曹應明 黃巧亮 顧菊芬

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫交通分院1，江蘇 無錫 214151;江蘇科技大學電子信息學院2，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;無錫商業(yè)職業(yè)技術學院3，江蘇 無錫 214153)

0 引言

隨著航空發(fā)動機性能要求的提高，其循環(huán)參數(shù)(溫度、壓力)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷增大，對發(fā)動機功率分出軸(power take-off，PTO)的性能要求也越來越高。目前國內(nèi)絕大部分試驗裝備只能對功率分出軸進行簡單的單項或某幾項性能試驗，已經(jīng)難以適應航空事業(yè)快速發(fā)展的需要［1］。因此，為檢驗發(fā)動機功率分出軸性能，確保各種環(huán)境下都能充分發(fā)揮發(fā)動機的效能，提高飛機安全性和機動性，某公司投資建設了一個功率分出軸耐久性綜合試驗臺。該試驗臺通過模擬飛機實際運行溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及扭矩等工況條件，對功率分出軸進行靜態(tài)和動態(tài)性能試驗，測試功率分出軸在長時間連續(xù)運行時的剛度、強度、韌性以及疲勞強度等各項性能指標，從而對該分出軸在航空發(fā)動機上使用的可行性、可靠性和持久性作出正確的判斷［2］。

1 系統(tǒng)設計

功率分出軸耐久性試驗臺控制系統(tǒng)主要由電氣主傳動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機動飛行力模擬系統(tǒng)等組成，要求通過手動或程控實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩、位移和機動飛行力的加載，完成耐久性試驗、最大補償量試驗、機動飛行力試驗、動力特性試驗、靜強度試驗及扭矩標定試驗等試驗內(nèi)容。遵循“集中管理、分散控制”的設計原則，本系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure of the monitoring system for test bench

系統(tǒng)主控制器選用西門子CPU 315 -2 PN/DP 型PLC，通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線與主電機變頻器、試驗臺ET200M 遠程I/O站以及輔助系統(tǒng)ET200M 遠程I/O站等DP 從站進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并控制泵、電機、電磁閥等全部試驗設備達到試驗工藝要求。系統(tǒng)中央控制室配置兩臺裝有WinCC 監(jiān)控軟件的工業(yè)控制計算機作為操作員站(其中一臺兼著工程師站)。操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器實現(xiàn)通信，實時監(jiān)控試驗過程，實現(xiàn)手/自動選擇、界面操作、報警顯示、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能。試驗臺現(xiàn)場還配置了一臺西門子TP177B PN/DP 觸摸屏，用于實現(xiàn)設備就地啟停和報警顯示，觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器進行通信獲取過程數(shù)據(jù)。試驗過程中，主控制器把試驗臺各系統(tǒng)的儀表、設備及工藝參數(shù)等集中到中央控制室進行數(shù)據(jù)處理，可同時接受操作人員發(fā)出的指令，并通過現(xiàn)場總線向就地控制站發(fā)出命令，優(yōu)化控制現(xiàn)場各設備的運行，實現(xiàn)試驗臺自動控制功能。系統(tǒng)還配置了一臺HP 網(wǎng)絡打印機用于報表打印。為提高系統(tǒng)可靠性，所有重要部件均配置UPS 不間斷電源［3］。

2 硬件組態(tài)

利用編程軟件Simeatic Step7 對控制系統(tǒng)進行硬件組態(tài)。首先，對主站S7-300 PLC 進行組態(tài)，包括電源模塊、CPU 模塊、各I/O 模塊;然后對現(xiàn)場總線Profibus-DP 網(wǎng)絡、兩個ET200M 遠程I/O 從站以及西門子Simovert Movert Drives 變頻器從站進行組態(tài)。

硬件組態(tài)以及參數(shù)設置完成以后，將硬件組態(tài)下載到CPU315 -2 PN/DP 主站內(nèi)，連接好各DP 從站與主站的通信電纜，然后根據(jù)硬件組態(tài)數(shù)據(jù)進行從站地址設置，最后選擇在線檢查各站連接情況，確保各從站能夠與主站進行正常通信［4］。

3 軟件設計

功率分出軸耐久性試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件由PLC控制程序、HMI 人機界面程序和觸摸屏顯示程序等構(gòu)成。其中，PLC 控制程序選用西門子Step7 V5.4 編程軟件編寫，人機界面軟件、觸摸屏軟件分別通過WinCC和WinCC Flexiable 實現(xiàn)。

3.1 PLC 控制程序設計

試驗臺PLC 控制軟件采用模塊化程序設計方法，思路清晰、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便。調(diào)試時先進行單一功能模塊的調(diào)試，各功能模塊調(diào)試完成后再進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試對象明確，可以在短時間快速解決存在的問題，極大縮短調(diào)試時間［5］。試驗臺PLC 控制程序主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制程序主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the main control program

