船用电梯测试系统方案.docx
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船用电梯测试系统方案
船用电梯实验系统
技术方案
二0一五年七月
1.总体性能指标
1.1.主要功能
1、主要功能：
运动平台实现绕X轴或Y轴运动且满足精度及速度要求。
2、监控功能：
运动平台实时姿态，运动速度实时反馈，并实时绘制对应曲线。
3、安全功能：
非正常断电后，平台停止在当前位置；运行过程中，若有故障，
平台立即停止在当前位置，并返回错误代码。
4附加功能：
可以实时读取压力传感器数据，并实时返回给上位机。
5读取波浪谱：
读取波浪谱姿态文件，并执行相应指令，可模拟各种海况。
1.2.性能指标
1、总体性能指标
（1）外形尺寸（长*宽*高）：
10000mm*7000mm*15000mm
（2）总重量（活动部件）：
约15000kg。
（3）总功率需求：
三相380VAC，波动范围：
-10%～+10%；容量30KVA。
（4）运动范围：
X轴：
-12°～12°；Y轴：
-7.5°～7.5°
（5）额定运行速度：
7.55°/s
2、外框架驱动装置
（1）功率需求：
三相380VAC，波动范围：
-10%～+10%；容量15KVA。
（2）额定输出扭矩：
40KN.M。
（3）额定输出速度：
7.55°/s
（4）扭矩传感器测量精度：
±0.3%。
（5）扭矩传感器量程：
0-50KN.M。
（6）减速机减速比：
1:
710
3、内框架驱动装置
（1）功率需求：
三相380VAC，波动范围：
-10%～+10%；容量15KVA。
（2）额定输出扭矩：
40KN.M。
（3）额定输出速度：
7.55°/s
（4）扭矩传感器测量精度：
±0.3%。
（5）扭矩传感器量程：
0-50KN.M。
（6）减速机减速比：
1:
710
4、电梯参数
（1）电梯轿厢：
长1.4米，宽1.1米， 高15米，重10吨，左右摇摆角度±12度，周期10秒，前后摇摆角度±7.5度，周期7.5秒。
（2）测试时桥箱需要上下移动，重量800kg。
5、组装形式
机械组件需具有开放性，可拆卸组装（需在厂家指导下进行）。
整个设备占地50平米
6、产品寿命
额定载荷下，全行程往复工作寿命不小于1×107次，存储寿命不小于48个月。
7、噪声
平台系统以5°/s速度运动时，距平台系统1m处的噪声强度低于70dB。
8、安全功能
系统设计安全系数：
机械设计安全系数不小于3.0，驱动裕度不小于3.0。
9、电气安全特性：
电源波动±20%或突然断电，系统能不受损坏，恢复供电重新启动后保证可正常工作。
10、环境条件
（1）工作温度：
室内设备-10～50°C，室外设备-20～60°C
（2）储存温度：
-40～65°C
（3）相对湿度：
95%±3%（40°C）
11、可靠性和可维修性
（1）平台系统一次连续工作时间不低于48小时。
（2）使用寿命不小于22000小时。
（3）平均无故障时间MTBF≥2200小时。
（4）平均维修时间MTBF<4小时。
12、供电条件要求
（1）三相380VAC，波动范围：
-10%～+10%；
（2）容量30KVA。
2.系统组成
系统包括机架总成（支撑塔基），外固定框架总成，电梯总成，运动框架总成，伺服电机-减速机总成，驱动器系统，高速微型控制器，综合控制监测系统。
见图2-1。
机架总成：
是有效载荷的安装基面，能够承受足够大的力冲击；
固定框架总成：
由承载机架、活动部件安装基座、电机及减速机安装基座等组成。
其主要功能承载活动部件负载，提供活动部件安装机架，提供减速机及伺服电机安装机架；
电梯总成：
由电梯框架、电梯轿厢、配重系统及电气系统等组成；
运动框架总成：
框架、活动部件安装基座、电机及减速机安装基座等组成。
其主要功能承载活动部件负载，提供活动部件安装机架，提供减速机及伺服电机安装机架；
伺服电机-减速机总成：
由伺服电机、减速机、扭力传感器等组成。
根据指令输出扭矩及转速；
