PTO 軸耐久性試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

曹應(yīng)明 黃巧亮 顧菊芬

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院1，江蘇 無錫 214151;江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院2，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院3，江蘇 無錫 214153)

0 引言

隨著航空發(fā)動機(jī)性能要求的提高，其循環(huán)參數(shù)(溫度、壓力)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷增大，對發(fā)動機(jī)功率分出軸(power take-off，PTO)的性能要求也越來越高。目前國內(nèi)絕大部分試驗裝備只能對功率分出軸進(jìn)行簡單的單項或某幾項性能試驗，已經(jīng)難以適應(yīng)航空事業(yè)快速發(fā)展的需要［1］。因此，為檢驗發(fā)動機(jī)功率分出軸性能，確保各種環(huán)境下都能充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的效能，提高飛機(jī)安全性和機(jī)動性，某公司投資建設(shè)了一個功率分出軸耐久性綜合試驗臺。該試驗臺通過模擬飛機(jī)實際運行溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及扭矩等工況條件，對功率分出軸進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)性能試驗，測試功率分出軸在長時間連續(xù)運行時的剛度、強(qiáng)度、韌性以及疲勞強(qiáng)度等各項性能指標(biāo)，從而對該分出軸在航空發(fā)動機(jī)上使用的可行性、可靠性和持久性作出正確的判斷［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

功率分出軸耐久性試驗臺控制系統(tǒng)主要由電氣主傳動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機(jī)動飛行力模擬系統(tǒng)等組成，要求通過手動或程控實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩、位移和機(jī)動飛行力的加載，完成耐久性試驗、最大補(bǔ)償量試驗、機(jī)動飛行力試驗、動力特性試驗、靜強(qiáng)度試驗及扭矩標(biāo)定試驗等試驗內(nèi)容。遵循“集中管理、分散控制”的設(shè)計原則，本系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure of the monitoring system for test bench

系統(tǒng)主控制器選用西門子CPU 315 -2 PN/DP 型PLC，通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線與主電機(jī)變頻器、試驗臺ET200M 遠(yuǎn)程I/O站以及輔助系統(tǒng)ET200M 遠(yuǎn)程I/O站等DP 從站進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并控制泵、電機(jī)、電磁閥等全部試驗設(shè)備達(dá)到試驗工藝要求。系統(tǒng)中央控制室配置兩臺裝有WinCC 監(jiān)控軟件的工業(yè)控制計算機(jī)作為操作員站(其中一臺兼著工程師站)。操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器實現(xiàn)通信，實時監(jiān)控試驗過程，實現(xiàn)手/自動選擇、界面操作、報警顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能。試驗臺現(xiàn)場還配置了一臺西門子TP177B PN/DP 觸摸屏，用于實現(xiàn)設(shè)備就地啟停和報警顯示，觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器進(jìn)行通信獲取過程數(shù)據(jù)。試驗過程中，主控制器把試驗臺各系統(tǒng)的儀表、設(shè)備及工藝參數(shù)等集中到中央控制室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可同時接受操作人員發(fā)出的指令，并通過現(xiàn)場總線向就地控制站發(fā)出命令，優(yōu)化控制現(xiàn)場各設(shè)備的運行，實現(xiàn)試驗臺自動控制功能。系統(tǒng)還配置了一臺HP 網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)用于報表打印。為提高系統(tǒng)可靠性，所有重要部件均配置UPS 不間斷電源［3］。

2 硬件組態(tài)

利用編程軟件Simeatic Step7 對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)。首先，對主站S7-300 PLC 進(jìn)行組態(tài)，包括電源模塊、CPU 模塊、各I/O 模塊;然后對現(xiàn)場總線Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)、兩個ET200M 遠(yuǎn)程I/O 從站以及西門子Simovert Movert Drives 變頻器從站進(jìn)行組態(tài)。

硬件組態(tài)以及參數(shù)設(shè)置完成以后，將硬件組態(tài)下載到CPU315 -2 PN/DP 主站內(nèi)，連接好各DP 從站與主站的通信電纜，然后根據(jù)硬件組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行從站地址設(shè)置，最后選擇在線檢查各站連接情況，確保各從站能夠與主站進(jìn)行正常通信［4］。

3 軟件設(shè)計

功率分出軸耐久性試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件由PLC控制程序、HMI 人機(jī)界面程序和觸摸屏顯示程序等構(gòu)成。其中，PLC 控制程序選用西門子Step7 V5.4 編程軟件編寫，人機(jī)界面軟件、觸摸屏軟件分別通過WinCC和WinCC Flexiable 實現(xiàn)。

