基于PLC的航空電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康朋飛 張瑜 劉鑫

摘要：隨著科技的發(fā)展，航空電機(jī)能否可靠運(yùn)行越來(lái)越受到航空部門(mén)的重視。為保障航空電機(jī)安全可靠的運(yùn)行，航空電機(jī)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展就顯得尤為重要。文章以西門(mén)子公司的 S7-200SMART 為核心設(shè)計(jì)了航空電機(jī)負(fù)載模擬測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電阻、電容、電感等負(fù)載組成，通過(guò)工控機(jī)遠(yuǎn)程控制PLC，使交流負(fù)載開(kāi)關(guān)柜和直流負(fù)載開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生不同的負(fù)載組合，從而模擬飛機(jī)上的各種不同的帶載測(cè)試設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)不同形式航空電機(jī)的檢測(cè)。該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可以遠(yuǎn)程控制，控制界面簡(jiǎn)潔，操作方便，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空電機(jī)的模擬負(fù)載測(cè)試。

關(guān)鍵詞：電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)；PLC；上位機(jī)；負(fù)載

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

航空電機(jī)在航空工業(yè)中的作用尤為重要，航空電機(jī)能否安全可靠運(yùn)行決定著航空器的發(fā)展，所以對(duì)航空電機(jī)的出廠測(cè)試要求極為嚴(yán)格，其中模擬負(fù)載測(cè)試為其核心測(cè)試內(nèi)容。良好的航空電機(jī)負(fù)載模擬測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)對(duì)新生產(chǎn)的航空電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)帶載運(yùn)行，可以檢驗(yàn)航空電機(jī)在極端條件下的可靠性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的帶載測(cè)試可以有效避免事故的發(fā)生，從而間接降低維修費(fèi)用，為航空電機(jī)的安全運(yùn)行提供保障［1］。傳統(tǒng)意義上進(jìn)行的航空電機(jī)負(fù)載模擬測(cè)試主要是由測(cè)試人員在現(xiàn)場(chǎng)用檢測(cè)儀器對(duì)待測(cè)航空電機(jī)進(jìn)行模擬負(fù)載測(cè)試，加入的負(fù)載數(shù)量主要由測(cè)試人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)完成。由于待測(cè)內(nèi)容多，時(shí)間長(zhǎng)，接線(xiàn)復(fù)雜，并且在檢測(cè)過(guò)程中依靠人工進(jìn)行設(shè)備調(diào)整和數(shù)據(jù)記錄［2］，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄和分析處理都比較困難，有些動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，因此如何在不使用人工的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行安全可靠的帶載檢測(cè)，成了近年來(lái)的研究方向。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

航空電機(jī)負(fù)載模擬平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 1 所示，負(fù)載模擬部分由電阻、電容、電感等負(fù)載組成，控制部分由PLC控制器和工控機(jī)組成。其中電阻、電容、電感分別裝在115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱、230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱、540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱和28 V/10 kW直流負(fù)載箱中，組成兩個(gè)交流負(fù)載開(kāi)關(guān)柜和兩個(gè)直流負(fù)載開(kāi)關(guān)柜，用來(lái)模擬飛機(jī)上各種不同的帶載測(cè)試設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)不同形式航空電機(jī)的檢測(cè)［3］。工控機(jī)安裝在一個(gè)琴臺(tái)式的操作臺(tái)上，工控機(jī)配置按當(dāng)前主流機(jī)型配置，便于控制系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)。工控機(jī)對(duì)負(fù)載參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，每套負(fù)載采用獨(dú)立的PLC進(jìn)行控制，測(cè)量相互獨(dú)立。負(fù)載自動(dòng)控制為開(kāi)環(huán)方式，系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)加載模式，在避免了繁雜的手工計(jì)算過(guò)程的同時(shí)，完全滿(mǎn)足用戶(hù)精度的要求［4］。工控機(jī)與PLC通過(guò)RS485進(jìn)行通信。

2 負(fù)載模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)備以滿(mǎn)足自動(dòng)化控制需要。CPU根據(jù)用戶(hù)程序控制邏輯監(jiān)視輸入并更改輸出狀態(tài)，用戶(hù)程序可以包含布爾邏輯、計(jì)數(shù)、定時(shí)、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能設(shè)備的通信。S7-200 SMART 結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些優(yōu)勢(shì)的組合使它成為控制各種應(yīng)用的完美解決方案［5］。本系統(tǒng)所采用的S7-200 SMART的CPU型號(hào)為SR20，共有12個(gè)輸入口（DIa0～7和DIb0～3）和8個(gè)輸出口（DQa0～7）。由于本系統(tǒng)所采用的輸出口較多，需加入若干擴(kuò)展模塊，本系統(tǒng)采用擴(kuò)展模塊型號(hào)為EM DR08，共8個(gè)輸出口（DQ0～7）。