驱动器系统：
接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速，扭矩和转角进行控制，达到精确控制伺服电机的目的；
高速微型控制器：
用于数据计算与数据采集，指令输出等，以实现系统的精确控制；
综合控制监测系统：
硬件为用户计算机，软件为研制方配合开发；同时，它还对测试平台的实验过程进行监测，预防和处理系统的异常情况。
伺服电机-减速机总成
机架总成
电梯总成
运动框架总成成]pingtai
（a）
减速器
框架
力矩传感器
承载机架pingtai
支撑立柱
（b）
图2-1船用电梯测试系统
3.系统工作原理
系统工作原理如图3-1所示。
控制系统为分层控制结构，监控单元负责人机界面交互，接受用户操作指令。
并将控制信号下达给实时控制计算机。
现简述工作过程如下：
该系统采用全数字伺服控制系统，监控计算机通过以太网给微型控制器发送指令信息，微型控制器接收到有关测试平台运动参数（位置，速度以及力矩）的指令后，经过精确运算，数据通过总线传递给驱动器，由驱动器内部PC得到信息并驱动电动机运动，以实现驱动机构按指令运行。
安装在电动机上的编码器实时检测出电动机的运行速度及位置信息，并发送到驱动器，同时安装在电机上的力矩传感器或拉力传感器能实时监测扭矩或者拉力，该信息传输给微型控制器，微型控制器通过计算确保系统各部分协调动作以及控制精度。
现简述其工作原理如下：
驱动装置总成：
监控计算机通过以太网发送指令（角速度，扭矩等）命令给微型控制器，微型控制器根据指令精确计算，将计算数据传给伺服驱动器，驱动器根据指令控制电机运行，同时驱动电机的实时角速度，扭矩反馈给微型控制器，微型控制器通过计算确保驱动电机精度，同时将实时数据反馈给监控计算机。
图3-1系统原理框图
3.1承载机架
承载机架安装在支撑立柱上，支撑立柱和基础为钢筋混凝土结构，伺服电机-减速机总成固定在承载机架上，见图3-2
框架
基础
伺服电机-减速机总成
承载机架pingtai
支撑立柱
（a）
（b）
图3-2承载机架
3.2运动框架
运动框架通过轴承安装在承载机架上，同时也可以通过框架上安装的伺服电机-减速机总成去驱动电梯总成旋转，电梯总成安装板需要根据电梯总成的具体结构再进行详细设计如图3-3。
运动框架
（a）
伺服电机-减速机总成
安装板
电梯总成
安装板
伺服电机-减速机总成
安装板
框架轴
框架轴
电梯总成
安装板
（b）
图3-3运动框架
3.3轴承
电梯总成实现两自由度旋转，旋转结构选用的轴承为双列圆锥滚子轴承GB/T295-1995120型，最大动载荷258KN。
3.4伺服电机
为实现伺服控制，选用电机为PHASE电机，型号：
1007A。
1000R/min时输出力矩为57Nm，额定功率6kW。
外形与性能参数如图3-4。
（a）
（b）
图3-4伺服电机参数
电机驱动器选用KEB驱动器，型号14F5A1G-35MA，400V等级参数见图3-5，额定输出功率11KVA，额定输出电流16.5A。
图3-5驱动器参数
3.5力矩传感器
力矩传感器选用韩国世泰SETech力矩传感器：
型号YDR-8000K，量程78.46KNm。
力矩电机参数见图3-6。
图3-6力矩电机参数
3.6减速器
减速器选用上海迈尔达公司MRD的P系列减速器，型号：
P3KA-9，减速比710，额定输出扭矩22kNm。
减速器参数见图3-7。
图3-7减速器参数
4.伺服控制系统
采用两级控制模式，由任务管理和运动控制两级控制器构成，如图4-1和4-2所示，包括：
任务管理计算机、运动控制单元、液压源控制单元。
图4-1摇摆台控制系统组成图4-2任务管理单元
任务管理单元
任务管理单元由一台最新型号DELL商用计算机组成，主要实现功能：
●上层操作界面的管理，接受操作人员的控制指令，完成试验任务参数设置并通过以太网下载至伺服控制单元；
●通过以太网监控摇摆台的工作状态；
●通过RS-485接口监控液压系统的工作状态。
运动控制柜
运动控制柜中，主要安装有：
