彭衛(wèi)東，雷陽

某型燃油調(diào)節(jié)器試驗臺測控系統(tǒng)設計

彭衛(wèi)東，雷陽

（中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307）

設計了某型燃油調(diào)節(jié)器試驗臺測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為上位機、PLC為下位機，實現(xiàn)試驗平臺數(shù)據(jù)處理與運行過程的自動控制。上位機試驗監(jiān)控軟件基于LABVIEW開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與顯示等功能，下位機控制軟件基于TIA Portal V14開發(fā)，實現(xiàn)模擬信號采集、油液壓力控制、系統(tǒng)保護等功能，上、下位機通過OPC技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。試驗驗證了測控系統(tǒng)的可行性，試驗平臺可以對燃油調(diào)節(jié)器進行自動重復多次性能測試，測試效率高，監(jiān)控界面良好易于操作，能夠滿足實際使用需求。

燃油調(diào)節(jié)器試驗臺；測控系統(tǒng)；LABVIEW；可編程邏輯控制器；數(shù)據(jù)采集

某型燃油調(diào)節(jié)器作為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的重要組成部分，可以實現(xiàn)燃油的計量和燃油通斷控制，其性能優(yōu)劣決定飛機飛行的安全性和可靠性[1]。對于該型燃油調(diào)節(jié)器國內(nèi)原有的試驗臺采用手動方式調(diào)節(jié)燃油流量、壓力，手動記錄過程數(shù)據(jù)，人為因素高，檢測效率低[2]。因此，為了該型提高燃油調(diào)節(jié)器的測試效率，減少人為因素，提高試驗精度，設計了一套燃油調(diào)節(jié)器試驗臺測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)試驗平臺運行過程的自動控制以及試驗參數(shù)實時采集、顯示、儲存、打印等功能。

1 燃油調(diào)節(jié)器試驗臺

1.1 試驗臺組成與工作原理

燃油調(diào)節(jié)器試驗臺主要由液壓系統(tǒng)、負載模擬系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)三部分組成，液壓系統(tǒng)又由供油系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及滑油系統(tǒng)四部分組成。試驗臺工作原理框圖如圖1所示：啟動滑油系統(tǒng)對被試件（機械密封組件及花鍵）進行潤滑，待潤滑2 min后啟動電機，驅(qū)動被試件運轉(zhuǎn)，同時供油系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)給被試件提供一定溫度和壓力的燃油，負載模擬系統(tǒng)給被試件提供一定的拉壓力，閉環(huán)控制器接收測控系統(tǒng)的指令，給被試件上的執(zhí)行元件提供激勵信號，使執(zhí)行元件打開，回油系統(tǒng)建立被試件的出口壓力，并測量出口流量。

圖1 試驗臺原理框圖

1.2 主要技術參數(shù)

