防除冰槳葉加熱及溫度控制系統設計

鎖俊睿，劉壯，高長水

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

防除冰槳葉加熱及溫度控制系統設計

鎖俊睿，劉壯，高長水

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：設計一套用于直升機槳葉防除冰地面試驗的電加熱及溫度控制系統，以歐姆龍PLC為核心控制器，根據上位機或者觸摸屏發送的現場指令控制系統的運行。主要介紹了PLC控制程序和觸摸屏人機界面的設計、上/下位機之間基于FINS協議的以太網通信的實現、以及基于VC++的上位機程序設計。經過軟硬件調試，這套系統可以滿足試驗的需求。

關鍵詞：直升機；槳葉；電加熱；防除冰；試驗；控制系統

Design of Heating and Temperature Control System for Anti/de-icer Paddles

SUO Junrui, LIU Zhuang, GAO Changshui

(College of Mechanical and Electrical Engineering Nanjing University of Aeronautics

and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:The electric heating and temperature system is designed for ground test of helicopter blades anti/de-icer. Omron PLC is used as the core controller to control the operation of the system according to the commands sent by IPC or touch screen. This paper introduces the design of controlling program of PLC and the man-machine interface of touch screen. Ethernet communication based on FINS protocol between the IPC and PLC, as well as the design of IPC program based on VC++. After testing the hardware and software, the system can meet the needs of experiment.

Keywords:helicopter; blade; electric heating; anti/de-icer; test; control system

0引言

飛機結冰是指飛機飛行時外表面上水分積聚凍結成冰的現象[1]。主旋翼是直升機的升力部件，也是實現操縱功能的主要部件，當槳葉結冰嚴重且非均等時，槳轂和槳葉會出現質量和氣動不平衡[2]，這將增大飛行員的操縱難度，極易誘發飛行事故。為了解決直升機槳葉結冰問題，在槳葉上安裝電加熱防除冰系統是一種主流的技術。目前，國內在槳葉防除冰技術研究的試驗領域較為薄弱，現設計了一套應用于地面試驗的加熱及溫度控制系統，以探索槳葉材料的傳熱特性，采集基礎試驗數據為主要任務。

1技術要求

1) 采用周期性循環的加熱策略，加熱組件沿槳葉展向分為A區、B區和C區，如圖1所示。

圖1　加熱組件分布圖

2) 為監控加熱組件內部加熱元件和導線的損傷情況，需要對A區和B區的共14根導線的電流進行測量和顯示。C相導線的電流可通過計算得到。

3) 測溫傳感器(熱電阻)分布要求：內置測溫傳感器埋置在加熱組件和槳葉本體之間，沿槳葉的展向分布。分別在加熱組件的A區、B區和C區各放置4個，共12個傳感器。外表面測溫傳感器粘貼在加熱組件表面，沿槳葉的展向分布，分別在加熱組件的A區、B區和C區各放置4個，共12個傳感器。測溫傳感器分布如圖2所示。

圖2　測溫傳感器分布示意圖

4) 監控測溫傳感器的失效和導線損傷情況。

5) 測量和顯示24個溫度傳感器的溫度，可以使用其中任意一個溫度傳感器的信號監控試驗件的溫度，測量精度為±0.5℃。

6) 通過溫度控制器控制試驗件內部溫度，如果有一個傳感器測得的試驗件蒙皮表面溫度超過設定上限值80℃，控制器就斷開傳輸給試驗件所有加熱元件的供電；當其中一個傳感器測得的溫度低于下限值60℃，將恢復供電。

2控制系統方案

防除冰槳葉加熱及溫度控制地面試驗系統控制方案如下：

1) 通過歐姆龍CX-Programmer軟件設計梯形圖，使歐姆龍PLC集中控制整個系統，實現設備的邏輯控制及必要的連鎖控制。

2) 在工控機上應用VC++編制軟件，通過控制下位機PLC的基本I/O單元和數據存儲區，實現對所有重要參數的設定和監控，并實現對功率調壓器的啟動、停止操作及功率輸出調節。

3) 本地控制通過控制柜上的啟停按鈕和電位器進行操作，也可以通過觸摸屏進行控制。在歐姆龍觸摸屏上應用NB-Desiner組態軟件顯示系統溫度、電壓、電流、功率、故障等信息，同時可以在觸摸屏上輸入加熱切換時間、溫度上限、溫度下限、功率調壓器輸出百分比等重要參數，以便及時地向PLC發送現場指令，根據現場情況控制系統的運行狀態。

