風電扭矩限制器性能測控系統設計

王 智，趙介軍，俞建峰，程 洋

(1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3.無錫海關機電產品及車輛檢測中心，江蘇 無錫 214174)

0 引言

如今，我國已經成為全球風電機組裝機容量最大的國家，扭矩限制器使用量大，并且大量出口[1]。扭矩限制器作為風電聯軸器中的關鍵部件，通常安裝在主動軸和從動軸之間，在傳動系統中起到傳遞扭矩和過載保護的作用[2]。當風電機組的從動軸超載，即從動軸承受的扭矩超過設定值時，扭矩限制器會以打滑的形式將主動軸和從動軸分離，從而保護風電機組。扭矩限制器作為發電機主軸的過載保護裝置，其性能與發電機機組能否安全運行息息相關，因此對扭矩限制器性能的準確評價對于保證風力發電機組的安全運行具有重要意義。

在此，依據風力發電機組扭矩限制器技術規范的要求，課題組設計了一種風電扭矩限制器性能測控系統，并進行現場測試，以檢驗該測控系統是否能夠對扭矩限制器性能做出準確的評價。

1 研制技術要求

1.1 測控系統的機械結構及工作原理

本課題研究的扭矩限制器性能測控系統的機械結構如圖1所示。

圖1 風電扭矩限制器性能測控系統的機械結構

由圖1可知，該測控系統的機械結構主要包括伺服電機、聯軸器、扭矩傳感器、齒輪箱、轉接盤、被測扭矩限制器和固定盤等。測控系統的工作原理為：PLC控制伺服電機運轉，其運動經過聯軸器、扭矩傳感器后傳遞到齒輪箱。扭矩經過齒輪箱的放大后，動力由轉接盤傳遞到扭矩限制器的對偶盤上。扭矩限制器的對偶盤與轉接盤連接，扭矩限制器的外套與固定盤連接。當伺服電機帶動扭矩限制器對偶盤轉動時，對偶盤與固定外套連接的摩擦片之間發生打滑。

1.2 測控系統功能要求

對于風電扭矩限制器，通常需要對其打滑扭矩、疲勞壽命，以及摩擦片材料性能等重要性能指標進行測試，因此測控系統需能夠進行扭矩標定試驗、疲勞試驗和磨合試驗。扭矩標定試驗是為了檢測扭矩限制器的打滑扭矩是否在設定要求的范圍內。疲勞試驗是為了驗證扭矩限制器的使用壽命是否滿足設計要求。磨合試驗則是扭矩限制器測試過程的一個重要工藝，同時也是對扭矩限制器內部摩擦片材料性能研究的必要試驗[3]。

對于上述的試驗要求，測控系統應具備以下功能：

a.測控系統需要實時采集、顯示系統中的各個測控參數(如扭矩傳感器、溫度傳感器和電機信號等)，并將其記錄在數據庫中。

b.在打滑扭矩試驗中，測控系統能夠逐漸對扭矩限制器加載扭矩，同時測控系統需要實時監控和記錄角度-扭矩曲線與時間-扭矩曲線，并對扭矩限制器打滑時的扭矩進行及時的記錄。

c.在疲勞試驗中，測控系統能夠按照一定的加載方向、轉速、打滑角度和循環次數，對風電扭矩限制器進行反復加載，通過對其打滑扭矩的長時間監控，來驗證風電扭矩限制器的使用壽命是否滿足設計要求。

d.測控系統需要對歷史試驗數據進行儲存，同時具備生成報表的功能。

2 測控系統的硬件結構

2.1 測控系統的硬件構成

風電扭矩限制器性能測控系統的硬件配置如圖2所示。

圖2 風電扭矩限制器性能測控系統硬件構成

由圖2可知，該測試系統的硬件主要由控制器模塊、人機交互模塊、電機驅動模塊和檢測模塊組成。

控制器模塊以PLC為核心，PLC的普通I/O端口共配置40個I/O單元(24點輸入和16點輸出)，其串行端口還包含外設USB端口、RS-232C端口和RS-422A/485端口。該PLC的內置模擬量端子臺共有4個模擬量輸入端口和2個模擬量輸出端口[4]。PLC的模擬量信號匯總如表1所示，其中，3個模擬量輸入端口與溫度變送器連接，1個模擬量輸入端口與扭矩傳感器連接，1個模擬量輸出端口與伺服驅動器的模擬量信號輸入端口連接。人機交互模塊采用組態軟件開發，依托于研華的IPC-610L型工控機平臺。

表1 模擬量信號匯總

電機驅動模塊由伺服電機、伺服驅動器和光電編碼器組成。檢測模塊主要由溫度變送器、熱電阻、熱電偶、電流表和扭矩傳感器組成。測試裝置上共設置3個測溫點，分別對伺服電機、扭矩限制器對偶盤和電控柜進行測溫。溫度變送器將K型熱電偶測得的毫伏信號和Pt100熱電阻測得的電阻信號，轉換為可供PLC采集的4～20 mA的電流信號。電流表采用欣靈公司的HPZ80系列三相電流表，具備Modbus通信功能。扭矩傳感器采用應變片式扭矩傳感器，測量量程為500 N·m，并輸出4～20 mA的電流信號。

