基于PLC的發動機試車臺電氣控制

劉丹寧，王城麟，喻國洋

中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002

0 引言

航空發動機試車臺是對發動機進行綜合研究的重要設施。為保障航空發動機的快速發展，完備的試驗設施尤其是先進的試驗技術是必要條件。電氣系統是發動機試車臺控制核心，可對試車臺各系統如測功系統、燃油系統、滑油系統、數采系統、數控系統進行供配電、狀態監測、運動控制等。

PLC具有可靠性高、編程簡單、組態靈活等特點，在工業環境中應用廣泛。以PLC為核心建立電氣系統控制平臺，可便捷地實現各類設備的遠程控制，打通各系統間的數據交互通道，同時實現各類聯鎖、保護、報警等功能[1]。

1 發動機試車臺電氣系統組成

某發動機試車臺電氣系統主要由配電柜、起動電源柜、電氣成套設備（車臺設備控制柜、發動機控制柜、UPS柜、電源分配機柜、遠程I/O柜）、燃油加溫控制柜、滑油加溫控制柜、進氣溫度調節控制柜、發電加載柜、操控系統等組成。

系統以PLC為控制核心，工控機作為遠程監控設備，采用子系統獨立控制和PLC集中控制相結合的控制方式，通過Profinet、TCP/IP、RS422等通信方式，實現對測功系統、進氣溫度調節系統、燃油供油及加溫系統、滑油加溫系統、引氣系統、發電加載系統、起動控制系統等的監控功能，并通過PLC與發動機數字電子控制器（EECU）的信號傳輸實現對發動機的控制。同時，通過由油門桿、上位機及人機界面、按鈕及組合指示燈等設備組成的操控系統，實現試驗人員與試驗設備的人機交互。

2 PLC控制系統硬件配置

SIMATIC S7-1500自動化系統性能卓越、應用靈活、組態可擴展，可以很好地應用于設備與工廠工程組態中的各類控制。試車臺電氣系統PLC控制單元以SIMATIC S7-1500為主站，通過數字量輸入（DI）模塊、數字量輸出模塊（DO）及通信模塊與發動機控制器建立連接，實現發動機的動作控制及狀態監測。同時，主站通過交換機與各設備子站及上位機形成PROFINET通信網絡，如圖1所示，實現各類設備、系統的數據交互，以便進行統一監控。

圖1 通信網絡

SIMATIC S7-1200基本型控制器適用于小型自動化解決方案，適合作為各類輔助設備（如滑油加溫設備、燃油加溫設備、進氣加溫設備等）控制系統的CPU，既可實現設備的獨立控制，又可與電氣系統PLC主站建立通信連接。

SIMATIC ET 200MP是一種模塊化、可擴展和通用的分布式I/O系統，可通過現場總線將過程信號連接到CPU。將分布式I/O系統靈活布置于試車臺試驗間、操縱間等位置，實現閥門、油泵及開關按鈕等器件輸入、輸出信號就近接入PLC控制系統，減少各設備、各空間的硬線連接。

3 基于PLC的設備控制

3.1 電源控制

為試車臺設備提供電源是電氣系統的重要功能。試車臺用電設備主要包括泵、風機、加溫設施等交流用電設備，及PLC、電磁閥、組合開關、EECU等直流用電設備。

交流用電設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，通過斷路器實現電路的過載、短路等保護功能，通過交流接觸器實現供電回路的通斷控制。斷路器配置輔助觸點，通過中間繼電器接入PLC控制系統DI通道，實現斷路器狀態的遠程監測。接觸器線圈通過中間繼電器接入PLC控制系統DO通道，實現對其通斷的遠程控制。

圖2 交流用電設備電源控制框圖

直流用電設備電源控制框圖如圖3所示。為保障PLC、發動機控制器、緊停電磁閥等關鍵設備的供電可靠性，其電源由UPS引入，通過斷路器、接觸器進入直流控制電源。該電源由兩塊直流穩壓電源模塊和一個冗余模塊，并聯組成直流控制電源，以提升可靠性。對直流控制電源輸出的電壓、電流進行檢測，信號傳輸至PLC控制系統的模擬量輸入（AI）通道，實現直流電源的遠程起停和狀態檢測。

