船用電梯測試系統(tǒng)方案

1、船用電梯實驗系統(tǒng)船用電梯實驗系統(tǒng) 技術(shù)方案技術(shù)方案 二二 0 0 一五年七月一五年七月 2 2 目目 錄錄 1.總體性能指標(biāo)總體性能指標(biāo).3 1.1.主要功能.3 1.2.性能指標(biāo).3 2.系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成.4 3.系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理.6 3.1 承載機(jī)架.8 3.2 運動框架.9 3.3 軸承.10 3.4 伺服電機(jī).10 3.5 力矩傳感器.12 3.6 減速器.13 4.伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng).14 任務(wù)管理單元.15 運動控制柜.15 4.1 伺服控制軟件.17 系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件.17 伺服控制應(yīng)用軟件.19 4.2 電機(jī)啟動柜.20 4.3 連接電纜.21 4.4 系統(tǒng)與外

2、部的接口.22 機(jī)械接口.22 電氣接口.22 5.配套條件配套條件.22 5.1 配電.22 5.2 地線要求.22 6.設(shè)備布置設(shè)備布置.22 3 3 1. 總體性能指標(biāo) 1.1. 主要功能 1、主要功能：運動平臺實現(xiàn)繞 X 軸或 Y 軸運動且滿足精度及速度要求。 2、監(jiān)控功能：運動平臺實時姿態(tài)，運動速度實時反饋，并實時繪制對應(yīng)曲線。 3、安全功能：非正常斷電后，平臺停止在當(dāng)前位置；運行過程中，若有故障， 平臺立即停止在當(dāng)前位置，并返回錯誤代碼。 4 附加功能： 可以實時讀取壓力傳感器數(shù)據(jù)，并實時返回給上位機(jī)。 5 讀取波浪譜：讀取波浪譜姿態(tài)文件，并執(zhí)行相應(yīng)指令，可模擬各種海況。 1.2.

3、 性能指標(biāo) 1、總體性能指標(biāo) （1）外形尺寸（長*寬*高）：10000mm*7000mm*15000mm （2）總重量（活動部件）：約 15000kg。 （3）總功率需求：三相 380VAC，波動范圍：-10%+10%；容量 30KVA。 （4）運動范圍：X 軸：-1212；Y 軸：-7.57.5 （5）額定運行速度：7.55 /s 2、外框架驅(qū)動裝置 （1）功率需求：三相 380VAC，波動范圍：-10%+10%；容量 15KVA。 （2）額定輸出扭矩： 40KN.M。 （3）額定輸出速度： 7.55 /s （4）扭矩傳感器測量精度：0.3%。 （5）扭矩傳感器量程：0-50KN.M。 (6

4、) 減速機(jī)減速比：1:710 3、內(nèi)框架驅(qū)動裝置 （1）功率需求：三相 380VAC，波動范圍：-10%+10%；容量 15KVA。 （2）額定輸出扭矩： 40KN.M。 （3）額定輸出速度：7.55 /s （4）扭矩傳感器測量精度：0.3%。 （5）扭矩傳感器量程： 0-50KN.M。 （6）減速機(jī)減速比：1:710 4、電梯參數(shù) （1）電梯轎廂：長 1.4 米，寬 1.1 米， 高 15 米，重 10 噸，左右搖擺角 度12 度，周期 10 秒，前后搖擺角度7.5 度，周期 7.5 秒。 （2）測試時橋箱需要上下移動，重量 800kg。 5、組裝形式 4 4 機(jī)械組件需具有開放性，可拆卸組

5、裝（需在廠家指導(dǎo)下進(jìn)行）。整個設(shè) 備占地 50 平米 6、產(chǎn)品壽命 額定載荷下，全行程往復(fù)工作壽命不小于 1107 次，存儲壽命不小于 48 個 月。 7、噪聲 平臺系統(tǒng)以 5/s 速度運動時，距平臺系統(tǒng) 1m 處的噪聲強(qiáng)度低于 70dB。 8、安全功能 系統(tǒng)設(shè)計安全系數(shù)：機(jī)械設(shè)計安全系數(shù)不小于 3.0，驅(qū)動裕度不小于 3.0。 9、電氣安全特性：電源波動20%或突然斷電，系統(tǒng)能不受損壞，恢復(fù)供電重新 啟動后保證可正常工作。 10、環(huán)境條件 （1）工作溫度：室內(nèi)設(shè)備-1050C，室外設(shè)備-2060C （2） 儲存溫度：-4065C （3） 相對濕度：95%3%（40C） 11、可靠性和可維修性