●运动控制器；
●信号调理器；
●供电电源。
运动控制器的主要功能是根据任务管理单元的控制指令完成二自由度摇摆台及附属设备之间所有I/O操作的控制和管理，其主要执行的任务包括：
系统启动/停止、运动控制、系统的运动状态监测与故障处理。
运动控制器在正常工作状态下，接受任务管理单元的试验系统控制信号，经高速数字处理系统补偿控制后，由12位D/A转换器产生液压作动器的同步控制信号，伺服放大器驱动电机运动，实现对电机的闭环控制；当运动系统发生故障时，运动控制器根据故障的类别立刻切断伺服系统回路，使伺服激振器锁定于某一位置或回复到系统的零位，从而达到系统保护的目的。
运动控制器如图4-3所示，主要配置如表4-1所示
表4-1伺服控制单元配置
序号
型号
主要性能指标
数量
1
PXI-8176
♦PXI总线PⅢ1.26G控制器；
♦256MSDRAM，20G硬盘；
1
2
PXI-8461/1
♦CAN总线通讯卡
♦最高传输速率1Mb/s
1
3
PXI-6713
PXI总线8路12位模拟量输出D/A
1
4
PXI-6052E
♦PXI总线8路16位差分输入333ks/SA/D，2路3us,16位D/A；
2
5
PXI-6533
♦PXI总线48路数字I/O；
1
6
PXI-1000B
♦8槽PXI总线机箱
1
图4-3运动控制器
信号调理器将二自由度摇摆台上的各种传感器输出电信号进行调理、放大、滤波处理和归一化处理后传递给伺服控制器，用于各种状态参数监测和系统实时控制。
信号调理器由4U电磁屏蔽机箱和相应的信号调理板卡组成，通过合理的布线、有效的屏蔽和滤波措施以及选用优质的元器件，使信号调理器达到比较理想的信号调理效果。
信号调理器如图4-4所示。
图4-4信号调理器
●模拟信号调理板特性：
1、4~20mA电流或0~10V输入信号；
2、300Hz有源滤波器有效抑制差模干扰；
3、2~10V或0~10V差分电压输出信号，可有效抑制共模干扰；
4、运算放大器采用低噪声、高输入阻抗AD497和AD297；
5、信号噪声比65dB。
●数字信号调理板特点
1、数字信号调理板选用日本松下电器生产的PhotoMOS光电继电器其动作时间（响应）小于5ms，是普通型继电器动作时间的1/10，最大驱动电流2.6A。
2、由于采用光电式继电器，大功率驱动回路与小功率控制回路的地线完全隔离，功率级信号对其他信号无影响。
3、集成度高，易于维护。
4.1伺服控制软件
控制系统软件由系统管理与监控软件和伺服控制应用软件两部分组成。
系统管理与监控软件完成系统参数配置、实验方式选择、查看系统的运行状态和浏览各种数据等功能；伺服控制应用软件完成两自由度摇摆台的实时控制、逻辑控制和安全保护功能。
系统管理与监控软件
摇摆台控制软件类似界面如图4-5所示，主要功能如下：
1）用户权限管理
建立和删除用户，用户管理权限的修改，用户密码设置与修改。
2）运动控制器参数配置
传感器标定，控制回路控制参数调整。
3）函数发生器
包括正弦和随机波。
用户可设置正弦信号的幅值、频率、偏移量和相位。
4）信号源的选择
包括内部、外部和历史数据三种方式。
选择内部模式时，运动控制系统的驱动信号由自身的函数发生器产生；选择外部模式时，运动控制系统的驱动信号由外部设备通过网络接口提供；历史数据模式下，运动控制系统的驱动信号是一段历史数据。
5）实时数据与历史曲线
6）系统运行状态监测
可显示如下信息：
液压系统状态，运动控制系统状态，用户操作状态，系统报警和处理。
7）实验报告：
以HTML格式记录用户信息，实验类型，参数配置，运行结果。
8）数据存取
实时录入：
试验中，用户可以在线记录试验数据，可以设置采样间隔。
盘后录入：
试验完成后，用户可以从运动控制计算机上获得大约20分钟的试验数据，数据采样间隔为1ms，并以Matlab的MAT格式存储成数据文件。
用户可以用Matlab软件进行分析与处理。
9）数据服务
把系统的重要数据通过网络实时发布到网络数据库中，便于用户查询，分析，处理。
