許偉鴿，孫朝輝

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

傳統(tǒng)的臺(tái)架控制在形式上主要采用按鈕、旋鈕等發(fā)布命令實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的控制，同時(shí)通過模擬儀表對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行顯示。雖然具有可靠性高、成本低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，但隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，其局限性也越來越明顯。儀表的大量增加、模擬儀表屏的不斷增大等使得傳統(tǒng)的控制方式很難集中顯示和操作[1]?；赑LC的可編程控制系統(tǒng)省去了很多硬接線的步驟、易擴(kuò)展和改造，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；各種工藝參數(shù)的設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、故障報(bào)警等都可在屏幕上直接操作，人機(jī)交互功能強(qiáng)大；可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；編程方便、現(xiàn)場(chǎng)更改程序簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)了1套控制程序應(yīng)用于多型號(hào)試車，使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車在自動(dòng)控制方面又向前邁進(jìn)了一大步[2]。

本文從發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)和試車監(jiān)控系統(tǒng)2個(gè)方面對(duì)臺(tái)架控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。臺(tái)架電氣系統(tǒng)在硬件方面充分考慮了多機(jī)種試車的需求；試車監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC進(jìn)行程序的編制和人機(jī)交互界面的制作?？紤]到與硬件的兼容，操縱系統(tǒng)界面可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)進(jìn)行一鍵切換，來實(shí)時(shí)滿足試車需求。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)

針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)，采用可編程邏輯控制器（PLC）為硬件基礎(chǔ)，選用分布式I/O的控制方式，構(gòu)建了地面臺(tái)架控制系統(tǒng)。以發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)作為全臺(tái)控制系統(tǒng)的主站，通過Profibus-DP總線與其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通信，主站采用西門子300系列CPU，可以外帶32個(gè)子站。臺(tái)架電氣系統(tǒng)如需做機(jī)種擴(kuò)展，可以根據(jù)改造要求，直接在主站的基礎(chǔ)上擴(kuò)展子站。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的信息交換，其監(jiān)控界面通過組態(tài)軟件WinCC（Windows Control Center）制作完成，并利用屏幕鼠標(biāo)的方式遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。各種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控界面可以實(shí)時(shí)切換，為多機(jī)種試車做好準(zhǔn)備。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3-4]。

圖1 臺(tái)架控制系統(tǒng)構(gòu)成

2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架電氣系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)原則和依據(jù)

依據(jù)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)原理圖，完成其臺(tái)架電纜及控制柜的配線。其設(shè)計(jì)充分考慮了該型號(hào)各機(jī)種的相似性，在設(shè)計(jì)初期將該系列機(jī)種的全部線路做了歸納整理，根據(jù)各機(jī)種的特性與相似性分別整合，使得該系列全部機(jī)種的線路在1個(gè)控制柜內(nèi)復(fù)用，既節(jié)省控制柜又保證了信號(hào)的兼容性和可靠性。

2.2 設(shè)計(jì)方案

（1）采用上位機(jī)集中控制及監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。起動(dòng)箱和控制器的外部輸入信號(hào)由PLC控制，指示信號(hào)進(jìn)入PLC采集，上位機(jī)讀取PLC內(nèi)部地址即可完成對(duì)控制器報(bào)警信號(hào)的監(jiān)視，并在上位機(jī)監(jiān)控軟件上顯示。

（2）利用PLC地址可以靈活配置的特性，方便臺(tái)架改造與在研型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)電氣系統(tǒng)的更改。

（3）上位機(jī)軟件通過組態(tài)軟件WinCC制作完成，除在主操縱臺(tái)面上保留必要的按鈕（如起動(dòng)、停車）外，發(fā)動(dòng)機(jī)電氣功能性檢查開關(guān)由上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)[5]。

2.3 臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)電纜及控制柜

由于該系列發(fā)動(dòng)機(jī)目前處于研制設(shè)計(jì)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)隨著研制需要做相應(yīng)改動(dòng)在所難免，因此采用控制柜做1次轉(zhuǎn)接，不僅方便線路的檢查，而且為以后線路的臨時(shí)更改及功能性檢查奠定了基礎(chǔ)。

為保證臺(tái)架信號(hào)穩(wěn)定可靠，滿足調(diào)節(jié)器電氣接口特性要求，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架改裝技術(shù)要求，臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)電纜通過控制柜1次轉(zhuǎn)接至起動(dòng)箱、調(diào)節(jié)器、操縱臺(tái)面及數(shù)采系統(tǒng)，盡量減少電纜轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)[6-7]。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)試車監(jiān)控系統(tǒng)

