陳志，鎖俊睿，李春，高長水

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

基于PLC的槳葉熱疲勞試驗控制系統(tǒng)設(shè)計

陳志，鎖俊睿，李春，高長水

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

設(shè)計了一套應(yīng)用于直升機槳葉地面熱疲勞加載試驗的加熱及溫度控制系統(tǒng)；闡述了加熱組件和溫度傳感器的布置型式和位置；介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；編制了基于協(xié)議宏的通信程序；以歐姆龍PLC為核心控制器，編制了系統(tǒng)的控制程序；設(shè)計了人機交互界面。系統(tǒng)采用集中安裝，維護操作方便；系統(tǒng)運行效果良好，可以滿足試驗的要求。

直升機槳葉；熱疲勞；試驗；電熱防除冰

0 引言

直升機一般在大氣層對流層以下飛行，因而很容易遭遇大量低于冰點而仍未凍結(jié)的液態(tài)水滴，即“過冷水滴”。過冷水滴撞擊直升機表面，易在旋翼槳葉表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，槳葉結(jié)冰會危及飛行安全[1,2]。為了防止槳葉結(jié)冰，在飛機上安裝電熱防/除冰系統(tǒng)是一種主流的技術(shù)。在研制機載防/除冰系統(tǒng)之前必須進行地面熱疲勞加載試驗。地面試驗的目的是探索加熱模式、熱流密度、加熱元件間隔、加熱/冷卻時間比4個關(guān)鍵因素對槳葉傳熱特性的影響。槳葉表面升溫速度越快越有利于除冰，但是要受到機載電源輸出功率的制約。現(xiàn)設(shè)計的系統(tǒng)可以為地面熱疲勞做加載試驗，以便通過試驗得到最優(yōu)的槳葉防/除冰設(shè)計方案。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 主要功能

系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能主要有：溫度測試功能，加熱及溫度控制功能，監(jiān)控加熱元件、測溫傳感器、導(dǎo)線狀態(tài)的功能，同時系統(tǒng)要能實現(xiàn)連續(xù)性加熱和周期性加熱兩種加熱方式。

1.2 加熱組件分布

槳葉的結(jié)冰范圍與翼展半徑和翼型有關(guān)。根據(jù)文獻報道，目前直升機旋翼槳葉展向的除冰防護范圍為20%～99%[3]。該試驗控制系統(tǒng)為了探索更大范圍內(nèi)的槳葉防除冰特性，使槳葉在沿展向10%～99%布置。在加熱組件數(shù)量的選取上要權(quán)衡利弊，確定一個最優(yōu)化的分區(qū)數(shù)和需用功率。因為加熱組件數(shù)量少，加熱所用時間長，總功率增大；加熱組件數(shù)量多，分區(qū)數(shù)增加，分區(qū)數(shù)太多會使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且增加了質(zhì)量。因此，為了更好的達到槳葉的防/除冰效果，要盡可能選用較短的加熱時間及較大的加熱比功率，根據(jù)文獻[4]的試驗結(jié)果表明，除冰裝置分成3～7組比較合適，試驗系統(tǒng)按最大值確定布置7組加熱電阻。如圖1所示，加熱組件沿槳葉弦向分別命名為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)。3個分區(qū)分別連接三相交流電源的A相、B相和C相成星形接法。

圖1 加熱組件分布圖

其中每個加熱電阻R的電阻值為1.5Ω，試驗時，每個加熱元件的最大電流為15A。7組加熱組件的具體連接方法見表1。

表1 電源線連接方法

1.3 溫度傳感器(熱電阻)分布

測溫傳感器要求既能測量環(huán)境溫度，又能測量加熱組件的溫度，因此將溫度傳感器布置在試驗件表面和試驗件內(nèi)部兩個位置，如圖2所示。

圖2 槳葉剖面?zhèn)鞲衅鞑贾眯问?/p>

內(nèi)置測溫傳感器埋置在加熱組件和槳葉本體之間。傳感器沿槳葉的展向分布，分別在加熱組件的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)各放置4個，共12個傳感器。