主程序OB1通過調(diào)用FC10～FC80等功能模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、報警保護、命令處理、試驗選擇、扭矩控制、試驗投入和試驗退出，實現(xiàn)試驗過程的控制。試驗選擇模塊FC40通過調(diào)用FC41～FC46等功能模塊，實現(xiàn)機動飛行力控制試驗、最大補充量試驗、耐久性試驗、動力特性試驗、靜強度試驗和扭矩標定試驗等試驗類型的選擇。耐久性試驗模塊FC43通過調(diào)用FC100～FC105等功能模塊，實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、慢車轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、加減速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)、連續(xù)運轉(zhuǎn)以及額定轉(zhuǎn)速2運轉(zhuǎn)等具體試驗內(nèi)容的選擇［6］。

為滿足不同試驗要求、方便各系統(tǒng)單獨運行，試驗臺上設有“手動/程控”轉(zhuǎn)換開關。當轉(zhuǎn)換開關置于手動位置時，由操作人員利用人機界面上的按鈕按要求將各系統(tǒng)投入運行［7］。當轉(zhuǎn)換開關置于程控位置時，所有動作由PLC 內(nèi)設定程序自動完成。例如在進行耐久性試驗轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)部分程序控制試驗時，首先通過WinCC 人機界面設置試驗參數(shù)，將試驗時間、初加速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速循環(huán)高值、轉(zhuǎn)速次循環(huán)高值、轉(zhuǎn)速循環(huán)次數(shù)、轉(zhuǎn)速次循環(huán)次數(shù)、加減速時間、啟動時間、扭矩低值 分 別 設 置 為60 min、6 496 r/min、9 280 r/min、10 672 r/min、2、2、2 min、60 s、267.5 Nm。確定設置值后試驗自動開始，主電機轉(zhuǎn)速和扭矩在2 min 內(nèi)達到6 496 r/min、267.5 Nm。60 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速增加到9 280 r/min，到第9 min 時開始加速到10 672 r/min，保持高值2 min 到第11 min 時降至9 280 r/min，運行8 min到第19 min 時 再 加 速 到10 672 r/min，2 min 后 下 降 至9 280 r/min，到第29 min 時在1 min 內(nèi)轉(zhuǎn)速降至6 496 r/min。然后再從60 s 轉(zhuǎn)速增加到9 280 r/min循環(huán)運行，到第60 min 試驗結(jié)束，在2 min 內(nèi)轉(zhuǎn)速、扭矩降至最小值，然后關閉電機，各油泵試驗結(jié)束。

3.2 HMI 人機界面設計

試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)人機界面由西門子WinCC7.0 編輯而成，用于對整個試驗過程進行監(jiān)控，實現(xiàn)了用戶管理、試驗方式選擇、參數(shù)設定、狀態(tài)監(jiān)控、報警顯示、數(shù)據(jù)歸檔以及報表打印等功能。上位界面通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與中央控制器PLC 通信，采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。組態(tài)畫面主要包括PTO 主菜單、機動飛行模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、疲勞試驗臺、耐久性試驗、最大補償量試驗、機動飛行力試驗、動力特性試驗、靜強度試驗、扭矩標定試驗、超文本報表、趨勢圖、額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)1、慢車轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、加減速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速遞增運轉(zhuǎn)、連續(xù)轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)2、補償量設置窗等共計20 幅畫面，界面友好，操作方便，實現(xiàn)了試驗全過程的實時監(jiān)控。

4 結(jié)束語

本試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)不但完成了試驗臺各試驗設備的順序連鎖控制要求，還重點實現(xiàn)了對主驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、機動飛行力模擬系統(tǒng)壓縮空氣壓力(四回路)、扭矩加載回路加載扭矩以及位移模擬系統(tǒng)活動支座橫向位移的精確控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)全部設計要求［8］。試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)投入運行一年來已經(jīng)完成數(shù)百根功率分出軸的性能試驗，能夠準確地檢測出功率分出軸的各項性能參數(shù)，為判斷功率分出軸能否在航空發(fā)動機上安全使用提供了充分依據(jù)。

［1］ 航空發(fā)動機設計手冊總編委員會.航空發(fā)動機設計手冊:第12冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［2］ 力寧，彭最花，賀玲，等. 航空發(fā)動機高溫高速密封試驗臺研制［J］.潤滑與密封，2014，39(6):121 -124.

［3］ 廖常初.S7 - 300/400 PLC 應用技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:396 -400.

［4］ 李若明.PROFIBUS 通信技術在精細化工生產(chǎn)控制中的應用［J］.自動化儀表，2013，34(5):89-91.

［5］石華，王瑞輝.基于S7-300 PLC 和Wincc 的移載車控制系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2014，36(1):74-77.

［6］梁軍，符雪桐，呂勇哉.自適應PID 控制-I 基本原理與算法［J］.浙江大學學報:工學版，1994(5):523-529.

［7］ 張春紅.交直流輪對電機跑合試驗臺控制系統(tǒng)設計［J］.電氣自動化，2014，36(5):97 -99.

［8］ 曲曉華.液壓閥試驗臺控制系統(tǒng)的研制［J］. 機械工程與自動化，2014，182(1):168 -172.