試車臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于組態(tài)軟件主要采用分布式控制方式，將控制部分分散，高度集中于顯示操作部分，并且利用計(jì)算機(jī)、控制、通信和自動(dòng)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車的全程監(jiān)控。該系統(tǒng)組態(tài)靈活，通用性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，并適用于各領(lǐng)域。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

該系統(tǒng)以Wincc組態(tài)軟件為開發(fā)平臺(tái)，在考慮最大限度滿足被控對(duì)象要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和維護(hù)方便；同時(shí)考慮到整套系統(tǒng)后續(xù)的改進(jìn)與擴(kuò)展，在選擇PLC容量時(shí)留有一定余量。

3.2 設(shè)計(jì)思路

發(fā)動(dòng)機(jī)試車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路采用分布式控制的方式，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)作為全臺(tái)控制系統(tǒng)的主站，與上位機(jī)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，主站與相應(yīng)子站之間通過Profibus-DP總線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與交互。

3.3 PLC工作原理

當(dāng)PLC正常運(yùn)行，即PLC的CPU運(yùn)行指示燈處于綠燈無閃爍狀態(tài)時(shí)，PLC投入工作。PLC的工作方式是循環(huán)掃描，工作過程依次為自診斷、通訊處理、掃描輸入、執(zhí)行程序、刷新輸出[8]。

（1）診斷PLC電源內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程中的語法錯(cuò)誤。

（2）用掃描方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將輸入映象存入寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。

（3）運(yùn)行時(shí)，按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序讀取指令，經(jīng)編譯解釋后根據(jù)指令完成各種運(yùn)算和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)并更新輸出映象寄存器的內(nèi)容。

（4）將存于數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和輸出映象寄存器的內(nèi)容送至輸出電路。

（5）按系統(tǒng)程序賦予的功能接受并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求[9-10]。

3.4 STE7程序應(yīng)用

STEP7程序是用于SIMATIC可編程控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，進(jìn)行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序的在線監(jiān)視。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制程序應(yīng)用STEP7編程軟件編制完成，采用順序控制的思想，以梯形圖的形式實(shí)現(xiàn)。

（1）硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是在組態(tài)表中指定控制方案所要使用的模塊，包括CPU、通訊模塊、模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊等。按照控制柜中實(shí)際所用模塊的型號(hào)、訂貨號(hào)等在STEP7中組態(tài)出與硬件一樣的組態(tài)軟件。硬件組態(tài)完成后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與通訊連接，將硬件組態(tài)通過組態(tài)好的網(wǎng)絡(luò)下載到CPU中。

（2）程序的編制

程序的編寫采用了結(jié)構(gòu)化編程的思想，按照發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)原理要求對(duì)相關(guān)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近。在開關(guān)量控制方面，只用少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能，完成邏輯控制與順序控制；在模擬量控制方面，許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量等，均可以通過調(diào)用STEP7中的A/D與D/A轉(zhuǎn)換指令實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC產(chǎn)品配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制[11]。

3.5 人機(jī)交互界面

基于組態(tài)軟件的測(cè)控系統(tǒng)提供了1套極為豐富的畫面顯示功能和強(qiáng)有力的控制方式，使操作人員在進(jìn)行控制的同時(shí)能及時(shí)、全面地了解試驗(yàn)工況。通過對(duì)系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)、虛擬儀表、控制滑塊、漢字顯示等畫面的簡(jiǎn)單操作，可實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)狀態(tài)。

采用Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。Wincc在用于操作和監(jiān)視的SIMATIC HMI產(chǎn)品范圍內(nèi)，是1種按照價(jià)格和性能分級(jí)、能高效控制自動(dòng)化過程的過程可視化系統(tǒng)，可方便地與用戶程序組合在一起使用，建立人機(jī)界面，精確地滿足實(shí)際需要。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制界面如圖2、3所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)電氣操縱界面

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)指示信號(hào)

3.6 通訊過程

為了將上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給服務(wù)器并進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，采用Visual Basic語言編寫了上位機(jī)與服務(wù)器的通訊程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。該程序通過Winsock的方式傳輸數(shù)據(jù)，并由OPC實(shí)時(shí)傳遞給WinCC監(jiān)控畫面，且能自動(dòng)監(jiān)聽Winsock的連接狀態(tài)。如果連接斷開，立刻重新與服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序進(jìn)行連接，具備了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)不丟失、不出錯(cuò)的特點(diǎn)[12]。

