简述机电一体化技术在工装设备中的应用

摘要：为保证列车在南疆线风区安全运行，集团公司建立风监测系统。按照风监测系统测量要求，需要定期对系统使用的ZZ6-5C型风速风向传感器进行试验检测，目前试验检测在风洞种进行，其过程工作量大，成本高。为解决风监测系统传感器无小型试验检测设备的问题，本文介绍了利用机电一体化技术研制ZZ6-5C型风速风向传感器试验台的过程。

关键词：机电一体化;风速风向传感器;变频调速;实验检测

0 引言

ZZ6-5C型风速风向传感器用于集团公司大风监测系统风速、风向数据的采集。该型传感器全年7×24小时不间断运行，所测量的风速风向数据是列车能否正常运行的重要判断依据。一直以来风速风向传感器的试验检测均必须在专业的风洞实验室进行，工作量大、成本高、校准周期长。集团公司目前没有专用的试验检测设备，现需要一种小型试验设备能对传感器测量精度及可靠性方便进行快捷的试验检测。

1  ZZ6-5C型风速风向传感器介绍

ZZ6-5C型风速风向传感器外形结构像飞机，其中风速传感器四叶片螺旋桨式，风向传感器是尾叶状，

风速传感器的四叶螺旋在风力作用下带动转轴旋转，安装在转轴上的 28 槽码盘随之转动，光电转换电路将机械转动转换成脉冲电信号输出，由于螺旋桨旋转的转速与风速成正比例关系，因此输出的脉冲频率也是同风速成正比例的关系。

风向传感器的风标尾叶在风向变化时发生转动，并改变七位格雷码盘的数值。码盘将在 360°范围分成72个方位，每转动一个方位就出现 5°的变化，每一个方位都设定一组“0”、“1”编码，然后将码盘的二进制数据转换为风向值。

2  需求分析

以往风速风向传感器的试验检测是在外省专业风洞（约64米长，11米宽）中完成的，疆内目前还没有风洞来进行传感器的试验检测。所以需要一种新型，造价低、体积小、准确性高、稳定性强的试验台来完成风速风向传感器的试验检测。

3 试验检测数据真实性分析

ZZ6-5C型风速风向传感器装设在沿线的GSM-R基塔上，空间xzy三个方向无大面积遮挡物。而在试验条件下，轴流风机需要贴近地面放置以减少高速转动产生的振动及噪音;传感器为了减少受湍流的影响，需跟轴流风机同轴，所以也要贴近地面放置（如图3-2）。因此需要知道近地面试验环境下测量的风速风向数据能否反映开阔的真实环境下的情况。为此采用有限元的方法在试验环境下对传感器进行流体动力学分析。

4 研制过程

4.14.1工作原理

由PLC输出4位二进制数控制变频器频率改变，风机受不同频率交流电驱动产生不同转速形成一到十二级风吹向传感器，传感器把测量的风速风向数据传回给PLC。PLC再把计量风速的脉冲信号和计量风向的格雷码信号转换为十进制数字信号，转换完成的信号再传输到HIM进行显示、判断和控制。

4.2 多段风速的实现：

疆内沿线风速变化范围为0-36.9米/秒（一级到十二级），所以需要轴流风机提供12段不同的转速以形成12段风速。常用的电机调速方法有：

①调压调速：改变电动机定子电压来实现调速的方法实现调速，特点是效率高，但电压的改变会引起电机转矩的变化，会影响轴流风机出风的稳定性。

②变极调速：改变电动机定子绕组的接线方式来改变电动机的磁极对数，实现电动机转速有级调速，特点是控制电路简单，但只能实现2～3种极对数的有级调速，不满足12段速度的设计要求。

③电磁调速：通过电磁转差离合器来实现调速，特点是运行可靠，维修容易，但速度损失大，效率低，容易导致电机高转速运行下发热量过大而产生故障。

④变频调速：改变异步电动机定子端输人电源的频率，实现电動机调速，特点是无附加转差损耗，效率高，调速范围宽，缺点是技术复杂。

通过对几种电机的调速方式进行综合比对可以看出，变频调速最适合多段风速的实现。

4.3试验检测的过程控制

试验检测的整个过程由写入HMI中的程序控制。程序设定试验开始后，风速由小到大，每隔18秒增加一级。这期间程序自动记录传感器测量的风速风向等信息并存储到相应的寄存器中，试验结束后，程序根据预设值自动判断试验结果是否合格并以表单的形式打印出试验结果，同时把试验过程中产生的数据存入SD卡中供以后查询。

5 试验台整体制作

用Pro/E软件绘制试验台全貌，检查各部件功能完好，无物理干涉后出图加工制作。

6 总结

总结以上研制过程，变频调速技术用于产生多级风速，数字信号检测技术用于接收和处理风速风向数据，数据传输技术用于PLC和HMI之间的串行全双工数据传输，机械技术用于实体建模及加工制作。ZZ6-5C风速风向试验台研制很好的体现了机电一体化技术在工装设备上的应用。

作者简介：

李奕超（1985-），男，汉族，四川资中，本科，工程师，机电一体化。

（作者单位：中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科学技术研究所）