試驗介質(zhì)：3號噴氣燃料（GB 6537－2006）。

介質(zhì)溫度：20～110 ℃，控制精度±3 ℃。

供油壓力：-0.06～1 MPa連續(xù)可調(diào)，控制精度±0.01 MPa。

供油流量：≥6500 L/h。

調(diào)節(jié)器出口壓力：0～12 MPa連續(xù)可調(diào)，控制精度±0.05 MPa。

調(diào)節(jié)器出口流量測量范圍：60～5000 kg/h，測量精度±0.5%。

電機要求：12000 r/min，風冷型，額定輸出功率≤35 kW。

轉(zhuǎn)速控制精度：±2 r/min以內(nèi)。

轉(zhuǎn)向：雙向可控。

1.3 試驗臺功能

1.3.1 試驗臺液壓系統(tǒng)功能

（1）供油系統(tǒng)可以對被試產(chǎn)品進口壓力進行控制。

（2）回油系統(tǒng)能建立被試產(chǎn)品的出口壓力，并測量出口流量。

（3）燃油溫控系統(tǒng)對被試產(chǎn)品的進口燃油溫度進行控制。

（4）自循環(huán)過濾系統(tǒng)過濾油箱內(nèi)燃油。

（5）滑油系統(tǒng)對被試件機械密封組件及花鍵進行潤滑。

1.3.2 試驗臺測控系統(tǒng)功能

（1）對供油壓力、供油溫度、回油壓力、主電機轉(zhuǎn)速進行自動控制。

（2）能夠完成試驗參數(shù)的實時采集、顯示、存儲、打印。

（3）實時監(jiān)控試驗臺運行狀態(tài)，在試驗過程中檢測傳動系統(tǒng)扭矩輸出、振動、溫度、燃油壓力等，并能在數(shù)據(jù)異常時記錄該點狀態(tài)，提供報警信號。

2 測控系統(tǒng)的硬件設計

測控系統(tǒng)是燃油調(diào)節(jié)器試驗臺的重要組成部分，主要由電機傳動系統(tǒng)、控制及保護系統(tǒng)、PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子控制器及上位機五部分組成。

測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件選用NI PXI平臺，主要由PXIe-1071機箱、PXIe-8381高性能遠程控制卡、PXI-6355數(shù)據(jù)采集卡三部分組成。PXIe-1071機箱具有三個混合插槽，每個插槽高達1 GB/s的專用帶寬和3 GB/s的系統(tǒng)帶寬，與PXI、PXI Express、Compact PCI和Compact PCI Express模塊兼容。PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用一塊PXIe-8381遠程控制板卡與上位機系統(tǒng)的PCIe-8381遠程控制卡通過光纖電纜完成數(shù)據(jù)交匯。PXIe-6355模擬量采集通過遠程控制卡傳輸至上位機軟件界面顯示。PXIe-6355數(shù)據(jù)采集卡具備24個可編程數(shù)字量通道，4個模擬量輸出通道，80個單端模擬信號輸入通道，總采樣率達1.25 MS/s。按使用50（實際使用36＋14）個通道計算，單通道采樣率可達25.0 KS/s，滿足單通道采樣率≥20 KS/s的數(shù)據(jù)采集要求。

2.2 電機傳動系統(tǒng)設計

電機傳動系統(tǒng)由電機及其變頻驅(qū)動系統(tǒng)、高速軸承座、潤滑裝置、扭矩儀等元器件組成。系統(tǒng)選用OPDE-V150A-Txx交流伺服驅(qū)動器，具有8個數(shù)字輸入點、4個數(shù)字輸出點、3個模擬量輸入點、2個模擬量輸出點，輸出頻率不小于100 Hz。選用VM-132M-375伺服電機，電機額定功率37.5 kW，最高轉(zhuǎn)速15000 r/min，額定電壓380 V，可以滿足試驗最高轉(zhuǎn)速12000 r/min、額定輸出功率≤35 kW的電機要求。電機傳動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 控制及保護系統(tǒng)設計

控制及保護系統(tǒng)采用西門子S7-1200PLC可編程控制器搭配其模擬量擴展模塊及數(shù)字量擴展模塊，完成對試驗臺液壓系統(tǒng)邏輯動作控制及信號狀態(tài)反饋、負載加載控制以及液壓系統(tǒng)超溫、超壓報警設計。

2.3.1 液壓系統(tǒng)及負載加載控制

液壓系統(tǒng)的邏輯動作控制及狀態(tài)信號反饋均通過西門子S7-1200PLC的數(shù)字I/O通道進行控制，動作控制主要包括油泵電機、各種電動閥門、電加熱器、照明、風扇等。狀態(tài)信號反饋主要包括閥門開關狀態(tài)、油濾堵塞狀態(tài)、油箱液位等。液壓系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示。