2.2 測控系統信號傳輸

風電扭矩限制器性能測控系統信號傳輸如圖3所示。測控系統分為上位機監控層、測試控制層和機械設備層三級結構。

圖3 風電扭矩限制器性能測控系統信號傳輸

上位機運行組態軟件，通過RS232接口完成基本通信。下位機是以PLC為主控單元。風電扭矩限制器性能測控系統的狀態信息和控制指令通過HostLink、串口485的現場總線協議(Modbus)和硬件電路連接3種途徑聯合傳遞：

a.上位機監控層與PLC之間采用HostLink協議通信。

b.測試控制層的PLC與機械設備層的伺服驅動器，以及上位監控層的工控機與電流表之間通過Modbus-RTU串行通信協議進行信息傳遞，實現讀取各設備狀態信息并下發控制指令的功能。

c.系統通過硬件電路連接方式將伺服驅動器、指示燈等元器件與PLC的開關量單元進行連接，將溫度傳感器和扭矩傳感器與PLC的模擬量單元進行連接。

3 測試系統的軟件設計與實現

3.1 軟件通信設置

PLC通過串口1處的RS232選項板與工控機進行RS232通信，通過串口2處的RS485選項板與伺服驅動器進行RS485通信。因此需要在PLC編程軟件CX-Programmer中對串口1的通信設置設定為標準通信設置(波特率9 600 B/s，數據格式為起始位1位、數據長度7位和停止位2位，數據校驗方式為偶校驗)，通信模式為Host Link。串口2的通信設置為定制通信設置(波特率19 200 B/s，數據格式為起始位1位、數據長度8位和停止位1位，數據校驗方式為無校驗)，通信模式為串口網關[5]。伺服驅動器和電流表同樣需要設置其通信波特率、數據格式以及從站站號。

3.2 上位機軟件設計

上位機采用組態軟件開發，其軟件包括主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略等[6]。利用其組件中的設備窗口，在通用串口父設備下添加FINS串口設備和標準Modbus-RTU設備作為子設備，同時對通用串口父設備的通信屬性進行設置，以此實現工控機與PLC以及電流表之間的通信[7]。

本文設計的人機界面主要包括管理界面、系統總覽界面、編程模式界面、數據中心界面和報警監控界面，總體功能如圖4所示。

圖4 上位機軟件功能

進入上位機系統時，首先需要在管理界面進行用戶登錄。因此，為了方便對風電扭矩限制器性能測控系統進行集中管理和操控，需要嚴格限制各類操作的權限，避免不具備操作資格的人員誤操作而導致系統癱瘓和工件損壞的問題[8]。管理界面的權限分配為：只有管理員用戶能夠在管理界面對登錄用戶的權限進行分配；工程師用戶在編程模式界面中擁有編輯工藝配方的權限，但不具備用戶管理的權限；普通操作員用戶在編程模式界面中只能選擇裝載已經編輯過的配方，而無修改和添加工藝配方的權限。

用戶登錄完成后，可根據不同的功能需要選擇進入位置編程模式或扭矩編程模式。在位置編程界面中可設置單步循環模式或者自定義循環模式。單步循環模式下可令伺服電機以設定轉速轉過設定角度，旋轉至指定位置后保持一段時間，并可按設定的總循環次數令扭矩限制器反復打滑，以此測試其單一工況下的疲勞壽命。如圖5所示的自定義循環模式中可編輯位置配方，使得伺服電機按照各步設置的設定轉速、設定角度和保持時間旋轉，并按照設定的總循環次數進行循環加載，模擬風電扭矩限制器在復雜工況下的打滑情況。扭矩編程模式下可編輯扭矩配方，使得伺服電機按照扭矩配方逐步以設定的扭矩加載速度將扭矩加載至設定值，并維持該扭矩設定值一段時間。

圖5 位置編程模式工藝配方界面

運行模式和工藝配方選擇完畢后系統會自動跳入系統總覽界面。用戶可在此界面控制測控系統的啟動和停止，并能夠實時監控測試過程的扭矩-時間曲線和角度-扭矩曲線。在進行打滑扭矩標定試驗時，系統總覽界面中的角度-扭矩坐標系上會實時繪制曲線，當風電扭矩限制器打滑時，檢測到的加載扭矩會出現從峰值陡降的情況，通過上位機的角度-扭矩曲線可以監測到扭矩發生突變，該突變點的扭矩則是風電扭矩限制器的打滑扭矩，同時扭矩峰值顯示框會記錄下該打滑扭矩。

