防除冰槳葉加熱及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鎖俊睿，劉壯，高長(zhǎng)水

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

防除冰槳葉加熱及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鎖俊睿，劉壯，高長(zhǎng)水

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：設(shè)計(jì)一套用于直升機(jī)槳葉防除冰地面試驗(yàn)的電加熱及溫度控制系統(tǒng)，以歐姆龍PLC為核心控制器，根據(jù)上位機(jī)或者觸摸屏發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)指令控制系統(tǒng)的運(yùn)行。主要介紹了PLC控制程序和觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、上/下位機(jī)之間基于FINS協(xié)議的以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)、以及基于VC++的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過軟硬件調(diào)試，這套系統(tǒng)可以滿足試驗(yàn)的需求。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；槳葉；電加熱；防除冰；試驗(yàn)；控制系統(tǒng)

Design of Heating and Temperature Control System for Anti/de-icer Paddles

SUO Junrui, LIU Zhuang, GAO Changshui

(College of Mechanical and Electrical Engineering Nanjing University of Aeronautics

and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:The electric heating and temperature system is designed for ground test of helicopter blades anti/de-icer. Omron PLC is used as the core controller to control the operation of the system according to the commands sent by IPC or touch screen. This paper introduces the design of controlling program of PLC and the man-machine interface of touch screen. Ethernet communication based on FINS protocol between the IPC and PLC, as well as the design of IPC program based on VC++. After testing the hardware and software, the system can meet the needs of experiment.

Keywords:helicopter; blade; electric heating; anti/de-icer; test; control system

0引言

飛機(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)飛行時(shí)外表面上水分積聚凍結(jié)成冰的現(xiàn)象[1]。主旋翼是直升機(jī)的升力部件，也是實(shí)現(xiàn)操縱功能的主要部件，當(dāng)槳葉結(jié)冰嚴(yán)重且非均等時(shí)，槳轂和槳葉會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量和氣動(dòng)不平衡[2]，這將增大飛行員的操縱難度，極易誘發(fā)飛行事故。為了解決直升機(jī)槳葉結(jié)冰問題，在槳葉上安裝電加熱防除冰系統(tǒng)是一種主流的技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)在槳葉防除冰技術(shù)研究的試驗(yàn)領(lǐng)域較為薄弱，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于地面試驗(yàn)的加熱及溫度控制系統(tǒng)，以探索槳葉材料的傳熱特性，采集基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主要任務(wù)。

1技術(shù)要求

1) 采用周期性循環(huán)的加熱策略，加熱組件沿槳葉展向分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，如圖1所示。

圖1　加熱組件分布圖

2) 為監(jiān)控加熱組件內(nèi)部加熱元件和導(dǎo)線的損傷情況，需要對(duì)A區(qū)和B區(qū)的共14根導(dǎo)線的電流進(jìn)行測(cè)量和顯示。C相導(dǎo)線的電流可通過計(jì)算得到。

3) 測(cè)溫傳感器(熱電阻)分布要求：內(nèi)置測(cè)溫傳感器埋置在加熱組件和槳葉本體之間，沿槳葉的展向分布。分別在加熱組件的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)各放置4個(gè)，共12個(gè)傳感器。外表面測(cè)溫傳感器粘貼在加熱組件表面，沿槳葉的展向分布，分別在加熱組件的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)各放置4個(gè)，共12個(gè)傳感器。測(cè)溫傳感器分布如圖2所示。

圖2　測(cè)溫傳感器分布示意圖

4) 監(jiān)控測(cè)溫傳感器的失效和導(dǎo)線損傷情況。

5) 測(cè)量和顯示24個(gè)溫度傳感器的溫度，可以使用其中任意一個(gè)溫度傳感器的信號(hào)監(jiān)控試驗(yàn)件的溫度，測(cè)量精度為±0.5℃。

