劉丹寧，王城麟，喻國(guó)洋

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合研究的重要設(shè)施。為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展，完備的試驗(yàn)設(shè)施尤其是先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)是必要條件。電氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)控制核心，可對(duì)試車(chē)臺(tái)各系統(tǒng)如測(cè)功系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行供配電、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制等。

PLC具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單、組態(tài)靈活等特點(diǎn)，在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用廣泛。以PLC為核心建立電氣系統(tǒng)控制平臺(tái)，可便捷地實(shí)現(xiàn)各類(lèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，打通各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互通道，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)聯(lián)鎖、保護(hù)、報(bào)警等功能[1]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)組成

某發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)主要由配電柜、起動(dòng)電源柜、電氣成套設(shè)備（車(chē)臺(tái)設(shè)備控制柜、發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜、UPS柜、電源分配機(jī)柜、遠(yuǎn)程I/O柜）、燃油加溫控制柜、滑油加溫控制柜、進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)控制柜、發(fā)電加載柜、操控系統(tǒng)等組成。

系統(tǒng)以PLC為控制核心，工控機(jī)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，采用子系統(tǒng)獨(dú)立控制和PLC集中控制相結(jié)合的控制方式，通過(guò)Profinet、TCP/IP、RS422等通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)功系統(tǒng)、進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃油供油及加溫系統(tǒng)、滑油加溫系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、發(fā)電加載系統(tǒng)、起動(dòng)控制系統(tǒng)等的監(jiān)控功能，并通過(guò)PLC與發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器（EECU）的信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。同時(shí)，通過(guò)由油門(mén)桿、上位機(jī)及人機(jī)界面、按鈕及組合指示燈等設(shè)備組成的操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)人員與試驗(yàn)設(shè)備的人機(jī)交互。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

SIMATIC S7-1500自動(dòng)化系統(tǒng)性能卓越、應(yīng)用靈活、組態(tài)可擴(kuò)展，可以很好地應(yīng)用于設(shè)備與工廠(chǎng)工程組態(tài)中的各類(lèi)控制。試車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)PLC控制單元以SIMATIC S7-1500為主站，通過(guò)數(shù)字量輸入（DI）模塊、數(shù)字量輸出模塊（DO）及通信模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器建立連接，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)作控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，主站通過(guò)交換機(jī)與各設(shè)備子站及上位機(jī)形成PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)設(shè)備、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，以便進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)

SIMATIC S7-1200基本型控制器適用于小型自動(dòng)化解決方案，適合作為各類(lèi)輔助設(shè)備（如滑油加溫設(shè)備、燃油加溫設(shè)備、進(jìn)氣加溫設(shè)備等）控制系統(tǒng)的CPU，既可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立控制，又可與電氣系統(tǒng)PLC主站建立通信連接。

SIMATIC ET 200MP是一種模塊化、可擴(kuò)展和通用的分布式I/O系統(tǒng)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將過(guò)程信號(hào)連接到CPU。將分布式I/O系統(tǒng)靈活布置于試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)間、操縱間等位置，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)、油泵及開(kāi)關(guān)按鈕等器件輸入、輸出信號(hào)就近接入PLC控制系統(tǒng)，減少各設(shè)備、各空間的硬線(xiàn)連接。

3 基于PLC的設(shè)備控制

3.1 電源控制

為試車(chē)臺(tái)設(shè)備提供電源是電氣系統(tǒng)的重要功能。試車(chē)臺(tái)用電設(shè)備主要包括泵、風(fēng)機(jī)、加溫設(shè)施等交流用電設(shè)備，及PLC、電磁閥、組合開(kāi)關(guān)、EECU等直流用電設(shè)備。

交流用電設(shè)備電源控制框圖如圖2所示，其電源由不間斷電源（UPS）或配電柜引出，通過(guò)斷路器實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)載、短路等保護(hù)功能，通過(guò)交流接觸器實(shí)現(xiàn)供電回路的通斷控制。斷路器配置輔助觸點(diǎn)，通過(guò)中間繼電器接入PLC控制系統(tǒng)DI通道，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。接觸器線(xiàn)圈通過(guò)中間繼電器接入PLC控制系統(tǒng)DO通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)其通斷的遠(yuǎn)程控制。

圖2 交流用電設(shè)備電源控制框圖

直流用電設(shè)備電源控制框圖如圖3所示。為保障PLC、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、緊停電磁閥等關(guān)鍵設(shè)備的供電可靠性，其電源由UPS引入，通過(guò)斷路器、接觸器進(jìn)入直流控制電源。該電源由兩塊直流穩(wěn)壓電源模塊和一個(gè)冗余模塊，并聯(lián)組成直流控制電源，以提升可靠性。對(duì)直流控制電源輸出的電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)傳輸至PLC控制系統(tǒng)的模擬量輸入（AI）通道，實(shí)現(xiàn)直流電源的遠(yuǎn)程起停和狀態(tài)檢測(cè)。