6、 （1） 平臺系統(tǒng)一次連續(xù)工作時間不低于 48 小時。 （2） 使用壽命不小于 22000 小時。 （3） 平均無故障時間 MTBF2200 小時。 （4）平均維修時間 MTBF4 小時。 12、供電條件要求 （1）三相 380VAC，波動范圍：-10%+10%； （2）容量 30KVA。 2. 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)包括機(jī)架總成（支撐塔基），外固定框架總成，電梯總成，運動框架總成， 伺服電機(jī)-減速機(jī)總成，驅(qū)動器系統(tǒng)，高速微型控制器，綜合控制監(jiān)測系統(tǒng)。見圖 2- 1。 機(jī)架總成：是有效載荷的安裝基面，能夠承受足夠大的力沖擊； 固定框架總成：由承載機(jī)架、活動部件安裝基座、電機(jī)及減速機(jī)安裝基座等組成。 其

7、主要功能承載活動部件負(fù)載，提供活動部件安裝機(jī)架，提供減速機(jī)及伺服電機(jī)安裝 機(jī)架； 電梯總成：由電梯框架、電梯轎廂、配重系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成； 運動框架總成：框架、活動部件安裝基座、電機(jī)及減速機(jī)安裝基座等組成。其主 要功能承載活動部件負(fù)載，提供活動部件安裝機(jī)架，提供減速機(jī)及伺服電機(jī)安裝機(jī)架； 5 5 伺服電機(jī)-減速機(jī)總成：由伺服電機(jī)、減速機(jī)、扭力傳感器等組成。根據(jù)指令輸出 扭矩及轉(zhuǎn)速； 驅(qū)動器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機(jī)的輸入，對伺服電機(jī)的輸出 轉(zhuǎn)速，扭矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，達(dá)到精確控制伺服電機(jī)的目的； 高速微型控制器：用于數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)采集，指令輸出等，以實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控 制； 綜合控

8、制監(jiān)測系統(tǒng)：硬件為用戶計算機(jī)，軟件為研制方配合開發(fā)；同時，它還對 測試平臺的實驗過程進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)防和處理系統(tǒng)的異常情況。 （a） 固定框架總成 成pingtai 伺服電機(jī)-減速機(jī)總成 機(jī)架總成 電梯總成 運動框架總成 成pingtai 6 6 （b） 圖 2-1 船用電梯測試系統(tǒng) 3. 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)工作原理如圖 3-1 所示?？刂葡到y(tǒng)為分層控制結(jié)構(gòu)，監(jiān)控單元負(fù)責(zé)人機(jī)界面 交互，接受用戶操作指令。并將控制信號下達(dá)給實時控制計算機(jī)?，F(xiàn)簡述工作過程如 下： 該系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，監(jiān)控計算機(jī)通過以太網(wǎng)給微型控制器發(fā)送指令 信息，微型控制器接收到有關(guān)測試平臺運動參數(shù)（位置，速度以及力矩）的

9、指令后， 經(jīng)過精確運算，數(shù)據(jù)通過總線傳遞給驅(qū)動器，由驅(qū)動器內(nèi)部 PC 得到信息并驅(qū)動電動機(jī) 運動，以實現(xiàn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)按指令運行。安裝在電動機(jī)上的編碼器實時檢測出電動機(jī)的運 行速度及位置信息，并發(fā)送到驅(qū)動器，同時安裝在電機(jī)上的力矩傳感器或拉力傳感器 能實時監(jiān)測扭矩或者拉力，該信息傳輸給微型控制器，微型控制器通過計算確保系統(tǒng) 各部分協(xié)調(diào)動作以及控制精度?，F(xiàn)簡述其工作原理如下： 驅(qū)動裝置總成：監(jiān)控計算機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送指令（角速度，扭矩等）命令給微型 控制器，微型控制器根據(jù)指令精確計算，將計算數(shù)據(jù)傳給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)指 令控制電機(jī)運行，同時驅(qū)動電機(jī)的實時角速度，扭矩反饋給微型控制器，微型控制器 通過

