基于PLC與LabVIEW的B737模擬供配電系統設計

摘" 要：B737客機作為世界范圍內使用最多與最成功的商用民航客機，其供配電系統經過市場檢驗證明了可靠性。隨著我國對于民航客機的研制越來越重視，B737客機的供配電系統的研究是十分有必要的。文章參照真實飛機系統構建了基于PLC的B737模擬供配電系統，結合LabVIEW構建相關供配電網絡操控系統，并對供配電網絡運行原理與故障處理原理進行了分析，根據故障處理原理分析B737飛機供配電系統故障情況下的電網重構過程。通過實驗分析，展示了正常狀態與故障狀態下模擬供配電系統運行狀況，為相關人員進行B737供配電系統網絡研究提供理論與實際參考。

關鍵詞：PLC；LabVIEW；故障處理；B737模擬供配電系統

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）21-0006-05

Design of B737 Simulated Power Supply and Distribution System Based on PLC and LabVIEW

HUANG Xianchun， AI Houlong， ZHAO Hao， LIU Xijun

（Civil Aviation Flight University of China， Deyang" 618307， China）

Abstract： As the most widely used and successful commercial civil aviation aircraft worldwide， the power supply and distribution system of the B737 airliner has proven reliable by market inspection. As China pays more and more attention to the development of civil aviation aircraft， it is necessary to study the power supply and distribution system of the B737 airliner. This paper constructs the B737 simulated power supply and distribution system based on PLC by referring to the real aircraft system， constructs relevant power supply and distribution network control system combined with LabVIEW， and analyzes the operation principle and fault handling principle of the power supply and distribution network. According to the principle of fault handling， the power grid reconstruction process in the event of a fault in the B737 aircraft power supply and distribution system is analyzed. Through experimental analysis， the simulated operation status of the power supply and distribution system under normal and fault conditions is demonstrated， providing theoretical and practical references for relevant personnel to conduct research on the B737 power supply and distribution system network.

Keywords： PLC; LabVIEW; fault handling; B737 simulated power supply and distribution system

0" 引" 言

B737作為目前世界范圍使用最為廣泛的民航客機之一，對于B737供配電系統的研究一直都是飛機研究領域的重點。目前，在國內缺乏一種全物理層面模擬B737供配電的實驗系統。在飛機供配電系統領域，大多數已有的實驗系統都是全仿真或者半物理的。這使得相關人員在學習時無法了解到真實的飛機供配電系統工作過程。通過構建全物理層面的模擬實驗系統，使得研究人員在進行飛機供配電系統研究時能夠將研究方法帶入貼近飛機供配電系統的實驗系統中，提升研究方法的準確性。

本文分析研究B737飛機供配電系統的硬件構成與工作過程，基于PLC與LabVIEW建立B737模擬供配電系統。并且分析B737飛機模擬供配電系統在正常工作狀態與故障情況下的工作狀態。

1" B737供配電系統介紹

作為現代民航客機的代表，B737的供配電系統經過長期的市場可行性驗證后證明有效。B737飛機供配電系統的主要電源由兩臺整體驅動發電機（Integrated Drive Generator， IDG）提供，每臺IDG能提供115 V，400 Hz的交流電，并且每臺IDG能產生90 kVA的電能供飛機使用。除了兩臺IDG可以為B737飛機供電以外，當飛機在地面等待的時候可以使用外部電源對整架飛機進行供電。外部電源與IDG類似能提供115 V，400 Hz的交流電，發電功率為90 kVA。B737飛機上還有一臺輔助動力發電機（Auxiliary Power Unit， APU），這臺APU能為B737飛機穩定地提供55 kVA的可用電能。飛機供配電系統中所有的負載都是接在匯流條上的，因此B737供配電系統中存在著功能不同的匯流條，如搭載交流負載的廚房匯流條、交流備用匯流條以及搭載著直流負載的直流主匯流條、直流備用匯流條等。這些匯流條上搭載的負載對于飛行安全具有不同的作用，因此在飛機供配電系統中不同的匯流條有不同的重要度。