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)采用PLC技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)過程中相關(guān)參數(shù)的采集與監(jiān)視。控制柜內(nèi)線路布局清晰，日常使用及維護(hù)方便；轉(zhuǎn)換機(jī)種試車時(shí)，有效地減少了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備時(shí)間，滿足多機(jī)種試車的需求。

（2）采用上位機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)進(jìn)行顯示和控制，取代了原有操縱臺(tái)面板上大量開關(guān)、按鈕及指示燈的狀況，節(jié)省了臺(tái)架資源，簡(jiǎn)化了控制方式。

（3）該系統(tǒng)在某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試驗(yàn)中得到實(shí)際應(yīng)用，臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)電纜傳輸信號(hào)穩(wěn)定可靠，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可操控性靈活實(shí)用，實(shí)時(shí)地監(jiān)視了發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中各信號(hào)的變化狀態(tài)。在工程上完全滿足實(shí)際需求，具有廣泛地應(yīng)用價(jià)值。

[1]盧艷娟，雷勇，王旺元.某型渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008,16（2）：168-170.LU Yanjuan,LEI Yong,WANG Wangyuan.Design of testing and controlling system for some turboshaft engine test-run[J].Computer Measurement&Control,2008,16（2）：168-170.（in Chinese）

[2]柴瑞娟,西門子.PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：90-92.CHAI Ruijuan,Siemens.PLC programming technology and engineering application[M].Beijing：Machinery Industry Press,2007：90-92（in Chinese）

[3]李江全，張麗，岑紅蕾.Visual Basic串口通信與測(cè)控應(yīng)用技術(shù)實(shí)戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007：156-157.LI Jiangquan,ZHANG Li,CEN Honglei.Detailed explanation of Visual Basic serial communication and control technology[M].Beijing:The People Post and Telecommunications Press，2007：156-157.（in Chinese）

[4]何勇，樓佩煌，王東藝.基于VXI總線的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2008（3）：66-67.HE Yong,LOU Peihuang,WANG Dongyi.Designand implementation of an aeroengine testing and controlling system based on VXI bus[J].Industrial Control Computer,2008（3）：66-67.（in Chinese）

[5]廖長初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：289-290.LIAO Changchu.The application of S7-300/400 technology[M].Beijing：Machinery Industry Press,2005：289-290.（in Chinese）

[6]杜建紅，喬黎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2007,33（2）：15-17.DU Jianhong,QIAO Li.Design of instrumentation system of aeroengine test bench[J].Aeroengine,2007,33（2）：15-17.（in Chinese）

[7]李長征，雷勇.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)軟件模塊化開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2006,15（2）：20-22.LI Changzheng,LEI Yong.Module development of computer aided testing software for aircraft engine running[J].Computer Aided Engineering,2006,15（2）：20-22.（in Chinese）

[8]崔堅(jiān)，趙欣，任術(shù)才.西門子S7可編程序控制器-STEP7編程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：48-49.CUI Jian,ZHAO Xin,REN Shucai.Siemens S7 programmable controller-STEP7 programming guide[M].Beijing:Machinery Industry Press,2009：48-49.（in Chinese）

[9]王維山，雷勇，楊訓(xùn).航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用試車軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（9）：90-92.WANGWeishan,LEIYong,YANGXun.Designand implementation of universal test software for aircraft engine[J].Measurement and Control Technology,2011,30（9）：90-92.（in Chinese）

[10]姜曉蓮，呂雪燕，謝斌，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)分析軟件簡(jiǎn)介[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2005，4：46-47.JIANG Xiaolian,LYU Xueyan,XIE Bin,et al.Aeroengine test data analysis software[J].Aeroengine,2005,（4）:46-47.（in Chinese）

[11]張睿，西門子.STEP7編程語言與使用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：58-60.ZHANG Rui.Siemens.STEP7 programming language and the use of skills[M].Beijing:Machinery Industry Press,2009:58-60.（in Chinese）

[12]梁綿鑫，邊春元.WinCC基礎(chǔ)及應(yīng)用開發(fā)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：23-44.LIANG Mianxin,BIAN Chunyuan.WinCC foundation and application development guide[M].Beijing:Machinery Industry Press,2009:23-44.（in Chinese）