10、計算確保驅(qū)動電機(jī)精度，同時將實時數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控計算機(jī)。 電梯總成基 礎(chǔ) 伺服電機(jī) 力矩傳感器 減速器 伺服電機(jī) 力矩傳感器 減速器 承載機(jī)架 pingtai 支撐立柱 框架 7 7 監(jiān)監(jiān)控控計計算算機(jī)機(jī) 微微型型控控制制器器 伺伺服服驅(qū)驅(qū)動動器器 減減速速機(jī)機(jī) 運動指令運動狀態(tài) 總線通信 扭扭力力傳傳感感器器 姿態(tài)測量 電電梯梯模模型型 圖 3-1 系統(tǒng)原理框圖 8 8 3.1 承載機(jī)架 承載機(jī)架安裝在支撐立柱上，支撐立柱和基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)-減速 機(jī)總成固定在承載機(jī)架上，見圖 3-2 （a） （b） 圖 3-2 承載機(jī)架 承載機(jī)架 pingtai 框 架 支撐立柱 基 礎(chǔ) 伺服電

11、機(jī)-減速機(jī) 總成 9 9 3.23.2 運動框架 運動框架通過軸承安裝在承載機(jī)架上，同時也可以通過框架上安裝的伺服電機(jī)-減 速機(jī)總成去驅(qū)動電梯總成旋轉(zhuǎn)，電梯總成安裝板需要根據(jù)電梯總成的具體結(jié)構(gòu)再進(jìn)行 詳細(xì)設(shè)計如圖 3-3。 （a） （b） 圖 3-3 運動框架 伺服電機(jī)-減速機(jī) 總成 電梯總成 運動框架 伺服電機(jī)-減 速機(jī)總成 安裝板 伺服電機(jī)-減 速機(jī)總成 安裝板 電梯總成 安裝板 電梯總成 安裝板 框架軸 框架軸 10 10 3.33.3 軸承 電梯總成實現(xiàn)兩自由度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)選用的軸承為雙列圓錐滾子軸承 GB/T295-1995 120 型，最大動載荷 258KN。 3.43.4 伺服

12、電機(jī) 為實現(xiàn)伺服控制，選用電機(jī)為 PHASE 電機(jī)，型號：1007A。1000R/min 時輸 出力矩為 57Nm，額定功率 6kW。外形與性能參數(shù)如圖 3-4。 （a） 11 11 （b） 圖 3-4 伺服電機(jī)參數(shù) 電機(jī)驅(qū)動器選用 KEB 驅(qū)動器，型號 14F5A1G-35MA，400V 等級參數(shù)見圖 3-5，額定輸出功率 11KVA，額定輸出電流 16.5A。 12 12 圖 3-5 驅(qū)動器參數(shù) 3.53.5 力矩傳感器 力矩傳感器選用韓國世泰 SETech 力矩傳感器：型號 YDR-8000K，量程 78.46KNm。力矩電機(jī)參數(shù)見圖 3-6。 13 13 圖 3-6 力矩電機(jī)參數(shù) 3.

13、63.6 減速器 減速器選用上海邁爾達(dá)公司 MRD 的 P 系列減速器，型號：P3KA-9，減速比 710，額定輸出扭矩 22kNm。減速器參數(shù)見圖 3-7。 14 14 圖 3-7 減速器參數(shù) 4. 伺服控制系統(tǒng) 采用兩級控制模式，由任務(wù)管理和運動控制兩級控制器構(gòu)成，如圖 4-1 和 4-2 所示， 包括：任務(wù)管理計算機(jī)、運動控制單元、液壓源控制單元。 15 15 圖 4-1 搖擺臺控制系統(tǒng)組成 圖 4-2 任務(wù)管理單元 任務(wù)管理單元任務(wù)管理單元 任務(wù)管理單元由一臺最新型號 DELL 商用計算機(jī)組成，主要實現(xiàn)功能： 上層操作界面的管理，接受操作人員的控制指令，完成試驗任務(wù)參數(shù)設(shè)置 并通過以太