3.1 PLC 控制程序設(shè)計

試驗臺PLC 控制軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，思路清晰、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便。調(diào)試時先進(jìn)行單一功能模塊的調(diào)試，各功能模塊調(diào)試完成后再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試對象明確，可以在短時間快速解決存在的問題，極大縮短調(diào)試時間［5］。試驗臺PLC 控制程序主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制程序主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the main control program

主程序OB1通過調(diào)用FC10～FC80等功能模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、報警保護(hù)、命令處理、試驗選擇、扭矩控制、試驗投入和試驗退出，實現(xiàn)試驗過程的控制。試驗選擇模塊FC40通過調(diào)用FC41～FC46等功能模塊，實現(xiàn)機(jī)動飛行力控制試驗、最大補(bǔ)充量試驗、耐久性試驗、動力特性試驗、靜強(qiáng)度試驗和扭矩標(biāo)定試驗等試驗類型的選擇。耐久性試驗?zāi)KFC43通過調(diào)用FC100～FC105等功能模塊，實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、慢車轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、加減速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)、連續(xù)運轉(zhuǎn)以及額定轉(zhuǎn)速2運轉(zhuǎn)等具體試驗內(nèi)容的選擇［6］。

為滿足不同試驗要求、方便各系統(tǒng)單獨運行，試驗臺上設(shè)有“手動/程控”轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動位置時，由操作人員利用人機(jī)界面上的按鈕按要求將各系統(tǒng)投入運行［7］。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于程控位置時，所有動作由PLC 內(nèi)設(shè)定程序自動完成。例如在進(jìn)行耐久性試驗轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)部分程序控制試驗時，首先通過WinCC 人機(jī)界面設(shè)置試驗參數(shù)，將試驗時間、初加速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速循環(huán)高值、轉(zhuǎn)速次循環(huán)高值、轉(zhuǎn)速循環(huán)次數(shù)、轉(zhuǎn)速次循環(huán)次數(shù)、加減速時間、啟動時間、扭矩低值 分 別 設(shè) 置 為60 min、6 496 r/min、9 280 r/min、10 672 r/min、2、2、2 min、60 s、267.5 Nm。確定設(shè)置值后試驗自動開始，主電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩在2 min 內(nèi)達(dá)到6 496 r/min、267.5 Nm。60 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速增加到9 280 r/min，到第9 min 時開始加速到10 672 r/min，保持高值2 min 到第11 min 時降至9 280 r/min，運行8 min到第19 min 時 再 加 速 到10 672 r/min，2 min 后 下 降 至9 280 r/min，到第29 min 時在1 min 內(nèi)轉(zhuǎn)速降至6 496 r/min。然后再從60 s 轉(zhuǎn)速增加到9 280 r/min循環(huán)運行，到第60 min 試驗結(jié)束，在2 min 內(nèi)轉(zhuǎn)速、扭矩降至最小值，然后關(guān)閉電機(jī)，各油泵試驗結(jié)束。

3.2 HMI 人機(jī)界面設(shè)計

試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面由西門子WinCC7.0 編輯而成，用于對整個試驗過程進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了用戶管理、試驗方式選擇、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控、報警顯示、數(shù)據(jù)歸檔以及報表打印等功能。上位界面通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與中央控制器PLC 通信，采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。組態(tài)畫面主要包括PTO 主菜單、機(jī)動飛行模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、疲勞試驗臺、耐久性試驗、最大補(bǔ)償量試驗、機(jī)動飛行力試驗、動力特性試驗、靜強(qiáng)度試驗、扭矩標(biāo)定試驗、超文本報表、趨勢圖、額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)1、慢車轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、加減速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)、連續(xù)轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)2、補(bǔ)償量設(shè)置窗等共計20 幅畫面，界面友好，操作方便，實現(xiàn)了試驗全過程的實時監(jiān)控。

4 結(jié)束語

本試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)不但完成了試驗臺各試驗設(shè)備的順序連鎖控制要求，還重點實現(xiàn)了對主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)動飛行力模擬系統(tǒng)壓縮空氣壓力(四回路)、扭矩加載回路加載扭矩以及位移模擬系統(tǒng)活動支座橫向位移的精確控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)全部設(shè)計要求［8］。試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)投入運行一年來已經(jīng)完成數(shù)百根功率分出軸的性能試驗，能夠準(zhǔn)確地檢測出功率分出軸的各項性能參數(shù)，為判斷功率分出軸能否在航空發(fā)動機(jī)上安全使用提供了充分依據(jù)。

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