槳葉折疊裝置試驗臺測試系統設計

張袁志,李紅衛,武太文

摘要 該試驗臺主要用于飛機槳葉折疊裝置的綜合性能檢測。試驗臺由測試系統和控制系統二大部分組成，可實現對飛機槳葉折疊裝置在工作狀態下的流量，液體壓力，運行時間，旋轉角度，輸出力矩等參數的自動測量。測試數據由計算機自動分析處理，并可保存及打印結果。試驗臺采用可編程控制器（PLC）控制方式，觸摸屏式人機界面，控制軟件采用模塊化結構設計的組態軟件開發。整個測試系統按要求達到高精度，實時化，智能化和安全可靠。

關鍵詞 飛機槳葉折疊裝置；自動測量；PLC；測試系統

中圖分類號TH137 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0162-03

Design of the Aircraft Propeller Fold Mechanism Stand Test System

ZHANG YuanZhi，LI HongWei，WU TaiWen

Sichuan University, School of Manufacturing Science and Engineering, Chengdu 610065

Abstract The test stand is mainly used for comprehensive performance testing of aircraft propeller fold mechanism.It by testing system and control system composed of two . Can realize Parameters automatically measurement of aircraft propeller fold mechanism under operation flow, such as hydraulic stress, operation time, rotation Angle, the output torque. The test data by computer automatic analysis processing, can save and print results.The test stand by using the programmable controller (PLC) control mode, human-machine interface with touch screen , control software was developed by configuration software of modular structure design. The test system according to the requirement achieve real-time,high precision,intelligent,safe and reliable.

Keywords Aircraft propeller fold mechanism ;Automatic measurement ;PLC;Test system.

0 引言

應某航空液壓機械廠要求設計一臺對其生產的槳葉折疊裝置各項性能指標進行測試的試驗臺。此航空裝置是由直旋作動器組件和組合閥組件組成的液壓驅動機構。該機構是一種將傳統液壓作動筒的直線運動通過精密螺旋運動副轉化成旋轉運動的液壓作動器。其運動時間短，具有自鎖功能，在作動器到極限位置時還能發出到位信號。作動器運行方向和速度由組合閥組件控制。

可編程控制器（PLC）是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術而形成的一代新型工業控制裝置，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統。PLC具有通用性強、 使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強及編程簡單等特點[1]。因此試驗臺采用PLC作為控制系統的核心，主要負責測試系統的數據采集，數據處理，驅動輸出以及與計算機通訊。

1測試系統設計要求和思路

由PLC控制的槳葉折疊裝置綜合性能試驗臺，設計時要求對被測試件的功能，技術指標，實驗項目和性能參數等進行分析，對測試系統的準確性，可靠性，維修性和智能化等指標進行評估。遵循工作可靠，技術先進，操作智能化的研制原則，借鑒國內外先進經驗和技術使試驗臺滿足廠方的技術要求[2]。

1.1試驗臺需要實現的測試功能主要有：

1）在各種工作狀態下的壓力，流量監測及在該條件下的泄漏實驗；

2）磨合實驗及自鎖特性檢查；

3）運行角度，時間及輸出力矩測試；

試驗臺包括液壓油路測試系統及其他測試系統（見圖1）。

對液壓部分的測試包括壓力測試和流量測試。壓力測試主要是對槳葉折疊裝置工作壓力范圍的測試以及進行各項磨合實驗。流量測試包括工作條件下內泄漏量及外泄漏量檢測等測試實驗。

其它測試系：槳葉折疊裝置在額定工作條件下從一個極限位置運動到另一極限位置時的轉角，運行時間以及輸出力矩。測量時，角度編碼器安裝在槳葉折疊裝置的輸出端，力傳感器安裝在槳葉折疊裝置輸出端與負載的連桿上，通過角度與力可間接測量輸出力矩。時間測量通過PLC的10MS高精度計時器直接測量。所有測量結果均在人機界面上數字顯示。

1.2實驗臺的組成

實驗臺由液壓系統，電氣系統，及操作臺3大部分組成。液壓系統由液壓油箱，工作電機，油泵及液壓閥總站組成。它的功能是驅動槳葉折疊裝置及提供負載。 電氣系統由電控柜，PLC，人機界面（觸摸屏），工業控制計算機，數字顯示表組成。它的功能是實現智能化，集成化控制以及數據采集、分析、處理和顯示功能。操作臺由工作臺及一些工裝，夾具等組成。被測產品安裝在操作臺上進行各項試驗。

2 計算機測控系統

2.1控制系統

在整個測試系統中，工控機和PLC構成測試系統的主要部分。槳葉折疊裝置的測試全程由計算機監控。工控機完成實驗數據分析處理和存儲數據。觸摸屏主要用來進行人機界面操作，狀態監測及結果顯示。壓力，流量，角度，輸出力等模擬量由各傳感器采集，并通過PLC的高精度A/D模塊傳送至PLC。同時為各模擬量配備了顯示儀表，PLC通過RS-485與顯示儀表通信，通過儀表顯示數據可以更直觀的反應被測參數。PLC通過RS-232與工控機通信。各個液壓油路的電磁閥開關，流量壓力閥的調節通過PLC實現邏輯控制與互鎖功能，使整個操作系統簡單，安全，可靠（見圖2）。