14、網(wǎng)下載至伺服控制單元； 通過以太網(wǎng)監(jiān)控?fù)u擺臺的工作狀態(tài)； 通過 RS-485 接口監(jiān)控液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 運動控制柜運動控制柜 運動控制柜中，主要安裝有： 運動控制器； 信號調(diào)理器； 供電電源。 運動控制器的主要功能是根據(jù)任務(wù)管理單元的控制指令完成二自由度搖擺臺及附 屬設(shè)備之間所有 I/O 操作的控制和管理，其主要執(zhí)行的任務(wù)包括：系統(tǒng)啟動/停止、運 動控制、系統(tǒng)的運動狀態(tài)監(jiān)測與故障處理。 運動控制器在正常工作狀態(tài)下，接受任務(wù)管理單元的試驗系統(tǒng)控制信號，經(jīng)高速 數(shù)字處理系統(tǒng)補償控制后，由 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生液壓作動器的同步控制信號，伺服 放大器驅(qū)動電機(jī)運動，實現(xiàn)對電機(jī)的閉環(huán)控制；當(dāng)運

15、動系統(tǒng)發(fā)生故障時，運動控制器 16 16 根據(jù)故障的類別立刻切斷伺服系統(tǒng)回路，使伺服激振器鎖定于某一位置或回復(fù)到系統(tǒng) 的零位，從而達(dá)到系統(tǒng)保護(hù)的目的。運動控制器如圖 4-3 所示，主要配置如表 4-1 所示 表 4-1 伺服控制單元配置 序號型號主要性能指標(biāo)數(shù)量 1PXI-8176 PXI 總線 P1.26G 控制器； 256M SDRAM，20G 硬盤； 1 2PXI-8461/1CAN 總線通訊卡 最高傳輸速率 1Mb/s 1 3PXI-6713PXI 總線 8 路 12 位模擬量輸出 D/A1 4 PXI-6052E PXI 總線 8 路 16 位差分輸入 333ks/S A/D，2 路

16、 3us,16 位 D/A； 2 5PXI-6533PXI 總線 48 路數(shù)字 I/O；1 6PXI-1000B8 槽 PXI 總線機(jī)箱1 圖 4-3 運動控制器 信號調(diào)理器將二自由度搖擺臺上的各種傳感器輸出電信號進(jìn)行調(diào)理、放大、濾波處 理和歸一化處理后傳遞給伺服控制器，用于各種狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測和系統(tǒng)實時控制。信號 調(diào)理器由 4U 電磁屏蔽機(jī)箱和相應(yīng)的信號調(diào)理板卡組成，通過合理的布線、有效的屏蔽 和濾波措施以及選用優(yōu)質(zhì)的元器件，使信號調(diào)理器達(dá)到比較理想的信號調(diào)理效果。信 號調(diào)理器如圖 4-4 所示。 圖 4-4 信號調(diào)理器 17 17 模擬信號調(diào)理板特性： 1、420mA 電流或 010V 輸入信

17、號； 2、300Hz 有源濾波器有效抑制差模干擾； 3、210V 或 010V 差分電壓輸出信號，可有效抑制共模干擾； 4、運算放大器采用低噪聲、高輸入阻抗 AD497 和 AD297； 5、信號噪聲比 65dB。 數(shù)字信號調(diào)理板特點 1、 數(shù)字信號調(diào)理板選用日本松下電器生產(chǎn)的 PhotoMOS 光電繼電器其動作時間 （響應(yīng)）小于 5ms，是普通型繼電器動作時間的 1/10，最大驅(qū)動電流 2.6A。 2、 由于采用光電式繼電器，大功率驅(qū)動回路與小功率控制回路的地線完全隔離， 功率級信號對其他信號無影響。 3、 集成度高，易于維護(hù)。 4.14.1 伺服控制軟件 控制系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件和

18、伺服控制應(yīng)用軟件兩部分組成。系統(tǒng)管理與 監(jiān)控軟件完成系統(tǒng)參數(shù)配置、實驗方式選擇、查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)和瀏覽各種數(shù)據(jù)等 功能；伺服控制應(yīng)用軟件完成兩自由度搖擺臺的實時控制、邏輯控制和安全保護(hù)功能。 系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件 搖擺臺控制軟件類似界面如圖 4-5 所示，主要功能如下： 1）用戶權(quán)限管理 建立和刪除用戶，用戶管理權(quán)限的修改，用戶密碼設(shè)置與修改。 2）運動控制器參數(shù)配置 傳感器標(biāo)定，控制回路控制參數(shù)調(diào)整。 3）函數(shù)發(fā)生器 包括正弦和隨機(jī)波。用戶可設(shè)置正弦信號的幅值、頻率、偏移量和相位。 4）信號源的選擇 包括內(nèi)部、外部和歷史數(shù)據(jù)三種方式。 18 18 選擇內(nèi)部模式時，運動控制系