10）网络通讯
图4-5摇摆台控制软件界面
伺服控制应用软件
伺服控制应用软件功能如4-6所示，主要功能如下：
1）信号发生器（包括正弦、随机波、矩形波和三角波）
2）运动平台的逻辑控制
运动平台在实验过程中要经历如下运动状态：
零位，待机，工作，切换，应急。
必须保证运动平台根据系统的条件处于正确的运动状态中。
3）运动平台安全保护
运动平台的故障诊断，确认系统是否出现如下故障，传感器断路，信号超限，通讯故障等等，并做出应急处理。
4）运动平台自由度控制
由系统给定的姿态指令经运动学分析计算出电机的期望值，并作为伺服控制器的输入指令。
5）运动平台姿态角输出计算
通过运动学正解对运动平台的姿态角、角速度、角加速度进行计算，并反馈给任务管理计算机。
6）作动器的伺服控制
PID控制、动压反馈和超前补偿。
7）数据采集与录入
8）数据时间历程示波器，显示系统给定和系统反馈。
9）网络通讯
图4-6伺服控制软件
4.2电机启动柜
电机启动柜的配置见表4-2。
表4-2电机启动柜配置表
序号
名称
型号规格
厂家
数量
1
启动机柜
2200*800*600
沧州金光
1
2
电力电工仪表
6L2-A500/5A
CHINT
3
3
互感器
LMZJ1-0.5400/5Φ500.5
CHINT
3
4
转换开关
LW5D-16YH3/3
CHINT
1
5
电压表
6L2-V450V
CHINT
1
6
熔芯
RT14-20（RT28-32）10A
CHINT
3
7
熔断器底座
RT28-321P2-32A
CHINT
3
8
隔离开关
SIWOG1-500/3J
斯沃
1
9
断路器
OSMC32N1C6
施耐德
4
10
断路器
NSC400K3320MA
施耐德
2
11
断路器
IC65H3PD30
施耐德
1
12
空气开关
C65NC10A/2P
施耐德
1
13
接触器
LC1D15000M7C
施耐德
4
14
接触器
LC1D95M7C
施耐德
2
15
热继电器
LR9D5369
施耐德
2
16
接触器
LC1D32M7C
施耐德
1
17
热继电器
LRD3353C
施耐德
1
18
停止按钮
XB7EVM4LC
施耐德
3
19
停止按钮
ZB5AZ102C
施耐德
3
20
启动按钮
XB7EVM3LC
施耐德
3
21
启动按钮
ZB5AZ101C
施耐德
3
22
电源指示灯
XB7EVM1LC
施耐德
1
23
运行指示灯
XB7EVM3LC
施耐德
3
24
故障指示灯
XB7EVM4LC
施耐德
3
25
220VAC按钮
DRM270730LT+FS2COECO
魏德米勒
6
26
接触器辅助触点
LAD-N11C
施耐德
6
27
接触器延时触点
LAD-T2
施耐德
2
28
电机接线端子
WDU70/95
魏德米勒
12
29
电机接线端子
SAK10/EN
魏德米勒
3
30
单层端子排
SAK2.5/EN
魏德米勒
20
4.3连接电缆
（1）运动控制柜
传感器连接电缆：
●位移传感器电缆：
4根
●力矩传感器电缆：
4根
电机连接电缆：
4根
4.4系统与外部的接口
机械接口
1运动平台与负载的接口
2…
3与基础的接口
4与基础的接口
电气接口
1电机动柜与用户动力电缆的接口：
⑵运动控制柜的电源接口：
5.配套条件
5.1配电
电机配电要求为：
●配电功率：
〉6kW，三相380VAC（五线制）
●回路数：
4。
运动控制柜的动力配电要求为：
●配电功率：
不小于5kW，单相220VAC（三线制），
●回路数：
1。
5.2地线要求
控制间有单独地线，地线的要求为：
●在伺服控制柜的安放地点1米距离内安装接地铜排，
●接地铜排的接地电阻为1Ω。
6.设备布置
（1）
摇摆台所需空间（经圆整）的大小为10mx7mx16m。
如图6-1所示，摇摆台和负载在此空间中运动。
图6-1设备布置图
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