基于PLC的航空電機負載模擬系統設計

康朋飛 張瑜 劉鑫

摘要：隨著科技的發展，航空電機能否可靠運行越來越受到航空部門的重視。為保障航空電機安全可靠的運行，航空電機檢測設備的發展就顯得尤為重要。文章以西門子公司的 S7-200SMART 為核心設計了航空電機負載模擬測試系統，該系統由電阻、電容、電感等負載組成，通過工控機遠程控制PLC，使交流負載開關柜和直流負載開關柜產生不同的負載組合，從而模擬飛機上的各種不同的帶載測試設備，以實現系統對不同形式航空電機的檢測。該系統通用性強，可以遠程控制，控制界面簡潔，操作方便，完全可以實現對航空電機的模擬負載測試。

關鍵詞：電機測試系統；PLC；上位機；負載

中圖分類號：TP311.1? 文獻標志碼：A

0 引言

航空電機在航空工業中的作用尤為重要，航空電機能否安全可靠運行決定著航空器的發展，所以對航空電機的出廠測試要求極為嚴格，其中模擬負載測試為其核心測試內容。良好的航空電機負載模擬測試系統通過對新生產的航空電機長時間的連續帶載運行，可以檢驗航空電機在極端條件下的可靠性和穩定性。經過長時間的帶載測試可以有效避免事故的發生，從而間接降低維修費用，為航空電機的安全運行提供保障［1］。傳統意義上進行的航空電機負載模擬測試主要是由測試人員在現場用檢測儀器對待測航空電機進行模擬負載測試，加入的負載數量主要由測試人員根據經驗完成。由于待測內容多，時間長，接線復雜，并且在檢測過程中依靠人工進行設備調整和數據記錄［2］，導致測試數據的記錄和分析處理都比較困難，有些動態參數無法準確測量，因此如何在不使用人工的情況下，實現對發電機進行安全可靠的帶載檢測，成了近年來的研究方向。

1 系統簡介

航空電機負載模擬平臺自動控制系統如圖 1 所示，負載模擬部分由電阻、電容、電感等負載組成，控制部分由PLC控制器和工控機組成。其中電阻、電容、電感分別裝在115 V/100 kVA三相交流負載箱、230 V/50 kVA三相交流負載箱、540 V/50 kW高壓直流負載箱和28 V/10 kW直流負載箱中，組成兩個交流負載開關柜和兩個直流負載開關柜，用來模擬飛機上各種不同的帶載測試設備，以實現系統對不同形式航空電機的檢測［3］。工控機安裝在一個琴臺式的操作臺上，工控機配置按當前主流機型配置，便于控制系統的升級維護。工控機對負載參數進行監測與控制，每套負載采用獨立的PLC進行控制，測量相互獨立。負載自動控制為開環方式，系統采用手動和自動加載模式，在避免了繁雜的手工計算過程的同時，完全滿足用戶精度的要求［4］。工控機與PLC通過RS485進行通信。

2 負載模擬控制系統設計

2.1 PLC控制器選型

S7-200 SMART系列微型可編程邏輯控制器可以控制各種設備以滿足自動化控制需要。CPU根據用戶程序控制邏輯監視輸入并更改輸出狀態，用戶程序可以包含布爾邏輯、計數、定時、復雜數學運算以及與其他智能設備的通信。S7-200 SMART 結構緊湊、組態靈活且具有功能強大的指令集，這些優勢的組合使它成為控制各種應用的完美解決方案［5］。本系統所采用的S7-200 SMART的CPU型號為SR20，共有12個輸入口（DIa0～7和DIb0～3）和8個輸出口（DQa0～7）。由于本系統所采用的輸出口較多，需加入若干擴展模塊，本系統采用擴展模塊型號為EM DR08，共8個輸出口（DQ0～7）。

2.2 115 V/100 kVA三相交流負載箱設計

本系統中115 V/100 kVA三相交流負載箱由一號電阻電容箱和二號電感電容箱構成，每個箱體分兩路并采用獨立的PLC控制，通過RS485與后臺工控機進行通信，兩路儀表各通過獨立的RS485與后臺工控機進行通信［6］。

115 V/100 kVA三相交流負載箱的一號電阻電容箱和二號電感電容箱分別由1臺PLC和3個擴展模塊組成，其中PLC實用輸入接口6個，輸出接口3個；擴展模塊實用輸出接口8個。115 V/100 kVA三相交流負載箱一號箱的I/O分配如表1所示，115 V/100 kVA三相交流負載箱二號箱的I/O分配如表2所示。

2.3 230 V/50 kVA三相交流負載箱設計

本系統中230 V/50 kVA三相交流負載箱由一號電阻箱和二號電感加電容箱構成，每個箱體分兩路并采用獨立的PLC控制，通過RS485與后臺工控機進行通信，兩路儀表各通過獨立的RS485與后臺工控機進行通信。

230 V/50 kVA三相交流負載箱的一號電阻箱由1臺PLC和1個擴展模塊組成，二號電感加電容箱由1臺PLC和3個擴展模塊組成，其中一號箱PLC實用輸入接口6個，輸出接口8個，二號箱PLC實用輸入接口6個，輸出接口6個；一號箱實用1個擴展模塊7個輸出接口，二號箱采用3個擴展模塊，分別使用接口數為7個輸出接口、7個輸出接口和5個輸出接口。

