某型航空發(fā)動機臺架控制系統(tǒng)設(shè)計研究

許偉鴿，孫朝輝

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

傳統(tǒng)的臺架控制在形式上主要采用按鈕、旋鈕等發(fā)布命令實現(xiàn)對發(fā)動機狀態(tài)的控制，同時通過模擬儀表對發(fā)動機狀態(tài)進(jìn)行顯示。雖然具有可靠性高、成本低、操作簡便等特點，但隨著自動控制技術(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]。基于PLC的可編程控制系統(tǒng)省去了很多硬接線的步驟、易擴展和改造，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；各種工藝參數(shù)的設(shè)定、實時數(shù)據(jù)顯示、故障報警等都可在屏幕上直接操作，人機交互功能強大；可靠性高、抗干擾能力強；編程方便、現(xiàn)場更改程序簡單易行，實現(xiàn)了1套控制程序應(yīng)用于多型號試車，使發(fā)動機整機試車在自動控制方面又向前邁進(jìn)了一大步[2]。

本文從發(fā)動機電氣系統(tǒng)和試車監(jiān)控系統(tǒng)2個方面對臺架控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。臺架電氣系統(tǒng)在硬件方面充分考慮了多機種試車的需求；試車監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC進(jìn)行程序的編制和人機交互界面的制作。考慮到與硬件的兼容，操縱系統(tǒng)界面可根據(jù)發(fā)動機型號進(jìn)行一鍵切換，來實時滿足試車需求。

1 發(fā)動機臺架控制系統(tǒng)

針對某型航空發(fā)動機地面試車臺，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)建了地面臺架控制系統(tǒng)。以發(fā)動機控制系統(tǒng)作為全臺控制系統(tǒng)的主站，通過Profibus-DP總線與其他型號發(fā)動機進(jìn)行通信，主站采用西門子300系列CPU，可以外帶32個子站。臺架電氣系統(tǒng)如需做機種擴展，可以根據(jù)改造要求，直接在主站的基礎(chǔ)上擴展子站。上位機監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能實現(xiàn)PLC與上位機之間的信息交換，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)場執(zhí)行機構(gòu)動作。各種型號發(fā)動機的監(jiān)控界面可以實時切換，為多機種試車做好準(zhǔn)備。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3-4]。

圖1 臺架控制系統(tǒng)構(gòu)成

2 發(fā)動機臺架電氣系統(tǒng)

2.1 設(shè)計原則和依據(jù)

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

2.2 設(shè)計方案

（1）采用上位機集中控制及監(jiān)視發(fā)動機狀態(tài)。起動箱和控制器的外部輸入信號由PLC控制，指示信號進(jìn)入PLC采集，上位機讀取PLC內(nèi)部地址即可完成對控制器報警信號的監(jiān)視，并在上位機監(jiān)控軟件上顯示。

（2）利用PLC地址可以靈活配置的特性，方便臺架改造與在研型號發(fā)動機試車臺電氣系統(tǒng)的更改。

（3）上位機軟件通過組態(tài)軟件WinCC制作完成，除在主操縱臺面上保留必要的按鈕（如起動、停車）外，發(fā)動機電氣功能性檢查開關(guān)由上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)[5]。

2.3 臺架發(fā)動機電纜及控制柜

由于該系列發(fā)動機目前處于研制設(shè)計階段，發(fā)動機電氣系統(tǒng)隨著研制需要做相應(yīng)改動在所難免，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更改及功能性檢查奠定了基礎(chǔ)。

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

3 發(fā)動機試車監(jiān)控系統(tǒng)

試車臺上位機監(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，并且利用計算機、控制、通信和自動化等技術(shù)實現(xiàn)對發(fā)動機試車的全程監(jiān)控。該系統(tǒng)組態(tài)靈活，通用性強，穩(wěn)定性好，并適用于各領(lǐng)域。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

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

3.2 設(shè)計思路

發(fā)動機試車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路采用分布式控制的方式，如圖1所示。發(fā)動機控制系統(tǒng)作為全臺控制系統(tǒng)的主站，與上位機通過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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸與交互。

3.3 PLC工作原理

當(dāng)PLC正常運行，即PLC的CPU運行指示燈處于綠燈無閃爍狀態(tài)時，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)及編程中的語法錯誤。

（2）用掃描方式采集由現(xiàn)場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）運行時，按用戶程序存儲器中存放的先后順序讀取指令，經(jīng)編譯解釋后根據(jù)指令完成各種運算和操作，根據(jù)運算結(jié)果存儲相應(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)動機試車監(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。按照控制柜中實際所用模塊的型號、訂貨號等在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)動機電氣系統(tǒng)原理要求對相關(guān)的控制信號進(jìn)行編程。梯形圖語言的圖形符號與表達(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 人機交互界面

基于組態(tài)軟件的測控系統(tǒng)提供了1套極為豐富的畫面顯示功能和強有力的控制方式，使操作人員在進(jìn)行控制的同時能及時、全面地了解試驗工況。通過對系統(tǒng)報警信號、虛擬儀表、控制滑塊、漢字顯示等畫面的簡單操作，可實時觀察系統(tǒng)運行的各種參數(shù)狀態(tài)。

采用Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)人機界面。Wincc在用于操作和監(jiān)視的SIMATIC HMI產(chǎn)品范圍內(nèi)，是1種按照價格和性能分級、能高效控制自動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，建立人機界面，精確地滿足實際需要。發(fā)動機系統(tǒng)控制界面如圖2、3所示。

圖2 發(fā)動機電氣操縱界面

圖3 發(fā)動機狀態(tài)指示信號

3.6 通訊過程

為了將上位機采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸給服務(wù)器并進(jìn)行存儲與分析，采用Visual Basic語言編寫了上位機與服務(wù)器的通訊程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交互。該程序通過Winsock的方式傳輸數(shù)據(jù)，并由OPC實時傳遞給WinCC監(jiān)控畫面，且能自動監(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，具備了保證試驗數(shù)據(jù)不丟失、不出錯的特點[12]。

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)采用PLC技術(shù)進(jìn)行試驗過程中相關(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)換機種試車時，有效地減少了發(fā)動機試驗前的準(zhǔn)備時間，滿足多機種試車的需求。

（2）采用上位機監(jiān)控軟件對發(fā)動機信號進(jìn)行顯示和控制，取代了原有操縱臺面板上大量開關(guān)、按鈕及指示燈的狀況，節(jié)省了臺架資源，簡化了控制方式。

（3）該系統(tǒng)在某型號航空發(fā)動機地面臺架試驗中得到實際應(yīng)用，臺架發(fā)動機電纜傳輸信號穩(wěn)定可靠，上位機監(jiān)控系統(tǒng)可操控性靈活實用，實時地監(jiān)視了發(fā)動機試車過程中各信號的變化狀態(tài)。在工程上完全滿足實際需求，具有廣泛地應(yīng)用價值。

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