6) 通過溫度控制器控制試驗(yàn)件內(nèi)部溫度，如果有一個(gè)傳感器測(cè)得的試驗(yàn)件蒙皮表面溫度超過設(shè)定上限值80℃，控制器就斷開傳輸給試驗(yàn)件所有加熱元件的供電；當(dāng)其中一個(gè)傳感器測(cè)得的溫度低于下限值60℃，將恢復(fù)供電。

2控制系統(tǒng)方案

防除冰槳葉加熱及溫度控制地面試驗(yàn)系統(tǒng)控制方案如下：

1) 通過歐姆龍CX-Programmer軟件設(shè)計(jì)梯形圖，使歐姆龍PLC集中控制整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的邏輯控制及必要的連鎖控制。

2) 在工控機(jī)上應(yīng)用VC++編制軟件，通過控制下位機(jī)PLC的基本I/O單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有重要參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)對(duì)功率調(diào)壓器的啟動(dòng)、停止操作及功率輸出調(diào)節(jié)。

3) 本地控制通過控制柜上的啟停按鈕和電位器進(jìn)行操作，也可以通過觸摸屏進(jìn)行控制。在歐姆龍觸摸屏上應(yīng)用NB-Desiner組態(tài)軟件顯示系統(tǒng)溫度、電壓、電流、功率、故障等信息，同時(shí)可以在觸摸屏上輸入加熱切換時(shí)間、溫度上限、溫度下限、功率調(diào)壓器輸出百分比等重要參數(shù)，以便及時(shí)地向PLC發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)指令，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

由以上控制方案可知，此系統(tǒng)集成了測(cè)試系統(tǒng)、本地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，自動(dòng)化控制要求高，而且測(cè)試精度也很高?？刂葡到y(tǒng)各功能模塊之間的關(guān)系如圖3所示，此整體設(shè)計(jì)方案使用歐姆龍PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制器， PLC的作用包括：1) 通過RS-485總線控制功率調(diào)壓器；2) 通過RS-485總線實(shí)現(xiàn)與溫度巡檢儀的通信，實(shí)時(shí)讀取24個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度，完成對(duì)被控加熱裝置的實(shí)時(shí)溫度控制，溫度信息顯示(觸摸屏)；3) 通過信號(hào)隔離變換器及電流互感器讀取加熱組件三相導(dǎo)線的電流值，監(jiān)控及報(bào)警加熱元件或?qū)Ь€的損傷情況。工控機(jī)與PLC通過以太網(wǎng)連接，采用串行通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

圖3　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3本地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為PLC控制軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。軟件操作界面要求簡(jiǎn)潔、方便、人機(jī)互動(dòng)性好。

3.1PLC梯形圖設(shè)計(jì)

加熱及溫度控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)周期性循環(huán)加熱的策略，即7組加熱組件按順序從第1組到第7組依次加熱，然后再返回，周而復(fù)始。7組加熱組件的加熱切換時(shí)間在PLC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)(DM區(qū))的D150中進(jìn)行設(shè)置，加熱電阻的功率控制由ST35B功率調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)，并在D153中設(shè)置輸出百分比，然后由模擬量輸出單元CJ1W-DA041的2041通道輸出。

將系統(tǒng)的停止按鈕、緊急停止按鈕的信號(hào)接入開關(guān)量輸入單元CJ1W-ID201的I0.01、I0.00兩個(gè)輸入端子，啟動(dòng)按鈕的信號(hào)接入I0.02端子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的啟?？刂?。設(shè)置一個(gè)切換加熱子程序的控制開關(guān)位5.00，當(dāng)I0.02從ONOFF跳變時(shí)，5.00置位，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)子程序；當(dāng)I0.01下降沿或者I0.00閉合時(shí)，系統(tǒng)停止加熱子程序。切換加熱梯形圖編程如圖4所示。