測控系統軟件采用HMI組態軟件來實現，主要包括人機界面，參數設定，試驗項目選擇，試驗狀態監控，試驗曲線繪制，試驗結果保存及打印等功能。

2.2測試系統的硬件結構

PLC控制元件選用日本歐姆龍公司的CS系列產品。CS系列模塊化結構設計使其具有良好的電磁兼容性，工業環境適應性和擴展性[3]。中央處理單元選用CS1G-CPU44H，電源單元選用PA204S，數字輸出模塊為OC211，數字輸入模塊為ID211,模擬量輸出模塊為DA041，模擬量輸入模塊選用AD081。高速計數模塊選用CT021。其中，OC211為繼電器輸出控制各個電磁換向閥，控制液壓油路流向。ID211接收按鈕、過濾器等開關信號，實現啟動停止及安全報警等作用。DA041輸出0-10V電壓信號，通過集成放大器驅動比例壓力閥調節液壓系統壓力。AD081接收各傳感器信號，用于數據采集及實現閉環控制。CT021用于高速旋轉時采集角度數據。

人機界面是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。本系統選用廣州致遠公司的HMI平板電腦，其具有人性化的操作界面和穩定可靠的性能和良好的編程環境，能夠滿足測試系統的要求。人機界面主要是跟PLC進行交互并對其進行發送控制指令，并從PLC讀取數據、實時顯示存儲并生成時間數據圖形曲線。

2.3測控軟件

軟件設計采用結構化編程模式，便于程序功能增減和調試，主要包括程序初始化，主程序和子程序三個部分。系統上電后，PLC采用循環掃描方式。首先是系統初始化，主要包括對定時器，計數器，變量以及模擬量模塊的初始化；接著進行系統自檢，故障報警判斷。然后根據選擇的實驗，系統按程序邏輯判斷調用相應的子程序，按步驟進行試驗。控制流程圖（見圖3）所示。

試驗臺人機界面設計主要包括3個部分：第一，實驗選擇及參數設定部分，在測試前將各個實驗和相關參數在人機界面上提前設定，以備實驗；第二，測試部分（見圖4）：進行槳葉折疊裝置實驗。包括電機，電磁閥，開關控制按鈕，調節壓力旋鈕，各傳感器傳回的數據，壓力溫度流量等數值顯示；第三，測試數據保存，按照規定時間間隔將測試數據保存至數據庫中（見圖5）。

2.4電液比例控制系統設計

電液控制技術集合了電控與液壓的交叉技術優勢，指令及信號處理單元和檢測反饋單元采用電子器件，功率轉換放大單元和執行部件采用液壓元件。電液比例控制系統利用電信號便于遠距離控制以實現計算機檢測與控制，可明顯簡化液壓系統，實現復雜程序控制[4]。試驗臺采用的電液控制系統組成原理如圖所示。DA模塊按照程序設定輸出電壓信號給比例放大器，比例放大器經過轉換輸出電流信號給比例壓力溢流閥，比例壓力溢流閥根據輸入電流信號按比例控制液壓系統壓力（見圖6）。比例放大器根據安裝在比例壓力溢流閥上的位移傳感器反饋的位置信號對輸出電流進行調節控制。

3測試系統的抗干擾設計

雖然可編程控制器本身具有很高的可靠性，但是由于系統工作在惡劣的電磁環境中，常常會受到許多電磁干擾，從而可能造成輸入給PLC的開關量信號出現錯誤，模擬量信號出現較大偏差，PLC輸出控制的執行機構沒有按要求動作，這些都可能使控制過程出錯。因此要使系統穩定可靠的工作并達到預期功能，必須保證其具有良好的抗干擾性能[5]。該系統從軟硬件兩方面采取措施提高系統可靠性。

3.1軟件抗干擾措施

在程序設計時增加數字濾波程序，增強輸入信號的可靠性。開關量的輸入采取多次讀入的方法，經幾次讀入比較無誤后在確認。開關量輸出時，對輸出量進行回讀，比較無誤后再輸出。對于按鈕開關及電磁閥，采用軟件延時來避免因機械振動造成的信號誤差。

3.2硬件抗干擾措施

3.2.1屏蔽隔離

首先將PLC裝入一預制的金屬箱中，并使PLC安裝位置遠離電控柜，有效消除電磁場的干擾。PLC所用傳輸線一律采用屏蔽信號電纜，以降低由動力線產生的電磁干擾。嚴格區分信號電源與控制電源，控制信號線纜與動力線纜分開放置在不同的線槽中，以減少電磁干擾。屏蔽信號電纜的屏蔽層一端接地。將繼電器介入PLC回路，用于驅動電磁閥線圈，繼電器線圈和觸點僅有機械上的聯系而沒有直接的電的聯系，可以有效的提高PLC抗干擾的能力。

3.2.2接地

正確的接地方式可以在很大程度上抑制外部干擾。對PLC內部電路，包括CPU和其他接口共接數字地；對PLC外部電路包括D/A,A/D模塊等共接模擬地。

4結論

本文將計算機控制技術核心引入液壓測試系統，對航空液壓件測試方法進行了研究。實現了單一試驗臺上完成多種液壓測試的功能。試驗臺自動測試功能設計，基于PLC自動控制及計算機HMI組態軟件平臺開發測試軟件，實現了航空液壓件的自動測試和測試數據的自動處理，滿足技術要求。

文中介紹的測試系統已經在某航空液壓機械廠得到了很好的實際應用，取得了理想的效果。

參考文獻

[1]嚴盈富.監控組態軟件與PLC入門[M].北京：人民郵電出版社，2006，11.

[2]李書明，張馳，白杰.基于計算機控制的飛機氣動附件試驗臺測試系統的設計[J].液壓與氣動，2010(4)：56-57.

[3]鄭寶林.圖解歐姆龍PLC入門[M].北京：機械工業出版社，2007，2.

[4]黎啟柏.電液比例控制與數字控制系統[M].北京：機械工業出版社，1997，5.

[5]周志敏，徐霞，紀愛華.PLC控制系統電磁兼容技術---工程設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008，3.

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”