圖3 直流用電設備點煙控制框圖

3.2 設備控制

試車臺由電氣系統控制的設備包括泵、風機、閥門等無獨立控制系統的設備，以及燃滑油加溫系統、進氣加溫系統等自成獨立控制系統的設備。

無獨立控制系統的設備以引氣閥為例。引氣閥可調節引氣流量，其控制依賴車臺電氣系統實現，控制原理框圖如圖4所示。其操控部分主要由PLC和上位機實現，具有手動/自動操作模式以及開度/流量控制功能。在上位機上選擇自動/手動操控模式，手動操控時，操作開大/關小按鈕即可調節引氣閥的開度；自動模式時，PLC按照設定的開度或流量值由模擬量輸出（AO）通道輸出4～20mA信號至引氣閥，自動調節引氣閥的開度或流量大小。其中，引氣閥的開度信號取自引氣閥4～20mA模擬量反饋，實際流量由電氣系統與數采系統通信取得。

圖4 引氣閥控制框圖

具備獨立控制系統的設備通過以太網通信與車臺電氣系統建立連接，通過協商好的通信協議，獲取設備的數據，并在上位機上實現功能控制、狀態監測等。

3.3 發動機控制

發動機的電氣控制主要是EECU與車臺間的指令接收和發送，包括控制邏輯設計、故障條件判斷等。EECU信號控制原理框圖如圖5所示，PLC是車臺與EECU的關系處理器，EECU的邏輯功能在PLC中編程實現。

圖5 EECU信號控制框圖

車臺輸入至EECU的信號通過硬開關或上位機軟開關進入PLC控制系統，在控制程序中進行聯鎖、保護等控制后，通過PLC DO通道輸出至EECU，實現發動機冷運轉、假開車、起動、停車等功能。

EECU輸出到車臺的信號一部分通過數控電纜信號線傳輸，由中間繼電器中轉隔離，進入PLC控制系統；一部分由EECU與車臺電氣系統PLC或者上位機通信獲得，各信號在上位機以虛擬指示燈形式或在操縱臺以物理指示燈形式顯示。

4 PLC控制程序設計

S7-1500系列PLC配套編程軟件采用TIA portal博途，可對西門子集成自動化中所涉及的所有自動化和驅動產品進行組態、編程和調試[2]。編程語言采用梯形圖語言（LAD），LAD是PLC程序設計中最常用的編程語言，它可與電氣原理圖相對應，直觀易懂，便于掌握[3]。

控制程序采用模塊化設計理念，OB1作為主程序循環執行，編輯用于控制不同過程任務的FC子程序，每個FC配備一個DB數據塊進行數據存儲，在OB1中根據需求調用FC即可。程序結構如圖6所示。

圖6 PLC控制程序結構

上位機的人機操作界面采用SIMATIC WinCC進行編輯設計。WinCC與電氣系統PLC及各輔助設備的控制系統通過以太網建立通信連接，將各系統需要監控的設備及數據可視化，使操作數字化、智能化[4-5]。

5 安全保護措施

發動機試車臺電氣系統是一個控制多設備同時運行的復雜系統，其可靠性關乎發動機試驗的安全。為保障電氣系統可長期正常工作，其PLC、上位機及直流控制電源等重要設備供電均由UPS提供，即使市電中斷，也可控制發動機穩步停車。控制程序中還設計了報警、慢車停車、緊急停車等多級試驗保護機制。上位機的人機操作界面中對關鍵設備的操作按鈕設置二次彈窗確認功能，防止誤操作。

6 結論

本文采用基于PLC的電氣系統對發動機試車臺進行控制，利用分布式、模塊化設計理念，建立子系統獨立控制與PLC集中控制相結合的控制結構。通過以太網等通信方式與各設備、系統建立連接，實現數據快速、可靠地交互，進而可在上位機人機界面中對試車臺的水、電、油、氣等各類設備進行集中監控、聯動操作、聯鎖保護等，有效降低了試驗操作人員的工作強度，為設備及發動機的安全運行提供了有力的保障。