圖4　切換加熱子程序

加熱子程序的功能是實(shí)現(xiàn)7組加熱組件的循環(huán)加熱。加熱子程序主要由互鎖/互鎖解除指令I(lǐng)L/ILC、移位指令SFT和數(shù)字傳送指令MOVD完成。當(dāng)PLC通電，第1個(gè)掃描周期的標(biāo)志位P_First_Cycle為ON時(shí)，首先對(duì)PLC工作區(qū)的W1.00位置“1”，當(dāng)W1.00位的“1”移動(dòng)到W1.01后，將W1.00置“0”，然后通過移位指令SFT使W1.01～W1.07輪流置“1”。最后通過數(shù)字傳送指令MOVD將W1.01～W1.07的數(shù)據(jù)一對(duì)一傳送到開關(guān)量輸出通道的1.01～1.07位，從而實(shí)現(xiàn)了7組加熱組件按設(shè)定時(shí)間切換，循環(huán)加熱。加熱子程序梯形圖編程如圖5所示。

圖5　加熱子程序

3.2觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

選用觸摸屏的COM2串口與PLC的COM0串口連接，將PLC 的COM0 串口的通信方式設(shè)置為“RS232，9600，7，2，偶校驗(yàn)”。文中設(shè)計(jì)了5幅工作畫面，通過“菜單”進(jìn)行切換。在設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置界面時(shí)，選用“數(shù)值輸入”元件，在屬性項(xiàng)里設(shè)置“寫入地址”為相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的位，然后選擇適合的“數(shù)字”“字體”“控制設(shè)置”等屬性即可。圖6所示為參數(shù)設(shè)置界面。

圖6　參數(shù)設(shè)置界面

在設(shè)計(jì)狀態(tài)顯示界面的時(shí)候使用“多狀態(tài)顯示”元件，在“基本屬性”項(xiàng)里設(shè)置“讀取地址”為相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的位，在“多狀態(tài)顯示”項(xiàng)里設(shè)置“狀態(tài)號(hào)”和“對(duì)應(yīng)值”，并通過標(biāo)識(shí)不同的標(biāo)簽顯示“正?！被颉肮收稀眱煞N狀態(tài)。圖7所示為狀態(tài)顯示界面。

圖7　狀態(tài)顯示界面

4遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1上/下位機(jī)通信

工控機(jī)與PLC通過以太網(wǎng)連接，采用基于FINS協(xié)議的串行方式進(jìn)行通信。FINS(factory interface network service，F(xiàn)INS)通信協(xié)議是歐姆龍公司開發(fā)的專門用于工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的指令/響應(yīng)系統(tǒng),使用FINS協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫通信[3]。通過編程發(fā)送FINS指令，上位機(jī)就能夠讀/寫PLC數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)。FINS協(xié)議支持工業(yè)以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)歐姆龍PLC與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信。通過以太網(wǎng)進(jìn)行FINS通信，是以UDP/IP數(shù)據(jù)包的形式在以太網(wǎng)上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，稱為FINS/UDP方式[4]。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式的數(shù)據(jù)包，即Ethernet報(bào)頭、IP報(bào)頭、UDP報(bào)頭和FINS幀，如圖8所示。

圖8　 FINS/UDP數(shù)據(jù)包格式[3]

基于FINS協(xié)議的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)的程序代碼如下：

void CProp0::Connect()

{

CString m_ipEdit="192.168.0.3";

//設(shè)置PLC的IP地址

VARIANT vtLocalPort,vtLocalIP;

CString strport;

m_client.Close ();

m_client.SetProtocol(1);

//選擇UDP/IP協(xié)議，1=UDP，0=TCP

m_client.SetLocalPort (9600);

//設(shè)置本地UDP端口號(hào)，默認(rèn)值為9600

m_client.SetRemotePort (9600);

//設(shè)置遠(yuǎn)程UDP端口號(hào)，默認(rèn)值為9600

m_client.SetRemoteHost(m_ipEdit);

//對(duì)方IP地址

vtLocalPort.vt=VT_BSTR;

//數(shù)據(jù)為字符串

strport="9600";

vtLocalIP.vt=VT_BSTR;

vtLocalPort.bstrVal =strport.AllocSysString ();

vtLocalIP.bstrVal=m_client.GetLocalIP().

