风电叶片根部切割打孔设备控制设计与实现

摘要：对大型玻璃纤维风电叶片根部切割打孔设备控制系统进行技术方案设计研究，以西门子可编程控制器SIMATIC S7-226CN为核心，采用人机界面、伺服运动控制、变频器调速、MODBUS通信控制技术，实现大型玻璃纤维风电叶片根部切割、打孔。阐述了设备主体结构功能及风电叶片根部加工工艺流程，提出控制系统设计方案，并着重描述控制要求和操作功能，给出了硬件电路和软件程序设计。实际应用表明，该设备性能稳定，切割、打孔精度均满足设计要求，并具有良好的可扩展性。

关键词：风电叶片根部切割打孔设备;PLC;人机界面;伺服运动控制;MODBUS通信

0    引言

大型玻璃纤维风电叶片是风力发电机组的重要组成部分，风电叶片在组装时，其与转子通过螺栓连接固定，因此需要在叶片的根部进行切割、打孔。传统的方式是采用人工对风电叶片根部进行切割、画线定位打孔，缺点是操作人员劳动强度大，且孔与孔之间的间距无法准确保证，需要在组装时重新进行修正、填补，大大降低了生产效率，也影响了产品质量。

本设计对风电叶片根部切割打孔设备综合采用伺服运动控制、变频调速控制和PLC控制系统，实现设备高精度自动切割、打孔。

1    设备主体结构功能

风电叶片根部切割打孔设备（图1）包括基座、旋转横梁、旋转机构、轴向驱动机构、轴向打孔机构、径向驱动机构、径向打孔机构和控制系统。

（1）基座固定于地面基础上，基座上方安装有水平方向运动的活动柱，活动柱通过直线导轨组件与基座连接，旋转横梁安装在活动柱的前端，旋转横梁与活动柱垂直设置，旋转机构通过伺服电机和伺服减速机驱动旋转横梁进行转动，旋转机构安装有大齿轮、小齿轮、角度检测齿轮和增量式旋转编码器。

（2）轴向驱动机构用于驱动活动柱在基座上沿风电叶片轴向前后移动，通过变频电机和减速机进行驱动，轴向打孔机构包括轴向打孔变频电机以及用于驱动轴向打孔机沿旋转横梁长轴方向移动的变频驱动装置。

（3）径向驱动机构用于驱动径向打孔机构在旋转横梁上沿旋转横梁长轴方向移动，通过变频电机和减速机进行驱动，径向打孔机构包括径向打孔变频电机与根部圆锯切割装置以及用于驱动径向打孔机与圆锯沿旋转横梁长轴方向移动的变频驱动装置。

2    风电叶片根部连接结构及加工工艺流程

2.1    风电叶片根部连接结构

叶片根部连接端面圆周均匀间隔分布54个轴向安装孔，沿叶片根部筒壁周向分布54个径向安装孔，在轴向安装孔中安装双头螺杆，在径向安装孔中安装交叉螺母，轴向安装孔与径向安装孔相对应且与径向安装孔连通形成T型安装孔，双头螺杆的一端伸入到径向安装孔中与交叉螺母紧固，双头螺杆的另一端伸出叶片根部端面与风力发电主机连接。

2.2    风电叶片制造工艺

主要是真空灌注成型，成型后进行根部加工：根部齐边切割→根部轴向打孔（图2）→根部径向打孔（图3）→涂装。

2.2.1    风电叶片根部齐边切割

将风电叶片通过工装水平置于旋转横梁前端，沿旋转横梁长轴方向手动驱动切割圆锯处于叶片切割初始位置，启动圆锯变频电机和径向驱动变频电机使圆锯切入叶片根部，切入深度由位置开关控制，同时伺服电机和伺服减速机驱动旋转横梁按设定速度旋转360°，从而完成对叶片根部齐边切割。

2.2.2    风电叶片根部轴向打孔

根据叶片设计要求，在叶片根部端面圆周钻54个均匀间隔轴向安装孔，手动驱动轴向打孔机沿旋转横梁长轴方向移动到叶片端面打孔初始位置，启动轴向打孔机变频电机，轴向驱动机构驱动活动柱从后限位沿风电叶片轴向前进到前限位，钻入深度由位置开关控制，每打完一个孔，轴向驱动机构驱动活动柱退回后限位，旋转机构驱动旋转横梁旋转（360°/54），角度检测编码器反馈旋转角度到控制系统，系统判断角度偏差是否在允许范围内，在允许范围内则进行下一个打孔动作，否则系统对旋转分度机构驱动旋转横梁进行角度纠正，完成54个轴向打孔后，控制系统控制旋转横梁回到初始位置。

2.2.3    风电叶片根部径向打孔

手动驱动径向打孔机沿旋转横梁长轴方向移动到叶片筒壁周向打孔初始位置，启动径向打孔机变频电机，控制动作与轴向打孔类似。

3    硬件系统设计

硬件系统设计中采用了西门子S7-226CN PLC作为该系统的控制核心，一个16DI/DO EM223模块和一个EM253位控模块通过扩展接口与PLC连接，PLC通过RS485接口PORT0与HITECH触摸屏实现通信，PLC通信接口PORT1通过主/从结构串行通信协议MODBUS与6台森兰变频器进行通信，站地址设置为1～6。通过MODBUS通信设置变频器运行命令、运行频率以及功能参数的读取和修改、变频器工作状态和故障信息的监视。系统中各设备状态、参数设置与显示均由HITECH触摸屏完成。系统硬件结构如图4所示。

