CN208621176U - 一种基于opc技术的复合材料叶片固有频率测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其结构包括叶片装夹机构、压电式传感器和信号适调仪，所述叶片装夹机构的侧面设有复合材料叶片，所述复合材料叶片的表面设有压电式传感器，所述压电式传感器通过复合材料叶片与叶片装夹机构固定连接，该一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，有益效果是，精度高，可处理一般控制器硬件所无法处理的大幅度高频率信号，可以实现不同铺层角下复合材料风力机叶片的固有频率的精确测试；适合用于科研和教学。同时利用PLC和触摸屏开发了一套自动化控制流程，使频率测试及频谱分析过程更为具体、形象，有利于风力机叶片设计和测试技术的研发及推广，结构简单，易于实现。

Description

一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台

技术领域

本实用新型涉及风力发电机的复合材料叶片的设计和测试技术领域，具体为一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台。

背景技术

风力发电机复合材料叶片的颤振不稳定所带来的断裂失效，是风力机叶片在工作过程中面临的重要问题。由于复合材料叶片可以有不同的铺层角度和铺层层数及铺层厚度，制作过程很复杂且成本极高，对于很多科研单位而言，进行实际尺寸的不同铺层配置下的叶片制作成本太高，固有频率测试过程太复杂，对于不同铺层配置下的精确测试困难重重。这是叶片设计和测试技术领域面对的难点之一。

鉴于传统方法的局限性，本设计采用了不同铺层配置下缩微叶片作为测试对象，大大降低了制作成本和测试过程的复杂性，并提出了一整套精确的固有频率测试方法，同时根据获得的固有频率数值，能为大型叶片设计提供最优化的铺层配置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，解决了背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其结构包括叶片装夹机构、复合材料叶片、压电式传感器和信号适调仪，所述叶片装夹机构的侧面设有复合材料叶片，所述复合材料叶片的表面设有压电式传感器，所述压电式传感器通过复合材料叶片与叶片装夹机构固定连接，所述压电式传感器的输出端设有信号适调仪，所述信号适调仪通过导线与压电式传感器后方的复合材料叶片电性连接。

作为本实用新型的一种优选实施方式，所述信号适调仪的输出端设有数模转换模块，所述数模转换模块通过信号适调仪与压电式传感器固定串联。

作为本实用新型的一种优选实施方式，所述数模转换模块的输出端设有PLC-CPU，所述PLC-CPU通过数模转换模块与信号适调仪固定串联。

作为本实用新型的一种优选实施方式，所述PLC-CPU的输出端设有触摸屏，所述PLC-CPU的输出端设有PC机，所述触摸屏、PC机皆通过导线与PLC-CPU电性连接。

作为本实用新型的一种优选实施方式，所述PC机的软件系统包括：Step-Micro/Win软件、PC-Access软件、MATLAB/SIMULINK软件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1.该一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，可以实现不同铺层配置(包括铺层角度、层数、厚度)下的复合材料叶片的固有频率的高精度、低成本的测试过程，针对现有大型复合材料叶片最优化铺层配置确定的技术缺陷，提出了一种缩微叶片的固有频率测试方法，已备实施后续的颤振抑制方案。

2.该一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，本实用新型结构简单，成本低廉，可以极大降低所需要的控制器硬件的成本，因MATLAB仿真环境功能强大，可以同时替代多个PLC硬件的组合。

3.本实验平台控制精度较高，因MATLAB仿真环境可以实现一般的控制器CPU硬件所无法直接实现的智能处理算法；同时专用的2225M5A和6634C信号适调仪不仅能进行阻抗变换，还能滤去零漂和低频晃动，同时进行信号的变送传输使其转换为标准工业信号。

4.本实验平台可以实现不同配置下的缩微叶片的频率测试，非常适合用于科研和教学，通过双向OPC通讯技术实现PLC和MATLAB之间的通讯，进行半实物平台的仿真，使得信号分析和处理过程更为具体、形象，有利于叶片设计和测试技术的研发和推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台结构示意图；

图2为本实用新型一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台信号传输流程示意图；

图3为本实用新型一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台PC机内MATLAB下的信号频谱分析过程示意图。

