某型航空發動機臺架控制系統設計研究

許偉鴿，孫朝輝

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

傳統的臺架控制在形式上主要采用按鈕、旋鈕等發布命令實現對發動機狀態的控制，同時通過模擬儀表對發動機狀態進行顯示。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的發展，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的結構；各種工藝參數的設定、實時數據顯示、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、現場更改程序簡單易行，實現了1套控制程序應用于多型號試車，使發動機整機試車在自動控制方面又向前邁進了一大步[2]。

本文從發動機電氣系統和試車監控系統2個方面對臺架控制系統進行介紹。臺架電氣系統在硬件方面充分考慮了多機種試車的需求；試車監控系統基于PLC進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，操縱系統界面可根據發動機型號進行一鍵切換，來實時滿足試車需求。

1 發動機臺架控制系統

針對某型航空發動機地面試車臺，采用可編程邏輯控制器（PLC）為硬件基礎，選用分布式I/O的控制方式，構建了地面臺架控制系統。以發動機控制系統作為全臺控制系統的主站，通過Profibus-DP總線與其他型號發動機進行通信，主站采用西門子300系列CPU，可以外帶32個子站。臺架電氣系統如需做機種擴展，可以根據改造要求，直接在主站的基礎上擴展子站。上位機監控系統利用PLC的聯網通信功能實現PLC與上位機之間的信息交換，其監控界面通過組態軟件WinCC（Windows Control Center）制作完成，并利用屏幕鼠標的方式遠程控制現場執行機構動作。各種型號發動機的監控界面可以實時切換，為多機種試車做好準備。整個控制系統的結構如圖1所示[3-4]。

圖1 臺架控制系統構成

2 發動機臺架電氣系統

2.1 設計原則和依據

依據該型號發動機電氣系統原理圖，完成其臺架電纜及控制柜的配線。其設計充分考慮了該型號各機種的相似性，在設計初期將該系列機種的全部線路做了歸納整理，根據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個控制柜內復用，既節省控制柜又保證了信號的兼容性和可靠性。

2.2 設計方案

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

（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動機試車臺電氣系統的更改。

（3）上位機軟件通過組態軟件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，發動機電氣功能性檢查開關由上位機監控軟件實現[5]。

2.3 臺架發動機電纜及控制柜

由于該系列發動機目前處于研制設計階段，發動機電氣系統隨著研制需要做相應改動在所難免，因此采用控制柜做1次轉接，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。

為保證臺架信號穩定可靠，滿足調節器電氣接口特性要求，根據發動機臺架改裝技術要求，臺架發動機電纜通過控制柜1次轉接至起動箱、調節器、操縱臺面及數采系統，盡量減少電纜轉接環節[6-7]。

3 發動機試車監控系統

試車臺上位機監控系統基于組態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實現對發動機試車的全程監控。該系統組態靈活，通用性強，穩定性好，并適用于各領域。

3.1 系統設計原則

該系統以Wincc組態軟件為開發平臺，在考慮最大限度滿足被控對象要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、實用和維護方便；同時考慮到整套系統后續的改進與擴展，在選擇PLC容量時留有一定余量。

3.2 設計思路

發動機試車監控系統的設計思路采用分布式控制的方式，如圖1所示。發動機控制系統作為全臺控制系統的主站，與上位機通過TCP/IP網絡進行通信，主站與相應子站之間通過Profibus-DP總線通信，實現數據的實時傳輸與交互。

3.3 PLC工作原理

當PLC正常運行，即PLC的CPU運行指示燈處于綠燈無閃爍狀態時，PLC投入工作。PLC的工作方式是循環掃描，工作過程依次為自診斷、通訊處理、掃描輸入、執行程序、刷新輸出[8]。

（1）診斷PLC電源內部電路的工作狀態及編程中的語法錯誤。

（2）用掃描方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并將輸入映象存入寄存器或數據寄存器中。

（3）運行時，按用戶程序存儲器中存放的先后順序讀取指令，經編譯解釋后根據指令完成各種運算和操作，根據運算結果存儲相應數據并更新輸出映象寄存器的內容。

（4）將存于數據寄存器的數據處理結果和輸出映象寄存器的內容送至輸出電路。

（5）按系統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據，以及相應各種外部設備的工作請求[9-10]。

3.4 STE7程序應用

STEP7程序是用于SIMATIC可編程控制器組態和編程的標準軟件包，進行硬件組態和邏輯程序編制，以及邏輯程序的在線監視。

發動機試車監控系統PLC控制程序應用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。

（1）硬件組態

硬件組態是在組態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中組態出與硬件一樣的組態軟件。硬件組態完成后進行網絡組態與通訊連接，將硬件組態通過組態好的網絡下載到CPU中。

（2）程序的編制

程序的編寫采用了結構化編程的思想，按照發動機電氣系統原理要求對相關的控制信號進行編程。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近。在開關量控制方面，只用少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能，完成邏輯控制與順序控制；在模擬量控制方面，許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量等，均可以通過調用STEP7中的A/D與D/A轉換指令實現模擬量和數字量之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC產品配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制[11]。

3.5 人機交互界面

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

采用Wincc組態軟件實現人機界面。Wincc在用于操作和監視的SIMATIC HMI產品范圍內，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，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。發動機系統控制界面如圖2、3所示。

圖2 發動機電氣操縱界面

圖3 發動機狀態指示信號

3.6 通訊過程

為了將上位機采集到的數據實時傳輸給服務器并進行存儲與分析，采用Visual Basic語言編寫了上位機與服務器的通訊程序來實現數據的實時交互。該程序通過Winsock的方式傳輸數據，并由OPC實時傳遞給WinCC監控畫面，且能自動監聽Winsock的連接狀態。如果連接斷開，立刻重新與服務器數據接收程序進行連接，具備了保證試驗數據不丟失、不出錯的特點[12]。

4 結論

（1）該系統采用PLC技術進行試驗過程中相關參數的采集與監視。控制柜內線路布局清晰，日常使用及維護方便；轉換機種試車時，有效地減少了發動機試驗前的準備時間，滿足多機種試車的需求。

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

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

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