圖3 直流用電設(shè)備點(diǎn)煙控制框圖

3.2 設(shè)備控制

試車(chē)臺(tái)由電氣系統(tǒng)控制的設(shè)備包括泵、風(fēng)機(jī)、閥門(mén)等無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)備，以及燃滑油加溫系統(tǒng)、進(jìn)氣加溫系統(tǒng)等自成獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)備。

無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)備以引氣閥為例。引氣閥可調(diào)節(jié)引氣流量，其控制依賴(lài)車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制原理框圖如圖4所示。其操控部分主要由PLC和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有手動(dòng)/自動(dòng)操作模式以及開(kāi)度/流量控制功能。在上位機(jī)上選擇自動(dòng)/手動(dòng)操控模式，手動(dòng)操控時(shí)，操作開(kāi)大/關(guān)小按鈕即可調(diào)節(jié)引氣閥的開(kāi)度；自動(dòng)模式時(shí)，PLC按照設(shè)定的開(kāi)度或流量值由模擬量輸出（AO）通道輸出4～20mA信號(hào)至引氣閥，自動(dòng)調(diào)節(jié)引氣閥的開(kāi)度或流量大小。其中，引氣閥的開(kāi)度信號(hào)取自引氣閥4～20mA模擬量反饋，實(shí)際流量由電氣系統(tǒng)與數(shù)采系統(tǒng)通信取得。

圖4 引氣閥控制框圖

具備獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)通信與車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)建立連接，通過(guò)協(xié)商好的通信協(xié)議，獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)功能控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制主要是EECU與車(chē)臺(tái)間的指令接收和發(fā)送，包括控制邏輯設(shè)計(jì)、故障條件判斷等。EECU信號(hào)控制原理框圖如圖5所示，PLC是車(chē)臺(tái)與EECU的關(guān)系處理器，EECU的邏輯功能在PLC中編程實(shí)現(xiàn)。

圖5 EECU信號(hào)控制框圖

車(chē)臺(tái)輸入至EECU的信號(hào)通過(guò)硬開(kāi)關(guān)或上位機(jī)軟開(kāi)關(guān)進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)，在控制程序中進(jìn)行聯(lián)鎖、保護(hù)等控制后，通過(guò)PLC DO通道輸出至EECU，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)、假開(kāi)車(chē)、起動(dòng)、停車(chē)等功能。

EECU輸出到車(chē)臺(tái)的信號(hào)一部分通過(guò)數(shù)控電纜信號(hào)線(xiàn)傳輸，由中間繼電器中轉(zhuǎn)隔離，進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)；一部分由EECU與車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)PLC或者上位機(jī)通信獲得，各信號(hào)在上位機(jī)以虛擬指示燈形式或在操縱臺(tái)以物理指示燈形式顯示。

4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

S7-1500系列PLC配套編程軟件采用TIA portal博途，可對(duì)西門(mén)子集成自動(dòng)化中所涉及的所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試[2]。編程語(yǔ)言采用梯形圖語(yǔ)言（LAD），LAD是PLC程序設(shè)計(jì)中最常用的編程語(yǔ)言，它可與電氣原理圖相對(duì)應(yīng)，直觀(guān)易懂，便于掌握[3]。

控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)理念，OB1作為主程序循環(huán)執(zhí)行，編輯用于控制不同過(guò)程任務(wù)的FC子程序，每個(gè)FC配備一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在OB1中根據(jù)需求調(diào)用FC即可。程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 PLC控制程序結(jié)構(gòu)

上位機(jī)的人機(jī)操作界面采用SIMATIC WinCC進(jìn)行編輯設(shè)計(jì)。WinCC與電氣系統(tǒng)PLC及各輔助設(shè)備的控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)建立通信連接，將各系統(tǒng)需要監(jiān)控的設(shè)備及數(shù)據(jù)可視化，使操作數(shù)字化、智能化[4-5]。

5 安全保護(hù)措施

發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)電氣系統(tǒng)是一個(gè)控制多設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，其可靠性關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的安全。為保障電氣系統(tǒng)可長(zhǎng)期正常工作，其PLC、上位機(jī)及直流控制電源等重要設(shè)備供電均由UPS提供，即使市電中斷，也可控制發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)步停車(chē)。控制程序中還設(shè)計(jì)了報(bào)警、慢車(chē)停車(chē)、緊急停車(chē)等多級(jí)試驗(yàn)保護(hù)機(jī)制。上位機(jī)的人機(jī)操作界面中對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的操作按鈕設(shè)置二次彈窗確認(rèn)功能，防止誤操作。

6 結(jié)論

本文采用基于PLC的電氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)進(jìn)行控制，利用分布式、模塊化設(shè)計(jì)理念，建立子系統(tǒng)獨(dú)立控制與PLC集中控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)。通過(guò)以太網(wǎng)等通信方式與各設(shè)備、系統(tǒng)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、可靠地交互，進(jìn)而可在上位機(jī)人機(jī)界面中對(duì)試車(chē)臺(tái)的水、電、油、氣等各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)操作、聯(lián)鎖保護(hù)等，有效降低了試驗(yàn)操作人員的工作強(qiáng)度，為設(shè)備及發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行提供了有力的保障。