3.3 PLC軟件設計

根據測控系統的控制要求，在編程時將PLC程序分為開關量控制、模擬量控制和驅動器通信控制3個部分。

開關量部分的控制對象主要由伺服驅動器、控制柜風扇、電機指示燈和聲光警報燈組成，伺服驅動器供電是通過控制柜面板上的啟動停止按鈕或者上位機界面上的電機啟動和電機停止按鈕來控制的。控制柜風扇則是由控制柜內部的溫度傳感器采集到的溫度信號來決定是否啟動的，當控制柜溫度高于設定的風扇啟動溫度時啟動控制柜風扇，當控制柜溫度低于設定的風扇關閉溫度時停止風扇供電。電機運行指示燈和聲光報警燈可讓操作人員及時了解系統的運行狀況，同時能夠提醒操作人員及時對系統的故障狀況做出反應。

模擬量控制程序主要為了實現對伺服電機扭矩模式的控制，伺服電機的扭矩編程模式采用外部模擬量進行控制。在程序中對模擬量輸出寄存器210通道賦值為4 500時，程序中的數字量信號由D/A模塊轉換為5 V的模擬量信號，驅動電機正轉運行于額定扭矩[9]。

驅動器通信控制部分的程序是通過Modbus串行總線的控制方式，實現伺服電機速度模式和位置模式的控制。對于速度模式，PLC需要向伺服驅動器寫入如表2所示的控制參數。對于位置模式，PLC需要向伺服驅動器寫入如表3所示的控制參數。同時為了獲取電機運行時的各項參數，PLC還需要讀取伺服驅動器的反饋值，讀取參數如表4所示。

表2 速度模式參數設置

表3 位置模式參數設置

表4 讀取伺服驅動器參數

在Modbus-RTU協議的半雙工通信下，執行通信和讀取數據均只能單條執行，不能同時進行收發信號，也不能同時發送2條或2條以上的數據[10]。因此對于測控系統的PLC，其Modbus-RTU通信命令中DM固定分配字為D32300～D32349，輔助區位為A640.00～A640.02。在寫入控制指令時，PLC程序使用了預置單寄存器功能碼(代碼06)和預置多寄存器功能碼(代碼16)。當使用預置單寄存器功能碼時，將信息幀中的從站地址、功能碼06、通信字節數、Modbus寄存器地址，以及控制參數寫入D32300～D32349的DM固定分配字。當使用預置多寄存器功能碼時，將信息幀中的從站地址、功能碼16、通信字節數、Modbus寄存器起始地址、寫入寄存器的個數、發送字節的個數，以及控制參數寫入D32300～D32349的DM固定分配字。在寫入查詢指令時，程序中使用了讀取輸入寄存器功能碼(代碼04)，因此要將信息幀中的從站地址、功能碼04、通信字節數、Modbus寄存器起始地址，以及讀取寄存器的個數寫入D32300～D32349的DM固定分配字。將Modbus指令寫入PLC的DM固定分配字后，將PLC中的A640.00點位置為ON，即開始執行Modbus-RTU通信。如果A640.01點位置ON，即代表Modbus-RTU通信執行成功，通信執行成功后伺服驅動器還會向PLC發回響應數據，響應數據儲存在D32354～D32399的DM固定分配字中。對于預置單寄存器和預置多寄存器請求的正常響應，是在寄存器值改變以后將接收到的數據傳送回去[11]。對于讀取輸入寄存器請求的正常響應是將查詢到的數據傳送回PLC。若A640.01點位未置ON，且A640.02點位置ON，即表示Modbus-RTU通信執行失敗，PLC會將此異常情況提交至上位機，提醒操作人員出現通信異常的問題。

4 應用反饋

扭矩限制器測試現場如圖6所示。該被測風電扭矩限制器的設定打滑扭矩為450×(1±0.1) kN·m。利用風電扭矩限制器性能測控系統對該被測扭矩限制器進行累計旋轉10 000°，單次50°的單向旋轉打滑扭矩測試。

測試初期扭矩限制器對偶盤與摩擦片表面未進行預摩，實際接觸面積較小。通過一段時間的磨合后，表面接觸面積增加，打滑扭矩也逐漸上升，隨后會在一定程度上趨于穩定。通過對如圖7所示打滑扭矩-角度曲線的分析發現，該被測風電扭矩限制器經過磨合后的打滑扭矩相比450 kN·m的變化率小于5.5%，滿足產品設計要求。

圖6 扭矩限制器測試現場

圖7 打滑扭矩-旋轉角度曲線

5 結束語

本文從扭矩限制器的性能指標入手，設計了基于PLC和組態軟件的風電扭矩限制器性能測控系統。該系統通過硬件架構設計、人機交互平臺開發以及可編程控制器的軟件設計，實現了對伺服電機轉速、旋轉角度和加載扭矩的精確控制，對試驗扭矩和溫度進行自動檢測，同時以友好的人機界面實現了測控系統工藝參數和監控對象的管理。通過現場實際應用反饋，該測控系統運行穩定、實用性強、滿足用戶對于風電扭矩限制器的多種測試要求，具有一定的推廣和應用價值。