张建贺

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司 河北 唐山 063200）

1 机械负载模拟和监控系统介绍

基于PCL为控制器的机械负载模拟和监控系统可以对磁粉离合器实现闭环控制，该负载模拟和控制系统主要由触摸屏、CANopen通信接口、PLC、CANopen接口的变频器、电机、磁粉制动器、磁粉制动器控制电源以及光电编码器组成。在运行过程中，触摸屏通过以太网和PLC连接，PLC再通过CANopen通信接口与变频器连接，从而实现对电机转速、功率以及转矩的控制与检测。

在此负载模拟和监控系统中，为了计算精确的电机转速、功率和期望的转矩，控制电源也发挥了重要的作用。首先通过PLC输出模拟控制信号，控制电源在接收后输出直流电压，该电压可以实现对磁粉制动器的控制。而控制电源是处于持续输出电压的状态，开关的频率很高，因此磁粉制动器也处于持续工作状态，所以可以得出，磁粉制动器的制动转矩是和制动器线圈的电压成正比。此外，触摸屏在工作中的作用是设定负载特性曲线，通过以太网和PLC连接后，PLC又通过CANopen接口与变频器连接，变频器连着电动机，所以在触摸屏设置好负载特性后，PLC可以实现对电动机的实时检测和控制。最后，通过设定的负载特性计算出转矩和转速，然后通过转矩进行PI计算得出所需要的控制模拟信号，该信号输出到控制电源，控制电源和制动器连接，使得磁粉制动器产生所期望的转矩。

2 PLC软件设计与实现

上述机械负载模拟和监控系统主要的设备包括PLC、触摸屏、变频器和控制电源，而系统的核心设备是PLC，因此主要对基于PLC软件的设计方案进行研究。

2.1 PLC系统配置方案

PLC系统配置由机架模块、CPU模块和模拟量输出模块构成，CPU模块上有CANopen总线和Ethernet总线，模拟量输出模块上为了提高信号在传输过程中的抗干扰能力，选择了0-20mA的电流输出模式。此外，CANopen总线和变频器相连接。至于机架模块和总线上的其他设备暂没有配置。

2.2 典型负载模拟系统的控制流程

负载模拟系统的控制流程如下：首先通过以太网实现触摸屏和PLC的连接，通过CANopen总线实现PLC与变频器联网。其次PLC可以从变频器读取电动机的转速、转矩等参数，从触摸屏获取设定好的负载类型和特性曲线等数据。然后根据获得的电动机转速、转矩和设定的负载类型与特性，通过计算得到控制模拟信号，并输出控制电压到控制电源。最后控制电源读取电机的转速和所期望的转矩实现制动器转矩的获取，将数据显示在触摸屏上。以恒功率负载为例，在获得该负载特性时，首先从变频器获得电动机的转速n，然后从触摸屏获得负载特性参数K，并通过触摸屏设定好K的取值范围，在计算控制量时还需要规定n的取值范围，然后通过公式：输出模拟控制量=K/n计算得到控制量。并输出控制电压到电源，制动器可根据控制量算出所期望的功率。

2.3 PLC控制命令

PLC的控制命令包括五个，即读取电机的转速、获取负载类型和特性系数并进行负载特性运算、输出变频器控制命令、控制转矩闭环以及。其中电机转速读取是通过变频器从电机读取电机的转速和相对转矩，然后将电机转速和相对转矩以整形变量的形式存储到单元中，PLC通过CANopen总线获得相应数据。负载类型和特性系数获取以及运算命令，以恒功率负载为例，在运算命令时因为负载系数是浮点型变量，所以需要将整型变量——电动机转速也变为浮点型变量后进行运算。控制输出变频器命令包括变频器转速设定命令和变频器起停命令。关于转矩闭环控制命令，是因为为了实现计算得到的转矩是符合期望值的，所以在系统中加了磁粉制动器，并加入PI运算实现对转矩的闭环控制，然后通过转矩的特性计算得到期望的转矩。最后关于模拟量输出命令，是在模拟量模块上进行的输出命令，在执行该命令时需要将其中的浮点型变量进行变量类型转换，变成和模拟量模块的输入统一的整型变量。

2.4 触摸屏界面设计

触摸屏监控界面有两个功能，第一进行负载类型的选择和该负载类型特性的设定，第二显示相应的电机转速和相对期望转矩。在负载类型界面有恒功率负载、恒转矩负载和风机泵类负载，以风机泵类负载为例，在负载类型特性设定与监控界面，电机触摸屏便可进入到设置界面，界面中包括风机泵类系数的输入框，转速输入框和停止启动触摸键，另外也实时显示电机的转速和相对转矩。

3 3种典型负载模拟系统设计实验结果

在验证实验结果时每个负载类型选择转速和相对转矩作为负载系数，根据实验表明每种负载模拟系统设计符合期望结果，以风机泵类负载特性为例，变频器采用的是磁通矢量闭环控制，因为闭环控制的实现所以可以得到期望的转矩，其转速和转矩的关系可以用公式：T=K2n2来表示。因为变频器的转矩是负载转矩和空载转矩的和，所以当空载转矩不变，而总转矩减少时，变频器反馈的转矩也会减少。

4 结语

本文设计了电力拖动典型负载模拟系统，利用磁粉电动器为加载元件，PLC软件为系统的控制中心，直流发电机为测试元件。在较长的工作状态下，转矩会随着转速发生变化，而其中的变频器利用磁通矢量闭环控制可实现稳衡负载。在基于PLC为中心的负载模拟系统和监控系统中，通过PLC设置方案、负载系统的控制流程设定、PLC控制命令以及触摸屏界面的设计，实现了电力拖动典型负载模拟系统设计，最终的实验结果符合三种典型负载特性。

[1] 李岚.电力拖动与控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 孙新柱，张浩，陈跃东.《电力拖动控制系统》虚拟实验平台的开发[J].淮北师范大学学报：自然科学版，2013，34(3)：62-65.