AllocSysString ();

m_client.Bind(vtLocalPort,vtLocalIP);

//綁定本機(jī)IP地址和端口號(hào)

AfxMessageBox("connect successful");

}

4.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括溫度監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分，其中溫度監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)加熱及溫度控制系統(tǒng)最核心的部分，由6個(gè)模塊組成：1) 溫度顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示溫度傳感器測(cè)得的溫度。2) 報(bào)警信息模塊，如果溫度測(cè)量通道發(fā)生故障，如導(dǎo)線斷線、傳感器損壞、巡檢儀故障時(shí)，能夠精確報(bào)錯(cuò)。3) 加熱狀態(tài)顯示模塊，顯示21個(gè)加熱電阻的當(dāng)前狀態(tài)，以不同顏色區(qū)分正在加熱、故障、未加熱三種狀態(tài)。4) 功率調(diào)壓器模塊，實(shí)時(shí)顯示功率控制器的線電壓、相電流和功率值。5) 參數(shù)設(shè)定模塊，該模塊包括獲取當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)定新的加熱參數(shù)兩個(gè)功能。6) 啟動(dòng)和停止操作。

上位機(jī)人機(jī)界面是在VC++環(huán)境下編寫的。設(shè)計(jì)溫度顯示、功率調(diào)壓器模塊時(shí)，使用SetTimer()函數(shù)生成一個(gè)每0.5 s觸發(fā)一次的定時(shí)器，在OnTimer()函數(shù)中根據(jù)定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間不斷地發(fā)送FINS指令。系統(tǒng)收到FINS/UDP數(shù)據(jù)包后，核對(duì)數(shù)據(jù)包的IP地址、端口、協(xié)議類型與Winsock控件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是否吻合，如果吻合就會(huì)觸發(fā)Winsock[5]控件的DataArrival事件，返回PLC存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在界面上。

設(shè)計(jì)狀態(tài)顯示模塊時(shí)，使用復(fù)選框表示每一個(gè)控件，上位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，然后通過復(fù)選框標(biāo)識(shí)“正?！被颉安徽！睜顟B(tài)。因?yàn)闇囟妊矙z儀具有各通道斷線斷偶自診斷功能，所以只需讀取測(cè)溫通道狀態(tài)字的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用DrawInfo()函數(shù)在屏幕上繪制報(bào)警信息即可。

如果讀取的溫度值大于設(shè)定上限值則停止加熱，小于下限值則啟動(dòng)加熱。程序流程圖如圖9所示。

圖9　控制流程圖

溫度監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)在一個(gè)界面上顯示，實(shí)現(xiàn)的功能比較豐富，界面要求簡(jiǎn)潔直觀。設(shè)計(jì)好的溫度監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10　溫度監(jiān)控界面

5結(jié)語(yǔ)

防除冰槳葉加熱及溫度控制系統(tǒng)是進(jìn)行槳葉地面防除冰試驗(yàn)的重要組成部分，能夠驗(yàn)證各種電加熱策略的可行性以及通過試驗(yàn)積累各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)了一套測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)潔、自動(dòng)化程度較高的加熱及溫度控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用集中安裝，遠(yuǎn)程控制和本地控制兼?zhèn)?，方便維護(hù)操作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，能夠很好地滿足試驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 裘燮綱,韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1985.

[2] 艾劍波,鄧景輝,劉達(dá)經(jīng). 直升機(jī)旋翼槳葉除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 直升機(jī)技術(shù),2005， 2(2)：48-50.

[3] 曹衛(wèi),史旺旺,陳虹. OMRON PLC在以太網(wǎng)中的通信及實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)控技術(shù),2004,23(12):50-51.

[4] 戴斌,朱建平,袁焱. 基于FINS協(xié)議的OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)，2008,5(13)：13-16.

[5] 邱育橋. 基于WinSock的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù),2009,5(14):3695-3696.

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收稿日期：2014-01-24

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0177-04

作者簡(jiǎn)介：鎖俊睿(1986-)，男，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制及自動(dòng)化。