飛機供配電系統中用于隔離左右配電網絡以及進行電網重構功能的電氣元件是匯流條連接斷路器（Bus Tie Breaker， BTB）。B737的配電系統有變壓整流器（Transfer Rectifier Unit， TRU）與靜變流機（Invertor-INV）兩種電能轉換裝置。其中TRU能將發電機產生的115 V交流電轉換為28 V直流電供給直流匯流條使用。INV使用在非正常供電的情況下，當左右IDG均進入不正常工作狀態而被系統隔離以后，飛機上的蓄電池將會通過INV將24 V直流電轉化為115 V交流電傳輸給飛機上的關鍵飛行負載使用。這兩種電能轉換裝置都不直接產生電能，因此也稱為二次電源。由于蓄電池在正常工作模式下只會處于充電狀態，只有在所有的可用供電方案全部失效以后才接入系統使用，進入放電狀態。蓄電池接在熱電瓶匯流條（HOT BAT BUS）上，當IDG1、APU、IDG2全部被隔離出系統以后，RCCB1以及STBY DC ALTN RLY閉合，熱電瓶匯流條接入系統為交流備用匯流條以及直流備用匯流條提供電能，這兩根匯流條是飛機上最重要的匯流條，這兩根匯流條上搭載的都是諸如導航、飛控系統等關鍵飛行負載。

因此，當蓄電池接入電網后飛機只保留極少數電氣負載，只有交流備用匯流條與直流備用匯流條上的負載會保持工作，其他所有匯流條將會失去供電。通過LabVIEW程序構建B737飛機供配電模擬實驗系統如圖1所示[1-2]。

2" 模擬供配電系統硬件與軟件設計

B737模擬供配電系統將從供電、配電、負載3個方面進行設計。為了最大程度貼近于真實的飛機供配電系統工作情況。模擬系統內部集成了B737飛機供配電網絡的所有部件，包括匯流條、傳感器、蓄電池、TRU、靜變流機、遙控跳開關（Romote Control Circuit Breaker， RCCB）等。模擬供配電系統中的IDG與外部電源系統由于電壓與功率均一致，并且在B737供配電系統中IDG與外部電源不會同時接入系統進行供電。因此，在系統設計時可以采用同一種的電源分時進行供電，節約系統構建成本[3]。

B737客機中的匯流條是不可見并且隱藏在飛機的機體結構中的。在模擬實驗系統中通過使用銅排的方式將匯流條直觀的具現化，銅排上至少可以通過200 A的電流、寬度25 mm、厚度2 mm，方便相關人員進行研究。蓄電池在模擬實驗系統中承擔著備用電源的作用，模擬供配電系統選擇定制的航空級蓄電池承擔B737供配電系統中航空蓄電池的功能，模擬系統中的蓄電池按照24 VDC/30 Ah的標準選取，充電器具備過流、過充保護功能。定制相關參數滿足GJB 4871-2003《軍用航空蓄電池通用規范》中對于電池充放電參數的要求，以此滿足B737客機系統中對于蓄電池的需求。

模擬供配電系統中IDG與APU是系統的電能來源并且各個電參數都需要能夠被調節，以此來模擬實現IDG與APU在系統供配電過程中的各種控制需求。因此采用AN61701型工業電源，輸出電壓為三相115 VAC/400 Hz，額定功率3 kVA。AN61701電源的輸出電壓、電流、功率等參數均可以實現人為調節，從而實現模擬真實B737飛機的IDG功能，并且可以模擬飛行任務過程中遇到的發電機異常問題。配電系統中各斷路器和接觸器均按照IEC60947-4-1、GB14048.4等相關標準選擇性能和安全參數符合標準的元器件，其中各個BTB的最大工作電流不超過50 A。二次電源由各個TRU與INV構成，飛機供配電系統中的115 V交流電通過TRU轉換為28 V直流電為各級直流匯流條提供電能。TRU根據相關標準選擇帶載能力為28 VDC/10 A的變壓整流器。模擬配電系統硬件設計如圖2所示[4-6]。