19、統(tǒng)的驅(qū)動信號由自身的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生；選擇外 部模式時，運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動信號由外部設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接口提供；歷史數(shù)據(jù)模式 下，運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動信號是一段歷史數(shù)據(jù)。 5）實時數(shù)據(jù)與歷史曲線 6）系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測 可顯示如下信息：液壓系統(tǒng)狀態(tài)，運動控制系統(tǒng)狀態(tài)，用戶操作狀態(tài)，系統(tǒng)報 警和處理。 7）實驗報告：以 HTML 格式記錄用戶信息，實驗類型，參數(shù)配置，運行結(jié)果。 8）數(shù)據(jù)存取 實時錄入：試驗中，用戶可以在線記錄試驗數(shù)據(jù)，可以設(shè)置采樣間隔。 盤后錄入：試驗完成后，用戶可以從運動控制計算機(jī)上獲得大約 20 分鐘的試驗 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔為 1ms，并以 Matlab 的 MAT 格式存儲成數(shù)據(jù)文

20、件。用戶 可以用 Matlab 軟件進(jìn)行分析與處理。 9）數(shù)據(jù)服務(wù) 把系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，便于用戶查詢，分析， 處理。 10）網(wǎng)絡(luò)通訊 圖 4-5 搖擺臺控制軟件界面 19 19 伺服控制應(yīng)用軟件伺服控制應(yīng)用軟件 伺服控制應(yīng)用軟件功能如 4-6Error! Reference source not found.所示，主要功能如 下： 1) 信號發(fā)生器（包括正弦、隨機(jī)波、矩形波和三角波） 2) 運動平臺的邏輯控制 運動平臺在實驗過程中要經(jīng)歷如下運動狀態(tài)：零位，待機(jī)，工作，切換，應(yīng)急。 必須保證運動平臺根據(jù)系統(tǒng)的條件處于正確的運動狀態(tài)中。 3) 運動平臺安全保護(hù) 運動平臺

21、的故障診斷，確認(rèn)系統(tǒng)是否出現(xiàn)如下故障，傳感器斷路，信號超限，通訊 故障等等，并做出應(yīng)急處理。 4) 運動平臺自由度控制 由系統(tǒng)給定的姿態(tài)指令經(jīng)運動學(xué)分析計算出電機(jī)的期望值，并作為伺服控制器的輸 入指令。 5) 運動平臺姿態(tài)角輸出計算 通過運動學(xué)正解對運動平臺的姿態(tài)角、角速度、角加速度進(jìn)行計算，并反饋給任務(wù) 管理計算機(jī)。 6) 作動器的伺服控制 PID 控制、動壓反饋和超前補償。 7) 數(shù)據(jù)采集與錄入 8) 數(shù)據(jù)時間歷程示波器，顯示系統(tǒng)給定和系統(tǒng)反饋。 9) 網(wǎng)絡(luò)通訊 20 20 圖 4-6 伺服控制軟件 4.24.2 電機(jī)啟動柜 電機(jī)啟動柜的配置見表 4-2。 表 4-2 電機(jī)啟動柜配置表 序

22、號名稱型號規(guī)格廠家數(shù)量 1啟動機(jī)柜2200*800*600 滄州金 光 1 2電力電工儀表6L2-A 500/5A CHINT 3 3互感器 LMZJ1-0.5 400/5 50 0.5CHINT 3 4轉(zhuǎn)換開關(guān)LW5D-16YH3/3 CHINT 1 5電壓表6L2-V 450V CHINT 1 6熔芯RT14-20(RT28-32) 10A CHINT 3 7熔斷器底座RT28-32 1P 2-32A CHINT 3 8隔離開關(guān)SIWOG1-500/3J斯沃1 9斷路器OSMC32N1C6施耐德4 10斷路器NSC400K3320MA施耐德2 11斷路器IC65H3PD30施耐德1 12空氣開關(guān)C65N C10A/2P施耐德1 21 21 13接觸器LC1D15000M7C施耐德4 14接觸器LC1D95M7C施耐德2 15熱繼電器LR9D5369施耐德2 16接觸器LC1D32M7C施耐德1 17熱繼電器LRD3353C施耐德1