2.4 540 V/50 kW高壓直流負載箱設計

本系統中540 V/50 kW高壓直流負載箱分60 kW，60 kW，30 kW三路，組成兩個箱體，每個箱體采用獨立的PLC控制，通過RS485與后臺工控機進行通信，兩路儀表各通過獨立的RS485與后臺工控機進行通信。

如圖2所示，540 V/50 kW高壓直流負載箱的一號箱由1臺PLC和2個擴展模塊組成，二號箱由1臺PLC和1個擴展模塊組成，其中一號箱PLC實用輸入接口6個，輸出接口3個，二號箱PLC實用輸入接口6個，輸出接口1個；一號箱采用2個擴展模塊，每個擴展模塊實用8個輸出接口，二號箱采用1個擴展模塊，實用8個輸出接口。

2.5 28 V/10 kW直流負載箱設計

本系統中28 V/10 kW直流負載箱共1路，1個箱體，采用獨立的PLC控制，PLC和儀表通過1路RS485與后臺工控機進行通信。

28 V/10 kW直流負載箱由1臺PLC和1個擴展模塊組成，其中PLC實用輸入接口6個，輸出接口5個；模塊實用8個輸出接口。

3 上位機界面設計

上位機界面設計是基于Visual Studio.NET中包含的WinForm來實現的，WinForm具有優秀的可視化控件，可以滿足本系統的設計要求。系統監控界面包含菜單欄和顯示區兩部分［7］。菜單欄包含系統、參數設計、溫度設置、風機控制、系統日志和幫助6部分［8］；顯示區包含4個負載模塊的數據顯示，115 V/100 kVA和230 V/50 kVA三相交流負載箱顯示區包含三相交流電的電壓、電流、頻率和功率因數值，風機的溫度值以及系統的實時報文，540 V/50 kW高壓直流負載箱和28 V/10 kW直流負載箱顯示區包含電壓值、電流值、風機的溫度值以及系統的實時報文，系統操作界面如圖3所示［9］。

4 系統驗證

航空電機負載模擬系統設計完成之后進行測試，以230 V/50 kVA三相交流負載箱為例，當需要加入功率因數為0.6、總電流為15.5 A的數據時，首先需要點擊輔助計算功能，輸入總電流15.5 A和功率因數0.6，系統就會算出實際需要加入的電阻8.1 A和電感10.2 A，由于系統提供的最小值為0.5 A，所以對于8.1A實際取8 A，10.2 A實際取10 A。接下來合上對應的電阻開關按鈕4 A、2A和1A以及電感開關按鈕10 A，如圖4所示。經過測試，系統完全滿足設計要求。

5 結語

本設計是基于 PLC 的航空電機負載模擬系統，以 PLC 為主控制器，實現對115 V/100 kVA三相交流負載箱、230 V/50 kVA三相交流負載箱、540 V/50 kW高壓直流負載箱和28 V/10 kW直流負載箱4個負載箱的控制，并設計了上位機顯示界面，最終通過測試完成了航空電機負載模擬系統的設計。該系統上位機界面顯示界面友好，易于操作。與傳統的負載系統相比，本系統操作簡便，具有良好的應用價值。

參考文獻

［1］李琳，魏立峰，賁偉建.基于STM32的步進電機實時監測系統設計［J］．信息系統工程，2016（6）：31-32.

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［3］梁雪玲，張墨詩.PLC在數控機床中的應用［J］.四川水泥，2015（3）：13.

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［5］馬強.電機及現代控制技術［M］.北京：中國原子能出版社，2018.

［6］佟亞珍，桑尚銘，馮榮尉.基于STM32的通用化電機角度測試系統設計［J］.微電機，2022（4）：82-86.

［7］王海燕.C#.NET下三層架構數據庫應用系統開發［J］.計算機技術與發展，2012（6）：78-81.

［8］趙春玲.NET平臺下開發三層架構WinForm應用程序簡介［J］.信息技術與信息化，2010（4）：33-35.

［9］楊燕飛.多路力矩測試系統的后臺軟件設計與開發［D］.西安：西安工程大學，2015.

（編輯 姚 鑫）

Design of aviation motor load simulation system based on PLC

Kang? Pengfei， Zhang? Yu， Liu? Xin

（College of Technology， Xian Siyuan University， Xian 710038， China）

Abstract： With the development of science and technology， whether aviation motors can operate reliably has attracted more and more attention from the aviation sector. In order to ensure the safe and reliable operation of aviation motors， the development of aviation motor testing equipment is particularly important. This paper takes Siemens S7-200SMART as the core to design the aviation motor load simulation test system， the system is composed of resistance， capacitor， inductance and other loads， through the industrial computer remote control PLC， so that the AC load switchgear and DC load switchgear produce different load combinations， so as to simulate a variety of different load test equipment on the aircraft， to achieve the system detection of different forms of aviation motors. The system has strong versatility， can be controlled remotely， the control interface is simple， the operation is convenient， and the simulated load test of the aviation motor can be fully realized.

Key words： electric motor test system; PLC; host computer; load