系統負載部分通過在供配電系統柜外接兩個負載柜來實現功能。負載柜使用工業以太網與配電系統柜和上位機控制臺相連，實現負載管理與人工設置。負載柜中設置了100路負載，模擬實現各種飛行階段和電源情況下負載管理功能[7]。系統控制臺是B737模擬供配電系統的上位機，通過控制更改PLC程序與LabVIEW控制程序可以實現對于設備的操控。模擬系統使用電壓電流變送器采集電參數，并傳輸給PLC進行數據處理，通過在PLC控制程序中設置部件互鎖以及模擬量轉換函數來保證模擬供配電系統的安全與數據傳輸的準確。

由于配電系統需采集大量的電參數與溫度數據以及需要采集電網各處的狀態信息。傳統串口如RS232、RS485等通信手段無法正確處理大量的串口信息。因此，采用LabVIEW軟件的OPC服務器通信來滿足系統龐大的數據通信需求與通信速度要求。首先建立OPC服務器并且獲得所有的PLC硬件的端口信息，然后在OPC服務器中按照對應的IP地址與端口信息依次建立PLC中的點位，并且在LabVIEW中新建OPCclient讀取OPC服務器中的點位，將LabVIEW的控件與OPCclient中的點位綁定，完成LabVIEW程序與實際控件間的數據通信。

當系統出現電氣元件故障的情況時，系統會通過LabVIEW控制策略控制電源的接通、斷開及電源間轉換，以此來恢復系統功能。接觸器的控制信號直接通過PLC系統的I/O模塊給出。控制過程將由LabVIEW程序實現，并且在LabVIEW的電網狀態監控與飛行員控制界面中通過監測配電系統中各處的電參數，實現對控制程序效果的監控。供配電網絡元器件監控界面如圖3所示[8]。

在飛行員面板上顯示大量的監控數據會造成飛行員額外的工作負擔，不便于飛行安全。通過LabVIEW程序設計飛行面板，使飛行員通過操作飛行面板的旋鈕來監控供配電系統中主要部件的電參數。其中左邊的熒光屏與旋鈕監視直流部分，右邊的熒光屏與旋鈕監視交流部分。當左邊旋鈕選擇到TR1，右邊旋鈕選擇到GEN1時，熒光屏顯示對應供配電系統元器件的當前直流電壓為28 V，電流為5 A；交流頻率為400 Hz，電壓為115 V，符合B737供配電系統實際情況。飛行員數據監控面板設計如圖4所示。

B737模擬供配電系統的軟件設計分為PLC控制程序設計和LabVIEW上位機監控與數據采集程序兩個部分。PLC組態與控制程序使用博圖（TIA）V14進行編譯，主要功能是編寫硬件保護程序，如各個斷路器之間的自鎖與互鎖，防止來自LabVIEW程序的錯誤控制指令損壞硬件設備，并且在程序的控制優先級中PLC程序的優先級高于LabVIEW程序的優先級。例如當GCB1與GCB2同時處于閉合狀態時，輔助電源斷電器（Auxiliary Power Breaker， APB）與EPC無論從LabVIEW控制程序中接到何種控制指令均不能閉合，否則會造成系統出現并聯供電的情況，嚴重情況會使得供電電源之間互為負載從而損壞供電電源[9-10]。