由以上控制方案可知，此系統集成了測試系統、本地控制系統和遠程控制系統，自動化控制要求高，而且測試精度也很高。控制系統各功能模塊之間的關系如圖3所示，此整體設計方案使用歐姆龍PLC作為整個控制系統的核心控制器， PLC的作用包括：1) 通過RS-485總線控制功率調壓器；2) 通過RS-485總線實現與溫度巡檢儀的通信，實時讀取24個測溫點的溫度，完成對被控加熱裝置的實時溫度控制，溫度信息顯示(觸摸屏)；3) 通過信號隔離變換器及電流互感器讀取加熱組件三相導線的電流值，監控及報警加熱元件或導線的損傷情況。工控機與PLC通過以太網連接，采用串行通信方式，實現對整個系統的遠程控制。

圖3　控制系統網絡圖

3本地控制系統軟件設計

本地控制系統軟件設計分為PLC控制軟件設計和觸摸屏組態軟件設計。軟件操作界面要求簡潔、方便、人機互動性好。

3.1PLC梯形圖設計

加熱及溫度控制系統要實現周期性循環加熱的策略，即7組加熱組件按順序從第1組到第7組依次加熱，然后再返回，周而復始。7組加熱組件的加熱切換時間在PLC動態數據區(DM區)的D150中進行設置，加熱電阻的功率控制由ST35B功率調壓器實現，并在D153中設置輸出百分比，然后由模擬量輸出單元CJ1W-DA041的2041通道輸出。

將系統的停止按鈕、緊急停止按鈕的信號接入開關量輸入單元CJ1W-ID201的I0.01、I0.00兩個輸入端子，啟動按鈕的信號接入I0.02端子，以實現對整個系統的啟停控制。設置一個切換加熱子程序的控制開關位5.00，當I0.02從ONOFF跳變時，5.00置位，啟動加熱系統子程序；當I0.01下降沿或者I0.00閉合時，系統停止加熱子程序。切換加熱梯形圖編程如圖4所示。

圖4　切換加熱子程序

加熱子程序的功能是實現7組加熱組件的循環加熱。加熱子程序主要由互鎖/互鎖解除指令IL/ILC、移位指令SFT和數字傳送指令MOVD完成。當PLC通電，第1個掃描周期的標志位P_First_Cycle為ON時，首先對PLC工作區的W1.00位置“1”，當W1.00位的“1”移動到W1.01后，將W1.00置“0”，然后通過移位指令SFT使W1.01～W1.07輪流置“1”。最后通過數字傳送指令MOVD將W1.01～W1.07的數據一對一傳送到開關量輸出通道的1.01～1.07位，從而實現了7組加熱組件按設定時間切換，循環加熱。加熱子程序梯形圖編程如圖5所示。

圖5　加熱子程序

3.2觸摸屏人機界面設計

選用觸摸屏的COM2串口與PLC的COM0串口連接，將PLC 的COM0 串口的通信方式設置為“RS232，9600，7，2，偶校驗”。文中設計了5幅工作畫面，通過“菜單”進行切換。在設計參數設置界面時，選用“數值輸入”元件，在屬性項里設置“寫入地址”為相應的PLC數據存儲區的位，然后選擇適合的“數字”“字體”“控制設置”等屬性即可。圖6所示為參數設置界面。

圖6　參數設置界面

在設計狀態顯示界面的時候使用“多狀態顯示”元件，在“基本屬性”項里設置“讀取地址”為相應的PLC數據存儲區的位，在“多狀態顯示”項里設置“狀態號”和“對應值”，并通過標識不同的標簽顯示“正常”或“故障”兩種狀態。圖7所示為狀態顯示界面。

圖7　狀態顯示界面

4遠程控制系統設計

4.1上/下位機通信

工控機與PLC通過以太網連接，采用基于FINS協議的串行方式進行通信。FINS(factory interface network service，FINS)通信協議是歐姆龍公司開發的專門用于工業自動化控制網絡的指令/響應系統,使用FINS協議可以實現各種網絡間的無縫通信[3]。通過編程發送FINS指令，上位機就能夠讀/寫PLC數據區的數據。FINS協議支持工業以太網，可以實現歐姆龍PLC與上位機的以太網通信。通過以太網進行FINS通信，是以UDP/IP數據包的形式在以太網上發送和接收數據的，稱為FINS/UDP方式[4]。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式的數據包，即Ethernet報頭、IP報頭、UDP報頭和FINS幀，如圖8所示。