EM253位控模块通过高速脉冲实现安川伺服电机速度与位置控制，控制系统测量单位采用脉冲数，P0口输出脉冲控制电机的运动，P1口输出控制电机运转方向。

4    系統主要功能及控制方式

4.1    系统功能

（1）控制系统根据控制程序对叶片根部切割打孔的工艺过程、电气设备进行控制，同时采集工艺参数及设备运行状态。

（2）通过人机界面HMI设置工艺参数、操作方式、操作权限，显示操作流程、工艺参数、报警信息等。

（3）采集主要工艺参数：横梁旋转角度、实时打孔数、电机转速、电机转矩等。

4.2    控制方式

风电叶片根部切割打孔设备控制系统控制方式分为现场手动控制与自动控制两种模式。现场手动模式和自动模式下，安全联锁保护均有效，在自动模式下，限制相关工艺参数的修改，防止设备在非正常状态下运转。

（1）现场手动控制模式：现场电气控制箱或人机界面上的“手动/自动”开关选择“手动”方式时，通过现场控制箱或人机界面上的按钮实现设备的启/停、开/关操作。

（2）自动控制模式：现场电气控制箱或人机界面上的“手动/自动”开关选择“自动”方式时，设备的运行完全由PLC根据选择的切割方式或打孔方式自动完成。

5    软件系统设计

控制系统软件设计包括触摸屏应用程序和S7-226CN PLC应用程序。

5.1    触摸屏画面组态

触摸屏程序由HITECH组态软件完成，HITECH人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，根据需求系统共配置12幅画面，主要画面功能描述如下：

5.1.1    主画面

显示横梁实时旋转角度、当前运行模式、实时打孔数、径向轴向预角度设置、工艺参数设置、“手动/自动”控制模式选择、报警查询等功能，如图5所示。

5.1.2    工艺参数设置画面

包括切割圆锯切割速度设置、横梁旋转速度设置、轴向打孔数设置、打孔速度设置等，如图6所示。

5.2    S7-226 CN应用程序设计

S7-226 CN应用程序采用模块化结构设计方式，便于维护、扩展，运用顺序指令编程。将各主要功能编制为用户子程序功能块，在主程序中调用这些编制好的子程序块。其中，主要的用户子程序块有以下几个：

5.2.1    初始化子程序

设定高速计数器寄存器、顺控位置步S、标志位M、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。

5.2.2    高速计数子程序

在程序向导中配置高速计数器HC4，高速计数器操作模式选用模式9，A/B相正交计数器，无启动输入，无复位输入，计数频率设为4倍速，角度检测选择NEMICON增量编码器NOC-S5000-2MHCP-300，编码器A相和B相脉冲分别接入PLC高速输入通道I0.3和I0.4进行计数，实时反馈横梁实际旋转角度用于程序控制。

5.2.3    手动控制模式子程序

当现场控制箱或触摸屏“手动/自动”开关选择为“手动”模式时，通过现场控制箱或触摸屏对应按钮对横梁旋转伺服电机、切割变频电机、打孔变频电机、进给变频电机等进行手动控制操作调整。

5.2.4    自动控制模式子程序

当现场控制箱或触摸屏“手动/自动”开关选择为“自动”模式时，通过触摸屏选择径向打孔或轴向打孔方式对叶片进行自动打孔，轴向自动打孔程序流程图如图7所示。

5.2.5    S7-226CN PLC与森兰SB70变频器通信子程序

森兰SB70变频器内置国际标准的MODBUS通信协议，作为MODBUS协议从站;S7-226CN PLC作为MODBUS协议主站，与6台森兰SB70变频器进行通信，PLC通过轮询读写控制变频器的启停、频率给定、监控等功能，与通过外部端口控制变频器的运行相比，具有较高的可靠性，节约了可贵的PLC I/O口，并能获得大量变频器信息。

以1#站切割圆锯变频器为例，设置变频器通信参数，如表1所示。

控制变频器正转及设置变频器的给定频率，如图8所示。變频器控制地址3200H，转换为十进制为12800，MODBUS地址400001开头，控制地址为412801。VW102为通信给定频率。

6    结语

本系统在公司风电产品部已稳定运行多年，实际运行结果表明，该控制系统有效提高了风电叶片根部切割打孔自动化程度及生产效率，具有重大的工程使用价值。

[参考文献]

[1] 王海云，王维庆，朱新湘，等.风力发电基础[M].重庆：重庆大学出版社，2010.

[2] 成都希望变频器制造有限公司.SB70高性能矢量控制变频器用户手册[Z].

[3] 廖常初.S7-200 SMART PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2007.

收稿日期：2019-12-03

作者简介：章志勇（1975—），男，江苏南通人，工程师，从事玻纤行业电气自动化设计、开发及自动化系统集成工作。