3" 模擬供配電系統功能驗證

在正常工作情況下B737供配電系統可以看作左右兩個獨立的供配電系統，并且兩個交流轉換匯流條與APU互為備份電源，為飛機供配電系統提供冗余電源。由于B737供電電源的特殊性，不能出現兩個供電電源為同一根匯流條供電的情況。如果出現并聯供電的情況，那么兩個供電電源有可能互相成為負載，從而損壞電源，這是B737客機的基礎供電邏輯。通過在LabVIEW的前面板程序中設置供電構型與故障構型，模擬飛機供配電系統中出現的各種故障情況，如圖5的IDG1與APU供電，模擬IDG2故障的情況，還有IDG2單獨供電，模擬IDG1與APU故障的情況。

在B737供配電系統正常工作時，BTB1與BTB2會將左右兩部分配電網絡隔離開，防止同一根匯流條被兩個電源并聯供電的情況產生，并且APB會斷開，將APU隔離在供配電網絡以外，但APU作為備用電源在正常運行，并且會在左右IDG任何一方出現故障后接入系統，恢復故障部分的供電。左右IDG產生的電能通過GCB到達交流轉換匯流條，通過交流轉換匯流條到達廚房匯流條以及主匯流條進行供電。通過在模擬供配電系統中先設置左右雙發供電狀態，實現模擬供配電網絡的正常工作狀態，模擬供配電系統正常供配電狀態如圖6所示[11]。

B737供配電網絡中有兩條供電優先級最高的匯流條，分別是直流備用匯流條與交流備用匯流條。這兩根匯流條上搭載的均為關鍵飛行負載，這些負載對于飛航安全十分重要。交流備用匯流條在正常工作狀態下由IDG1通過交流轉換匯流條1為其提供電能。當IDG1發生過壓或者欠壓故障時，系統會將IDG1隔離到供配電網絡之外，防止不符合要求的電能損壞更多的用電設備。當IDG1被隔離以后，交流備用匯流條以及搭載的負載會失電。為了恢復負載的供電，系統會將為閉合APB，將APU作為備用電源接入供配電系統，并且閉合BTB1使APU為交流轉換匯流條1供電，從而恢復交流備用匯流條的電能供應。但是APU的發電功率為55 kVA，不足以維持交流轉換匯流條上搭載的所有負載的用電需求，系統會根據預設的負載優先級邏輯，將對飛機飛行安全不重要的負載進行切除處理，其中廚房匯流條上搭載的微波爐，烤箱等負載設備優先級最低，因此系統會將廚房匯流條上的負載全部切除，以保證交流主匯流條和交流備用匯流條上負載的用電需求。模擬實驗系統中在供電構型選擇中選擇GEN2與APU供電模式后，系統將把GCB1斷開將IDG1隔離出供配電系統，并且閉合APB將APU接入供配電系統代替IDG1為系統供能，然后閉合BTB1，使得APU產生的電能通過APB與BTB1重新為交流轉換匯流條1供電恢復，同時BTB2繼續保持斷開狀態，防止APU與IDG2同時為交流轉換匯流條2供電，并且因為APU的發電量不及IDG1，所以系統斷開GB1_LSR將廚房匯流條隔離出供配電系統，以此保障系統中其他重要負載的電能需求。故障處理流程符合B737供配電系統對于IDG1故障時的處理過程。模擬供配電系統IDG1故障處理過程如圖7所示。

4nbsp; 結" 論

B737系列客機作為目前民航航線使用最多的飛機，對于該型飛機的供配電系統研究十分必要。本文分析了B737供配電系統的組成和功能，并且從硬件和軟件兩部分建立了B737模擬供配電系統，通過對比真實B737飛機供配電系統與模擬供配電系統在正常工作模式與故障處理模式的供配電過程，證明了模擬供配電系統的有效性，為分析研究B737供配電實驗系統奠定了基礎。

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作者簡介：黃顯淳（1999—），男，漢族，四川宜賓人，碩士研究生在讀，研究方向：航空電子電氣系統。

基金項目：四川省教育廳科技一般項目（18ZB0687）；中央高校研究生創新基金項目（24CAFUC10172