外表面測溫傳感器粘貼在加熱組件表面。傳感器沿槳葉的展向分布，分別在加熱組件的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)各放置4個，共12個傳感器。

1.4 加熱控制系統(tǒng)組成方案

整體設(shè)計方案使用歐姆龍PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心控制器，該控制系統(tǒng)通過PLC控制功率調(diào)壓器的啟動、停止及輸出電壓調(diào)節(jié)。PLC的作用還包括：1) 通過RS-485總線讀取功率調(diào)壓器的狀態(tài)信息；2) 通過RS-485總線實現(xiàn)與溫度巡檢儀的通信，實時讀取24個測溫點的溫度值及測溫通道的狀態(tài)信息，并將所有信息顯示在觸摸屏上；3) 通過信號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)控及報警加熱元件及導(dǎo)線的損傷情況。另外，通過觸摸屏可以向PLC發(fā)送現(xiàn)場指令?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信設(shè)計

PLC要能與觸摸屏、功率調(diào)壓器和溫度巡檢儀3種設(shè)備通信，現(xiàn)選用的歐姆龍CJ2M-CPU32型號的PLC只有1個RS-232接口和1個RS-485接口。因而，采用歐姆龍PLC的通信協(xié)議宏功能設(shè)計通信程序，以實現(xiàn)PLC通過1個RS-485接口與功率調(diào)壓器、溫度巡檢儀2種設(shè)備、3種類型的數(shù)據(jù)的通信。

使用CX-Protocol支持工具，根據(jù)功率調(diào)壓器和溫度巡檢儀提供的通信幀格式定義通信序列，然后由PLC的PMCR協(xié)議宏指令執(zhí)行相應(yīng)的通信序列就可以實現(xiàn)與帶有RS-485端口的外圍設(shè)備讀/寫數(shù)據(jù)交換。如圖4所示為協(xié)議宏通信序列。

圖4 協(xié)議宏通信序列

通信序列中發(fā)送數(shù)據(jù)幀的含義如表2所示。例如，Message4的含義是從終端設(shè)備地址為01H的從機(功率調(diào)壓器)的寄存器上，從地址28H開始連續(xù)讀取10(0AH)個數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)幀

通信序列中接收數(shù)據(jù)幀的含義如表3所示。例如，Message5的含義是：將從終端設(shè)備地址為01H的從機(功率調(diào)壓器)上讀取的20(14H)位數(shù)據(jù)寫入到PLC CIO區(qū)從地址CIO290開始的20個位上(W(CIO 0290),20)。

表3 接收數(shù)據(jù)幀

創(chuàng)建步，對Message進行調(diào)用，基于Modbus應(yīng)答機制，Send和Receive要對應(yīng)使用，Message調(diào)用完畢后，還需要對通信時間、重試時間等系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置[5]，否則數(shù)據(jù)響應(yīng)有可能只會響應(yīng)一次。設(shè)置完畢后，將協(xié)議下載到PLC的通信單元的相應(yīng)端口中。

在CX-Programmer編程軟件中調(diào)用PMCR指令，參照指令格式，指定相應(yīng)的內(nèi)部邏輯端口，調(diào)用協(xié)議宏中相應(yīng)的協(xié)議號，在執(zhí)行條件中指定邏輯端口的網(wǎng)絡(luò)通信可執(zhí)行標志位，即可完成對協(xié)議宏的調(diào)用。圖5為協(xié)議宏調(diào)用程序。圖5中第1條語句為設(shè)置定時器3 s觸發(fā)一次@PMCR，讀取功率調(diào)壓器和溫度巡檢儀的寄存器數(shù)據(jù)；第2條為協(xié)議宏調(diào)用指令@PMCR，發(fā)送字和接受字參數(shù)都取0；第3,4條語句中位1534.15是協(xié)議宏狀態(tài)位，A621.01是協(xié)議宏重啟設(shè)置位，當1534.15一直為ON時，說明協(xié)議宏通信堵塞，需要重啟通信。