图中:叶片装夹机构-1、复合材料叶片-2、压电式传感器-3、信号适调仪-4、数模转换模块-5、PLC-CPU-6、触摸屏-7、PC机-8。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其结构包括叶片装夹机构1、复合材料叶片2、压电式传感器3和信号适调仪4，所述叶片装夹机构1的侧面设有复合材料叶片2，所述复合材料叶片2的表面设有压电式传感器3，所述压电式传感器3通过复合材料叶片2与叶片装夹机构1固定连接，所述压电式传感器3的输出端设有信号适调仪4，所述信号适调仪4通过导线与压电式传感器3后方的复合材料叶片2电性连接。

所述信号适调仪4的输出端设有数模转换模块5，所述数模转换模块5通过信号适调仪4与压电式传感器3固定串联，压电式传感器3型号为2225M5A，信号适调仪4的型号是6634C，所述信号的获取和预处理过程由压电式加传感器3、信号适调仪4、数模转换模块5共同完成，压电式传感器3和信号适调仪4可以获取大幅度、高频率的振动加速度信号，并能自动将信号放大和低频滤波，同时将信号转换为-10V～10V的标准电压信号，压电式传感器3具有高幅值高频冲击、无需外部供电、体积小，重量轻。能减少高加速度幅值引起的“零”漂，完全符合高冲击加速度计的工业标准。特殊设计的内部晶体表现出低的基座应变灵敏度，高的共振频率，和出色的长时间输出稳定性。且针对无故障运行需要，提供了独特设计的低噪声同轴电缆，信号适调仪4能自动滤波去掉装夹系统的低频晃动带来的低频波动(相当于附加了一个高通滤波器的功能)，而且能直接匹配高阻抗传感器，相当于放大了加速度传感器出来的微弱信号而进行阻抗变换，最终转换为-10V～10V的标准电压信号，已备传输到后续的专用A/D模块。

所述数模转换模块5的输出端设有PLC-CPU6，所述PLC-CPU6通过数模转换模块5与信号适调仪4固定串联，PC机8通过OPC技术从PLC-CPU6读取预处理后的信号，后写入处理后的频谱信号，信号的显示过程是指触摸屏7从PLC-CPU6读取并显示预处理后的信号，以及PC机8处理后的频谱信号。

所述PLC-CPU6的输出端设有触摸屏7，所述PLC-CPU6的输出端设有PC机8，所述触摸屏7、PC机8皆通过导线与PLC-CPU6电性连接，触摸屏7的型号为DOP-B07s411，PC机8的读写数据过程是通过SIMULINK的OPC读模块和OPC写模块分别向PLC-CPU6模块读写信号，信号分析过程不是在常规的控制器内部进行，而是转移到了PC机8的MATLAB仿真环境中进行，PC机8内MATLAB仿真软件中频谱分析过程包括四部分：加速度信号的二次积分、快速傅里叶变换处理、获得频率响应函数、平滑滤波处理。在常规的专用控制器硬件中，同时处理这四部分复杂的信号分析过程是不可能的，但在PC机8中，基于MATLAB软件的高性能的仿真运算能力，不仅能处理复杂的数字化算法，而且能够获得很高的处理精度，保证了频谱分析的高精度。

所述PC机8的软件系统包括：Step7-Micro/Win软件、PC-Access软件、MATLAB/SIMULINK软件，Step7-Micro/Win软件用于对于PLC-CPU6的编程和写入；PC-Access能够定义PLC-CPU6机交互的变量，并启动OPC-Server服务器；MATLAB/SIMULINK仿真软件除了实现信号处理和频谱分析外，还要同时打开并连接OPC-Server。还有西门子S7-200PLC-CPU6，其内变量定义要与PC机8内PC-Access相匹配，CPU模块的一个485口Port 0连接PC机8，双向实现OPC通讯，即实现从PC机8与PLC-CPU6的数据交换，将信号处理和频谱分析智能算法规划完全在MATLAB/SIMULINK仿真环境中运行。频谱分析的仿真的输出通过PLC-OPC-Server通讯，利用SIMULINK的“OPC-Write”模块输入到PLC-CPU6相应的内存中；而PLC-CPU6内存中的原始待处理信号由“OPCRead”模块输出反馈到PC机8智能算法中；双向OPC控制技术的含义就是信号不止要从上位机通过OPC-Server发送到PLC-CPU6，还要经过OPC-Server从PLC-CPU6反馈到MATLAB/SIMULINK仿真环境，SIMULINK的OPC写模块采用缓冲传输，且采样时间为0.01s，数据类型为单精度；SIMULINK的OPC读模块采用同步传输，且采样时间为0.01s，数据类型为单精度；PC-Access内的数据类型为实数，存储区域为双字；触摸屏内的数据定义为双字节、I/O实数型，采样精度为0.01s。

