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)技術方案技術方案二二 0 0 一五年七月一五年七月22目目 錄錄1.總體性能指標總體性能指標.31.1.主要功能.31.2.性能指標.32.系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成.43.系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理.63.1 承載機架.83.2 運動框架.93.3 軸承.103.4 伺服電機.103.5 力矩傳感器.123.6 減速器.134.伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng).14任務管理單元.15運動控制柜.154.1 伺服控制軟件.17系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件.17伺服控制應用軟件.194.2 電機啟動柜.204.3 連接電纜.214.4 系統(tǒng)與外部的接口.22機械接口.22電氣接口.225.配套

2、條件配套條件.225.1 配電.225.2 地線要求.226.設備布置設備布置.22331. 總體性能指標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，并實時繪制對應曲線。3、安全功能：非正常斷電后，平臺停止在當前位置；運行過程中，若有故障， 平臺立即停止在當前位置，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。5 讀取波浪譜：讀取波浪譜姿態(tài)文件，并執(zhí)行相應指令，可模擬各種海況。1.2. 性能指標1、總體性能指標（1）外形尺寸（長*寬*高）：10000mm*7000m

3、m*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 /s2、外框架驅動裝置（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) 減速機減速比：1:7103、內(nèi)框架驅動裝置（1）功率需求：三相 380VAC，波動范圍：-10%

4、+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）減速機減速比：1:7104、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44機械組件需具有開放性，可拆卸組裝（需在廠家指導下進行）。整個設備占地 50 平米6、產(chǎn)品壽命額定載荷下，全行程往復工作壽命不小于 1107 次，存儲壽命

5、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 處的噪聲強度低于 70dB。8、安全功能系統(tǒng)設計安全系數(shù)：機械設計安全系數(shù)不小于 3.0，驅動裕度不小于 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)設備-1050C，室外設備-2060C（2） 儲存溫度：-4065C（3） 相對濕度：95%3%（40C）11、可靠性和可維修性（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

6、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-減速機總成，驅動器系統(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：由承載機架、活動部件安裝基座、電機及減速機安裝基座等組成。其主要功能承載活動部件負載，提供活動部件安裝機架，提供減速機及伺服電機安裝機架；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、電機及

7、減速機安裝基座等組成。其主要功能承載活動部件負載，提供活動部件安裝機架，提供減速機及伺服電機安裝機架；55伺服電機-減速機總成：由伺服電機、減速機、扭力傳感器等組成。根據(jù)指令輸出扭矩及轉速；驅動器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機的輸入，對伺服電機的輸出轉速，扭矩和轉角進行控制，達到精確控制伺服電機的目的；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；綜合控制監(jiān)測系統(tǒng)：硬件為用戶計算機，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行監(jiān)測，預防和處理系統(tǒng)的異常情況。（a）固定框架總成成pingtai伺服電機-減速機總成機架總成電梯總成運動框架總成成pi

8、ngtai66（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。控制系統(tǒng)為分層控制結構，監(jiān)控單元負責人機界面交互，接受用戶操作指令。并將控制信號下達給實時控制計算機。現(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測試平臺運動參數(shù)（位置，速度以及力矩）的指令后，經(jīng)過精確運算，數(shù)據(jù)通過總線傳遞給驅動器，由驅動器內(nèi)部 PC 得到信息并驅動電動機運動，以實現(xiàn)驅動機構按指令運行。安裝在電動機上的編碼器實時檢測出電動機的運行速度及位置信息，并發(fā)送到驅動器，同時安裝在電機上的力矩傳感器或拉力傳感器能實時監(jiān)

9、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。現(xiàn)簡述其工作原理如下：驅動裝置總成：監(jiān)控計算機通過以太網(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)傳給伺服驅動器，驅動器根據(jù)指令控制電機運行，同時驅動電機的實時角速度，扭矩反饋給微型控制器，微型控制器通過計算確保驅動電機精度，同時將實時數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控計算機。電梯總成基 礎伺服電機力矩傳感器減速器伺服電機力矩傳感器減速器承載機架pingtai支撐立柱框架77監(jiān)監(jiān)控控計計算算機機微微型型控控制制器器伺伺服服驅驅動動器器減減速速機機運動指令運動狀態(tài)總線通信扭扭力力傳傳

10、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883.1 承載機架承載機架安裝在支撐立柱上，支撐立柱和基礎為鋼筋混凝土結構，伺服電機-減速機總成固定在承載機架上，見圖 3-2（a）（b）圖 3-2 承載機架承載機架pingtai框 架支撐立柱基 礎伺服電機-減速機總成993.23.2 運動框架運動框架通過軸承安裝在承載機架上，同時也可以通過框架上安裝的伺服電機-減速機總成去驅動電梯總成旋轉，電梯總成安裝板需要根據(jù)電梯總成的具體結構再進行詳細設計如圖 3-3。（a）（b）圖 3-3 運動框架伺服電機-減速機總成電梯總成運動框架伺服電機-減速機總成安裝板伺服電機-減速機總成安裝板電梯總成

