脈沖控制電機的運動，P1口輸出控制電機運轉方向。

4? ? 系統主要功能及控制方式

4.1? ? 系統功能

（1）控制系統根據控制程序對葉片根部切割打孔的工藝過程、電氣設備進行控制，同時采集工藝參數及設備運行狀態。

（2）通過人機界面HMI設置工藝參數、操作方式、操作權限，顯示操作流程、工藝參數、報警信息等。

（3）采集主要工藝參數：橫梁旋轉角度、實時打孔數、電機轉速、電機轉矩等。

4.2? ? 控制方式

風電葉片根部切割打孔設備控制系統控制方式分為現場手動控制與自動控制兩種模式。現場手動模式和自動模式下，安全聯鎖保護均有效，在自動模式下，限制相關工藝參數的修改，防止設備在非正常狀態下運轉。

（1）現場手動控制模式：現場電氣控制箱或人機界面上的“手動/自動”開關選擇“手動”方式時，通過現場控制箱或人機界面上的按鈕實現設備的啟/停、開/關操作。

（2）自動控制模式：現場電氣控制箱或人機界面上的“手動/自動”開關選擇“自動”方式時，設備的運行完全由PLC根據選擇的切割方式或打孔方式自動完成。

5? ? 軟件系統設計

控制系統軟件設計包括觸摸屏應用程序和S7-226CN PLC應用程序。

5.1? ? 觸摸屏畫面組態

觸摸屏程序由HITECH組態軟件完成，HITECH人機界面采用中文菜單，界面友好，操作方便，根據需求系統共配置12幅畫面，主要畫面功能描述如下：

5.1.1? ? 主畫面

顯示橫梁實時旋轉角度、當前運行模式、實時打孔數、徑向軸向預角度設置、工藝參數設置、“手動/自動”控制模式選擇、報警查詢等功能，如圖5所示。

5.1.2? ? 工藝參數設置畫面

包括切割圓鋸切割速度設置、橫梁旋轉速度設置、軸向打孔數設置、打孔速度設置等，如圖6所示。

5.2? ? S7-226 CN應用程序設計

S7-226 CN應用程序采用模塊化結構設計方式，便于維護、擴展，運用順序指令編程。將各主要功能編制為用戶子程序功能塊，在主程序中調用這些編制好的子程序塊。其中，主要的用戶子程序塊有以下幾個：

5.2.1? ? 初始化子程序

設定高速計數器寄存器、順控位置步S、標志位M、計數器、PLC工作模式、通信方式等參數初始值。

5.2.2? ? 高速計數子程序

在程序向導中配置高速計數器HC4，高速計數器操作模式選用模式9，A/B相正交計數器，無啟動輸入，無復位輸入，計數頻率設為4倍速，角度檢測選擇NEMICON增量編碼器NOC-S5000-2MHCP-300，編碼器A相和B相脈沖分別接入PLC高速輸入通道I0.3和I0.4進行計數，實時反饋橫梁實際旋轉角度用于程序控制。

5.2.3? ? 手動控制模式子程序

當現場控制箱或觸摸屏“手動/自動”開關選擇為“手動”模式時，通過現場控制箱或觸摸屏對應按鈕對橫梁旋轉伺服電機、切割變頻電機、打孔變頻電機、進給變頻電機等進行手動控制操作調整。

5.2.4? ? 自動控制模式子程序

當現場控制箱或觸摸屏“手動/自動”開關選擇為“自動”模式時，通過觸摸屏選擇徑向打孔或軸向打孔方式對葉片進行自動打孔，軸向自動打孔程序流程圖如圖7所示。

5.2.5? ? S7-226CN PLC與森蘭SB70變頻器通信子程序

森蘭SB70變頻器內置國際標準的MODBUS通信協議，作為MODBUS協議從站;S7-226CN PLC作為MODBUS協議主站，與6臺森蘭SB70變頻器進行通信，PLC通過輪詢讀寫控制變頻器的啟停、頻率給定、監控等功能，與通過外部端口控制變頻器的運行相比，具有較高的可靠性，節約了可貴的PLC I/O口，并能獲得大量變頻器信息。

以1#站切割圓鋸變頻器為例，設置變頻器通信參數，如表1所示。

控制變頻器正轉及設置變頻器的給定頻率，如圖8所示。變頻器控制地址3200H，轉換為十進制為12800，MODBUS地址400001開頭，控制地址為412801。VW102為通信給定頻率。

6? ? 結語

本系統在公司風電產品部已穩定運行多年，實際運行結果表明，該控制系統有效提高了風電葉片根部切割打孔自動化程度及生產效率，具有重大的工程使用價值。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡介：章志勇（1975—），男，江蘇南通人，工程師，從事玻纖行業電氣自動化設計、開發及自動化系統集成工作。