圖8　 FINS/UDP數據包格式[3]

基于FINS協議的以太網通信實現的程序代碼如下：

void CProp0::Connect()

{

CString m_ipEdit="192.168.0.3";

//設置PLC的IP地址

VARIANT vtLocalPort,vtLocalIP;

CString strport;

m_client.Close ();

m_client.SetProtocol(1);

//選擇UDP/IP協議，1=UDP，0=TCP

m_client.SetLocalPort (9600);

//設置本地UDP端口號，默認值為9600

m_client.SetRemotePort (9600);

//設置遠程UDP端口號，默認值為9600

m_client.SetRemoteHost(m_ipEdit);

//對方IP地址

vtLocalPort.vt=VT_BSTR;

//數據為字符串

strport="9600";

vtLocalIP.vt=VT_BSTR;

vtLocalPort.bstrVal =strport.AllocSysString ();

vtLocalIP.bstrVal=m_client.GetLocalIP().

AllocSysString ();

m_client.Bind(vtLocalPort,vtLocalIP);

//綁定本機IP地址和端口號

AfxMessageBox("connect successful");

}

4.2上位機程序設計

上位機程序設計包括溫度監控系統和數據庫兩部分，其中溫度監控系統是整個加熱及溫度控制系統最核心的部分，由6個模塊組成：1) 溫度顯示模塊，實時顯示溫度傳感器測得的溫度。2) 報警信息模塊，如果溫度測量通道發生故障，如導線斷線、傳感器損壞、巡檢儀故障時，能夠精確報錯。3) 加熱狀態顯示模塊，顯示21個加熱電阻的當前狀態，以不同顏色區分正在加熱、故障、未加熱三種狀態。4) 功率調壓器模塊，實時顯示功率控制器的線電壓、相電流和功率值。5) 參數設定模塊，該模塊包括獲取當前系統參數和設定新的加熱參數兩個功能。6) 啟動和停止操作。

上位機人機界面是在VC++環境下編寫的。設計溫度顯示、功率調壓器模塊時，使用SetTimer()函數生成一個每0.5 s觸發一次的定時器，在OnTimer()函數中根據定時器設定的時間不斷地發送FINS指令。系統收到FINS/UDP數據包后，核對數據包的IP地址、端口、協議類型與Winsock控件的網絡參數是否吻合，如果吻合就會觸發Winsock[5]控件的DataArrival事件，返回PLC存儲區的數據。上位機采集到數據后，對數據進行處理并顯示在界面上。

設計狀態顯示模塊時，使用復選框表示每一個控件，上位機將采集到的數據進行判斷，然后通過復選框標識“正常”或“不正常”狀態。因為溫度巡檢儀具有各通道斷線斷偶自診斷功能，所以只需讀取測溫通道狀態字的數據，通過調用DrawInfo()函數在屏幕上繪制報警信息即可。

如果讀取的溫度值大于設定上限值則停止加熱，小于下限值則啟動加熱。程序流程圖如圖9所示。

圖9　控制流程圖

溫度監控軟件設計在一個界面上顯示，實現的功能比較豐富，界面要求簡潔直觀。設計好的溫度監控界面如圖10所示。

圖10　溫度監控界面

5結語

防除冰槳葉加熱及溫度控制系統是進行槳葉地面防除冰試驗的重要組成部分，能夠驗證各種電加熱策略的可行性以及通過試驗積累各種基礎數據。根據項目需要，設計了一套測試精度高、操作簡潔、自動化程度較高的加熱及溫度控制系統。此系統采用集中安裝，遠程控制和本地控制兼備，方便維護操作。經現場調試后，能夠很好地滿足試驗要求。

參考文獻:

[1] 裘燮綱,韓鳳華.飛機防冰系統[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,1985.

[2] 艾劍波,鄧景輝,劉達經. 直升機旋翼槳葉除冰結構設計[J]. 直升機技術,2005， 2(2)：48-50.

[3] 曹衛,史旺旺,陳虹. OMRON PLC在以太網中的通信及實現[J]. 測控技術,2004,23(12):50-51.

[4] 戴斌,朱建平,袁焱. 基于FINS協議的OMRON PLC與上位機以太網通信的實現[J]. 電子技術，2008,5(13)：13-16.

[5] 邱育橋. 基于WinSock的網絡編程技術[J]. 電腦知識與技術,2009,5(14):3695-3696.

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收稿日期：2014-01-24

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0177-04

作者簡介：鎖俊睿(1986-)，男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向為機電控制及自動化。