本实用新型所述的一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，首先装夹好叶片2后，使PC机8处于非待机状态，并将设定好程序的软件处于运行状态，SIMULINK的仿真时间设定为无穷大，并处于运行状态，然后开启下面的自动过程；打开电源使S7-200PLC的CPU上电，则触摸屏7同时处于激活状态。在触摸屏7的界面面板上按下设定按钮，设定重锤激励类型(这将决定叶片的振动时间，也即MATLAB的信号处理时间)；其次按下触摸屏7的界面面板上的启动按钮，启动PLC-CPU6，同时PLC-CPU6发出重锤激励命令，实现选定的重锤激励动作；前述的从传感获取信号到EM231的数字信号，到PC机8数据处理的过程则同步进行，同时MATLAB每隔1秒钟向PLC-CPU6自动传输一次频谱数据；然后此后任何时刻，按下触摸屏7的界面面板上的数据显示按钮，则可以在触摸屏7同步观察原始加速度信号、每隔1秒更新的频谱图、最终的频谱图、以及MATLAB最终确定的固有频率数值。按下停止按钮，可停止PLC-CPU6工作及信号的传输过程。

本实用新型的叶片装夹机构1、复合材料叶片2、压电式传感器3、信号适调仪4、数模转换模块5、PLC-CPU6、触摸屏7、PC机8，上述部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知，本实用新型解决的问题是由于复合材料叶片可以有不同的铺层角度和铺层层数及铺层厚度，制作过程很复杂且成本极高，对于很多科研单位而言，进行实际尺寸的不同铺层配置下的叶片制作成本太高，固有频率测试过程太复杂，对于不同铺层配置下的精确测试困难重重。这是叶片设计和测试技术领域面对的难点之一，本实用新型通过上述部件的互相组合，可以实现不同铺层配置(包括铺层角度、层数、厚度)下的复合材料叶片的固有频率的高精度、低成本的测试过程，针对现有大型复合材料叶片最优化铺层配置确定的技术缺陷，提出了一种缩微叶片的固有频率测试方法，已备实施后续的颤振抑制方案，本实用新型结构简单，成本低廉，可以极大降低所需要的控制器硬件的成本，因MATLAB仿真环境功能强大，可以同时替代多个PLC硬件的组合，因MATLAB仿真环境可以实现一般的控制器CPU硬件所无法直接实现的智能处理算法；同时专用的2225M5A和6634C信号适调仪不仅能进行阻抗变换，还能滤去零漂和低频晃动，同时进行信号的变送传输使其转换为标准工业信号，本实验平台可以实现不同配置下的缩微叶片的频率测试，非常适合用于科研和教学，通过双向OPC通讯技术实现PLC-CPU和MATLAB之间的通讯，进行半实物平台的仿真，使得信号分析和处理过程更为具体、形象，有利于叶片设计和测试技术的研发和推广。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其结构包括叶片装夹机构(1)、复合材料叶片(2)、压电式传感器(3)和信号适调仪(4)，其特征在于：所述叶片装夹机构(1)的侧面设有复合材料叶片(2)，所述复合材料叶片(2)的表面设有压电式传感器(3)，所述压电式传感器(3)通过复合材料叶片(2)与叶片装夹机构(1)固定连接，所述压电式传感器(3)的输出端设有信号适调仪(4)，所述信号适调仪(4)通过导线与压电式传感器(3)后方的复合材料叶片(2)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其特征在于：所述信号适调仪(4)的输出端设有数模转换模块(5)，所述数模转换模块(5)通过信号适调仪(4)与压电式传感器(3)固定串联。

3.根据权利要求2所述的一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其特征在于：所述数模转换模块(5)的输出端设有PLC-CPU(6)，所述PLC-CPU(6)通过数模转换模块(5)与信号适调仪(4)固定串联。

4.根据权利要求3所述的一种基于OPC技术的复合材料叶片固有频率测试平台，其特征在于：所述PLC-CPU(6)的输出端设有触摸屏(7)，所述PLC-CPU(6)的输出端设有PC机(8)，所述触摸屏(7)、PC机(8)皆通过导线与PLC-CPU(6)电性连接。