圖5 協(xié)議宏調(diào)用程序

2.2 加熱控制程序設(shè)計

熱疲勞加載試驗加熱及溫度控制系統(tǒng)要實現(xiàn)連續(xù)性加熱和周期性循環(huán)加熱兩種模式。通過觸摸屏設(shè)置加熱/冷卻時間比，如果加熱/冷卻時間比為0，則啟動連續(xù)性加熱模式；如果加熱/冷卻時間比大于0，則啟動周期性加熱模式。系統(tǒng)運行時，每隔一定的時間(根據(jù)試驗要求調(diào)整)讀取一次測溫值，如果傳感器測得的試驗件蒙皮表面溫度超過設(shè)定上限值，功率調(diào)壓器就斷開傳輸給試驗件所有加熱元件的供電；當其中一個傳感器測得的溫度值低于下限值，將恢復(fù)供電。圖6是系統(tǒng)的控制流程圖。

圖6 控制流程圖

2.3 人機界面設(shè)計

在歐姆龍觸摸屏上應(yīng)用NB-Designer組態(tài)軟件編寫人機界面，使觸摸屏能夠顯示系統(tǒng)的溫度、電壓、電流、功率、故障等信息，同時可以在觸摸屏上輸入加熱切換時間、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)以便及時地向PLC發(fā)送現(xiàn)場指令，根據(jù)現(xiàn)場情況控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖7是觸摸屏的參數(shù)設(shè)置界面。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

在判斷溫度傳感器、加熱元件和導(dǎo)線的損壞情況時需要區(qū)別對待。因為溫度巡檢儀自帶各通道的超量程、斷線斷偶指示等自診斷功能，診斷結(jié)果存儲在設(shè)備存儲器的PSW通道狀態(tài)字中，根據(jù)測溫通道狀態(tài)字的定義，可以直接判斷判定測溫通道(傳感器、導(dǎo)線)的故障情況。加熱狀態(tài)的判斷依據(jù)是通過電流互感器及信號隔離變換器采集A、B兩線的電流，直接判斷A、B相的通斷情況，同時經(jīng)過計算也可以判斷出C相的狀態(tài)。因為在理論上，對于三相星形連接、中性點不接地的對稱負載，某相電阻斷路后：斷路相電流為零，其他兩相負載上的電流減小到原來的0.866倍；某相短路后：短路相負載線電流增至原來的3倍，其他兩相負載上的電流增至原來的1.732倍。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果，斷路電流不能指定為“0”，因為設(shè)備的測量誤差等原因，最終將短路判斷電流設(shè)定為50 mA；短路電流的判斷以短路相電流的1.15倍大于其他兩相的和最為可靠。圖8為加熱電阻的狀態(tài)顯示圖。

3 結(jié)語

以歐姆龍PLC為核心控制器，設(shè)計了一套應(yīng)用于直升機槳葉地面熱疲勞加載試驗的加熱及溫度控制系統(tǒng)，設(shè)

圖8 加熱元件狀態(tài)顯示界面

計中使用的觸摸屏和PLC都具有很強的穩(wěn)定性、安全性，可以適應(yīng)工程現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通信穩(wěn)定可靠、滿足系統(tǒng)時間要求，控制精度較高，操作簡潔，能夠滿足槳葉熱疲勞加載試驗的控制需求。

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[2] 裘亦綱. NASA結(jié)冰研究和防冰技術(shù)發(fā)展[J]. 國際航空,1993,(4):60-62.

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Design of Thermal Fatigue Test Control System for Anti/de-icer Paddles Based on PLC

CHEN Zhi，SUO Junrui，LI Chun，GAO Changshui

(College of Mechanical and Electrical Engineering , Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper designs a heating and temperature control system used in thermal fatigue loading test on the ground for helicopter blades, describes the arrangement of the type and location of the heating element and temperature sensor and the overall design scheme of the system. It also designs the communication program based on protocol macro, the system control program with Omron PLC as the core controller and the human-computer interaction interface. The centralized installation is adopted in this system. It is convenient for use and maintenance. The system runs smoothly and meets the requirements of the test.

helicopter blade; thermal fatigue; test; Anti/de-icer

陳志(1989-)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，研究方向為機械制造及其自動化，機電控制。

TP273

B

1671-5276(2015)05-0180-03

2014-03-12