11、安裝板電梯總成安裝板框架軸框架軸10103.33.3 軸承電梯總成實現(xiàn)兩自由度旋轉，旋轉結構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 伺服電機為實現(xiàn)伺服控制，選用電機為 PHASE 電機，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）1111（b）圖 3-4 伺服電機參數(shù)電機驅動器選用 KEB 驅動器，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。1212圖 3-5 驅動器參數(shù)3.53.5 力矩傳感

12、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。力矩電機參數(shù)見圖 3-6。1313圖 3-6 力矩電機參數(shù)3.63.6 減速器減速器選用上海邁爾達公司 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。1414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，由任務管理和運動控制兩級控制器構成，如圖 4-1 和 4-2 所示，包括：任務管理計算機、運動控制單元、液壓源控制單元。1515 圖 4-1 搖擺臺控制系統(tǒng)組成 圖 4-2 任務管理單元任務管理單元任務管理單元任務管

13、理單元由一臺最新型號 DELL 商用計算機組成，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，完成試驗任務參數(shù)設置并通過以太網(wǎng)下載至伺服控制單元；通過以太網(wǎng)監(jiān)控搖擺臺的工作狀態(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)任務管理單元的控制指令完成二自由度搖擺臺及附屬設備之間所有 I/O 操作的控制和管理，其主要執(zhí)行的任務包括：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

14、，由 12 位 D/A 轉換器產(chǎn)生液壓作動器的同步控制信號，伺服放大器驅動電機運動，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制；當運動系統(tǒng)發(fā)生故障時，運動控制器1616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到系統(tǒng)的零位，從而達到系統(tǒng)保護的目的。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數(shù)量1PXI-8176PXI 總線 P1.26G 控制器；256M SDRAM，20G 硬盤；12PXI-8461/1CAN 總線通訊卡最高傳輸速率 1Mb/s13PXI-6713PXI 總線 8 路 12 位模擬量輸出 D/A14PXI-60

15、52EPXI 總線 8 路 16 位差分輸入333ks/S A/D，2 路 3us,16 位 D/A；25PXI-6533PXI 總線 48 路數(shù)字 I/O；16PXI-1000B8 槽 PXI 總線機箱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 電磁屏蔽機箱和相應的信號調(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)質的元器件，使信號調(diào)理器達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1717模擬信號調(diào)理板

16、特性：1、420mA 電流或 010V 輸入信號；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）小于 5ms，是普通型繼電器動作時間的 1/10，最大驅動電流 2.6A。2、 由于采用光電式繼電器，大功率驅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。4.14.1 伺服控制軟件控制系統(tǒng)軟件

17、由系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件和伺服控制應用軟件兩部分組成。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）用戶權限管理建立和刪除用戶，用戶管理權限的修改，用戶密碼設置與修改。2）運動控制器參數(shù)配置傳感器標定，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波。用戶可設置正弦信號的幅值、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。1818選擇內(nèi)部模式時，運動控制系統(tǒng)的驅動

18、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)的驅動信號由外部設備通過網(wǎng)絡接口提供；歷史數(shù)據(jù)模式下，運動控制系統(tǒng)的驅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)文件。用戶可以用 Matlab

19、軟件進行分析與處理。9）數(shù)據(jù)服務把系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時發(fā)布到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，便于用戶查詢，分析，處理。10）網(wǎng)絡通訊圖 4-5 搖擺臺控制軟件界面1919伺服控制應用軟件伺服控制應用軟件伺服控制應用軟件功能如 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，工作，切換，應急。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) 運動平臺安全保護運動平臺的故障診斷，確認系統(tǒng)是否出現(xiàn)如下故障，傳感器斷路，信號超限，通訊

20、故障等等，并做出應急處理。4) 運動平臺自由度控制由系統(tǒng)給定的姿態(tài)指令經(jīng)運動學分析計算出電機的期望值，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正解對運動平臺的姿態(tài)角、角速度、角加速度進行計算，并反饋給任務管理計算機。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)絡通訊2020圖 4-6 伺服控制軟件4.24.2 電機啟動柜電機啟動柜的配置見表 4-2。表 4-2 電機啟動柜配置表序號名稱型號規(guī)格廠家數(shù)量1啟動機柜2200*800*600滄州金光12電力電工儀表6L2-A 500/5

21、ACHINT33互感器LMZJ1-0.5 400/5 50 0.5CHINT34轉換開關LW5D-16YH3/3CHINT15電壓表6L2-V 450VCHINT16熔芯RT14-20(RT28-32) 10ACHINT37熔斷器底座RT28-32 1P 2-32ACHINT38隔離開關SIWOG1-500/3J斯沃19斷路器OSMC32N1C6施耐德410斷路器NSC400K3320MA施耐德211斷路器IC65H3PD30施耐德112空氣開關C65N C10A/2P施耐德1212113接觸器LC1D15000M7C施耐德414接觸器LC1D95M7C施耐德215熱繼電器LR9D5369施耐德216接觸器LC1D32M7C施耐德117熱繼電器