摘要：根据建筑风洞的设计需求，结合风洞动力系统气动设计与结构设计，使用西门子PLC控制西门子6RA80系列直流调速装置驱动直流电机，进行风洞动力系统的调速控制。详细介绍了控制系统的设计与调试使用方法，PLC与调速器进行USS通讯，控制调速器驱动电机，PLC也可以由远程电脑控制，实现控制系统的远程、本地控制。
关键词：建筑风洞；直流电机；6RA80调速器；PLC
引言
在建筑群中，各建筑物间的空气动力干扰一直是人们十分关注的问题，自20世纪80年代以来，许多学者对此进行了研究。有人试图从理论上提出带有普适性的干扰模式，来确定其干扰系数及影响范围，以便对建筑群中建筑物间的干扰做出规范。但由于在建筑群中建筑物间的空气动力干扰非常复杂，到目前为止还难以用理论解析的方法来解决建筑群中各建筑物间的空气动力干扰问题，主要依靠风洞试验。[1]
基于为环境模拟、环评、大气边界层、建筑小区、桥梁截段等研究，我单位为国内某大学建造了一座回流—直流连续式建筑风洞。以下详细介绍风洞动力系统的设计与应用。
1系统设计要求
风速范围：1.5～35.0m/s，测量精度：＜土0.5%（FS）
流场性能指标：
（1）速度不稳定性 ≤1.0%（v=20m/s）；
（2）方向场不均匀性（点流向）△α ≤1º，△β ≤1º（v=20m/s）；
（3）湍流度 ≤1%（v=20m/s）；
（5）速度场不均匀性 ≤1.0%（v=20m/s）；
（6）轴向静压梯度≤0.01/m（V=20m/s）；
2动力系统气动设计
按空风洞试验段最大风速35m/s进行风洞能量比及功率的估算。取标准大气状态进行计算，温度为15℃，黏性系数
为1.4607×10-5。
考虑到洞体加工粗糙度与计算用表面粗糙度可能会存在差异，以及厂房通风情况影响，对损失系数放大10％，当量损失系数为0.6405，风洞能量比为1.5613。
风扇效率
取85％，按下式进行电机轴头功率计算：
需要的电机轴头功率为427427W。在风扇系统设计中风洞能量比取1.5613，风扇效率为0.85，风速为35m/s。
3动力系统结构设计
动力系统结构方案如图2所示，由于动力系统前整流罩延伸至过渡段内，因此将动力段与过度段固连在一起，并采用独立基础，周边与风洞其余段隔开，以避免动力系统的振动传递到其余部段。动力系统主要由动力段壳体、过渡段壳体、前整流罩、后整流罩、支撑片、止旋片、电机、电机安装维修门、风扇系统组成。
1电机2尾罩内支撑架3 联轴节4 尾罩轴承座5 组合轴承6桨叶7桨毂8 阶梯传动轴9键10调心轴承11头罩轴承座
图1 动力段结构图
动力电机选用上海电机厂型号为Z560-3A的直流电机，该电机的选型参数为：功率500kW，额定电压380V，额定转速410rpm，变频调速，电机轴能够承受轴向向外拉力大于10422N，额定输出扭矩大于12871N•m。
4动力控制系统的设计与应用
风洞选用西门子SINAMICS DC MASTER系列的6RA80直流调速器驱动电机运行。根据电机参数选用的调速器型号为6RA8093-4DS22-0AA0。系统动力回路原理图如图2所示。西门子S7-200系列PLC 作为下位机控制器，通过USS通讯控制直流调速器，通过工业以太网与上位主控计算机通讯。动力系统的控制原理图如图3所示。
SINAMICS DC MASTER 系列整流器是专为直流调速电机的电枢和励磁设计的整流装置。支持多种通讯方式，如：并行通讯，PROFIBUS，PROFINET，USS等通讯方式。
图2 动力系统动力回路原理图
图3 动力系统控制原理图
直流调速器采用USS通讯方式与PLC通讯，实现过程数据，诊断信息，以及参数的传递。USS协议是纯主从协议，直流调速器仅能作为从机，必须接收到主机PLC发来的报文才能将报文返回给主机。
对调速器进行动力连线，并按照6RA80操作手册对调速器进行基本配置后，完成调速器对电机的控制。接着进行调速器与PLC的USS通讯控制。首先，根据要求，连接调速器的X178端子与PLC的port1口，如图4所示。[2]
图4 PLC与调速器的连接
其次配置调速器的参数：在调速器中设置驱动对象1的通讯参数，使用IF1作为通讯接口：
P2030=1；设置场总线接口的通讯记录为USS通讯；
P8839[0]=1；指定通过 PZD 接口 1（IF1）循环通讯的硬件为板载控制单元；
P2020：9600；设置场总线接口 USS 的波特率为9600；
P2021= 3；设置 USS 场总线接口的地址为3；
P2022= 2；在 USS 报文的 PZD 部分设置场总线的 16 位字的数量为2。
P2035= 2；设置用于场总线接口（USS）通讯的驱动对象编号为2.。[3]
以上完成了调速器的配置。调试PLC，安装编程软件 MicroWinv4.0 Sp9，并加载安装库文件Toolbox_V32-STEP7-Micro-WIN32-Instruction-Library。连接PLC并打开编程软件，调用库文件里的程序块并进行与调速器相对应的配置，如图5。
图5 USS协议指令
图5左侧为协议初始化命令，设置port1口味USS协议，波特率为9600，并启用USS协议。
图5右侧为USS驱动控制指令，指令左侧分别可以控制驱动器的接通、断开、旋转方向、旋转速度，指令右侧分别反馈驱动器状态、速度及旋转方向等。编译完成其他功能程序后，完成PLC对调速器的控制。
图6 USS读取参数协议指令
USS控制指令还提供数据读取功能，能够读取控制器内其他设备参数，图6为读取控制器电流参数。
完成调速器与PLC的通讯配置后，对触摸屏进行配置，便可使用触控屏在控制柜上对调速器进行控制。
5结论
直流电机因其具有的良好的启动特性与调速特性，在一些需要低转速低风速的环境建筑类风洞中仍然应用广泛，本系统采用PLC控制西门子6RA80直流调速器驱动直流电机，目前该系统已经正式运行，并取得了良好的实验效果。
参考文献：
[1]任潞.基于LabVIEW的换热器风洞实验平台的研究[D].昆明理工大学，2016.
[2]张圣乐.基于SIEMENS TIA Portal V13的风洞温度监控系统设计与算法研究[D].南京理工大学，2017.
论文作者:王云祥,姚惠元,周文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/23
标签：调速器论文; 风洞论文; 动力论文; 通讯论文; 系统论文; 电机论文; 建筑论文; 《基层建设》2018年第6期论文;