2.2 115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱由一號(hào)電阻電容箱和二號(hào)電感電容箱構(gòu)成，每個(gè)箱體分兩路并采用獨(dú)立的PLC控制，通過(guò)RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信，兩路儀表各通過(guò)獨(dú)立的RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信［6］。

115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱的一號(hào)電阻電容箱和二號(hào)電感電容箱分別由1臺(tái)PLC和3個(gè)擴(kuò)展模塊組成，其中PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口3個(gè)；擴(kuò)展模塊實(shí)用輸出接口8個(gè)。115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱一號(hào)箱的I/O分配如表1所示，115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱二號(hào)箱的I/O分配如表2所示。

2.3 230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱由一號(hào)電阻箱和二號(hào)電感加電容箱構(gòu)成，每個(gè)箱體分兩路并采用獨(dú)立的PLC控制，通過(guò)RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信，兩路儀表各通過(guò)獨(dú)立的RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信。

230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱的一號(hào)電阻箱由1臺(tái)PLC和1個(gè)擴(kuò)展模塊組成，二號(hào)電感加電容箱由1臺(tái)PLC和3個(gè)擴(kuò)展模塊組成，其中一號(hào)箱PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口8個(gè)，二號(hào)箱PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口6個(gè)；一號(hào)箱實(shí)用1個(gè)擴(kuò)展模塊7個(gè)輸出接口，二號(hào)箱采用3個(gè)擴(kuò)展模塊，分別使用接口數(shù)為7個(gè)輸出接口、7個(gè)輸出接口和5個(gè)輸出接口。

2.4 540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱分60 kW，60 kW，30 kW三路，組成兩個(gè)箱體，每個(gè)箱體采用獨(dú)立的PLC控制，通過(guò)RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信，兩路儀表各通過(guò)獨(dú)立的RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信。

如圖2所示，540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱的一號(hào)箱由1臺(tái)PLC和2個(gè)擴(kuò)展模塊組成，二號(hào)箱由1臺(tái)PLC和1個(gè)擴(kuò)展模塊組成，其中一號(hào)箱PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口3個(gè)，二號(hào)箱PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口1個(gè)；一號(hào)箱采用2個(gè)擴(kuò)展模塊，每個(gè)擴(kuò)展模塊實(shí)用8個(gè)輸出接口，二號(hào)箱采用1個(gè)擴(kuò)展模塊，實(shí)用8個(gè)輸出接口。

2.5 28 V/10 kW直流負(fù)載箱設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中28 V/10 kW直流負(fù)載箱共1路，1個(gè)箱體，采用獨(dú)立的PLC控制，PLC和儀表通過(guò)1路RS485與后臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行通信。

28 V/10 kW直流負(fù)載箱由1臺(tái)PLC和1個(gè)擴(kuò)展模塊組成，其中PLC實(shí)用輸入接口6個(gè)，輸出接口5個(gè)；模塊實(shí)用8個(gè)輸出接口。

3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)是基于Visual Studio.NET中包含的WinForm來(lái)實(shí)現(xiàn)的，WinForm具有優(yōu)秀的可視化控件，可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)監(jiān)控界面包含菜單欄和顯示區(qū)兩部分［7］。菜單欄包含系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)計(jì)、溫度設(shè)置、風(fēng)機(jī)控制、系統(tǒng)日志和幫助6部分［8］；顯示區(qū)包含4個(gè)負(fù)載模塊的數(shù)據(jù)顯示，115 V/100 kVA和230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱顯示區(qū)包含三相交流電的電壓、電流、頻率和功率因數(shù)值，風(fēng)機(jī)的溫度值以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)文，540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱和28 V/10 kW直流負(fù)載箱顯示區(qū)包含電壓值、電流值、風(fēng)機(jī)的溫度值以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)文，系統(tǒng)操作界面如圖3所示［9］。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

航空電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行測(cè)試，以230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱為例，當(dāng)需要加入功率因數(shù)為0.6、總電流為15.5 A的數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要點(diǎn)擊輔助計(jì)算功能，輸入總電流15.5 A和功率因數(shù)0.6，系統(tǒng)就會(huì)算出實(shí)際需要加入的電阻8.1 A和電感10.2 A，由于系統(tǒng)提供的最小值為0.5 A，所以對(duì)于8.1A實(shí)際取8 A，10.2 A實(shí)際取10 A。接下來(lái)合上對(duì)應(yīng)的電阻開(kāi)關(guān)按鈕4 A、2A和1A以及電感開(kāi)關(guān)按鈕10 A，如圖4所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于 PLC 的航空電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)，以 PLC 為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)115 V/100 kVA三相交流負(fù)載箱、230 V/50 kVA三相交流負(fù)載箱、540 V/50 kW高壓直流負(fù)載箱和28 V/10 kW直流負(fù)載箱4個(gè)負(fù)載箱的控制，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)顯示界面，最終通過(guò)測(cè)試完成了航空電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)上位機(jī)界面顯示界面友好，易于操作。與傳統(tǒng)的負(fù)載系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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（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