負載加載控制由PLC控制器、電磁比例調(diào)壓閥、磁致位移傳感器以及拉壓力傳感器組成。負載加載控制原理圖如圖5所示。

圖3 電機傳動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 液壓系統(tǒng)控制原理圖

圖5 負載加載控制原理圖

2.3.2 液壓系統(tǒng)超溫、超壓報警設計

液壓系統(tǒng)超溫報警原理如圖6所示。液壓系統(tǒng)的超溫報警主要由安裝在液壓系統(tǒng)中需要溫度控制位置的溫度傳感器來檢測溫度是否達到設定的上限來實現(xiàn)。當這些溫度傳感器檢測到該點溫度超過軟件和儀表設定的超溫值時，軟件和儀表就會將發(fā)熱管的加熱電源切斷，起到超溫保護的作用。超溫保護設置了兩路來進行保護，一路是在溫控儀表上設置上限報警并切斷加熱電源，一路是在軟件上檢測到溫度超出設置上限報警并切斷加熱電源，這樣設計可以防止當工控機遇到故障或者死機斷電的情況下系統(tǒng)仍然有安全保護。

液壓系統(tǒng)超壓報警原理如圖7所示。液壓系統(tǒng)的超壓報警主要由安裝在液壓系統(tǒng)管道、油箱等位置的壓力傳感器來檢測液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力是否達到設定的上限來實現(xiàn)，同時這些壓力傳感器還負責液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力的實時檢測和顯示。當壓力傳感器檢測到液壓系統(tǒng)的壓力超過軟件和儀表設定的超壓值時，軟件和儀表就會將報警信號發(fā)送到蜂鳴報警燈，同時關斷相對應的油泵，起到超壓保護的作用。超壓保護設置了兩路來進行保護，一路是在壓力顯示儀表上設置上限報警，一路是在軟件上檢測到壓力超出設置上限報警并關斷相對應的油泵，這樣設計可以防止當工控機遇到故障或者死機斷電的情況下系統(tǒng)仍然有安全保護。

圖6 液壓系統(tǒng)超溫報警原理圖

圖7 液壓系統(tǒng)超壓報警原理圖

2.4 電子控制器及上位機設計

上位機硬件系統(tǒng)由在線式UPS不間斷電源、工業(yè)控制計算機、PCI串口卡、工業(yè)網(wǎng)絡交換機和觸摸顯示器等構(gòu)成。電子控制器由閉環(huán)電子控制器、等效電子控制器、控制盒三部分組成。電子控制器作為下位機及模擬電路系統(tǒng)的重要組成部分，具備自檢功能。通過上位機試驗測試軟件的設置，電子控制器精確給定相應電壓信號、電流信號以及激勵信號輸入給被試件相應的電磁閥、電液伺服閥、LVDT等執(zhí)行元件，并可以精確地測量加載于被試件執(zhí)行機構(gòu)上的驅(qū)動電壓、電流等信號以及執(zhí)行元件的響應信號，并將采集的信號上傳至上位機進行顯示。

3 測控系統(tǒng)的軟件設計

試驗臺測控系統(tǒng)軟件由上位機試驗監(jiān)控軟件和下位機控制軟件兩部分組成。上位機采用LABVIEW軟件對測控系統(tǒng)開發(fā)，主要負責控制參數(shù)的設定和試驗數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲等[3]；下位機控制軟件采用TIA Portal V14開發(fā)，運行于PLC中，用于實現(xiàn)試驗臺液壓系統(tǒng)邏輯動作控制及信號狀態(tài)反饋、負載加載控制以及液壓系統(tǒng)超溫、超壓報警等功能。上位機試驗監(jiān)控軟件與下位機控制軟件之間的數(shù)據(jù)通訊通過NI OPC servers實現(xiàn)[4]。

3.1 下位機控制軟件設計

下位機控制軟件采用TIA Portal V14開發(fā)，運行于PLC中，用于實現(xiàn)試驗臺液壓系統(tǒng)邏輯動作控制及信號狀態(tài)反饋、負載加載控制以及液壓系統(tǒng)超溫、超壓報警等功能。采用西門子工業(yè)自動化領域的新型全集成自動化軟件TIA Portal V14編寫下位機控制程序[5-6]。該程序采用結(jié)構(gòu)化的程序結(jié)構(gòu)，啟動組織塊OB100用于程序中參數(shù)的復位，各功能FC（FC7～FC13）主要實現(xiàn)系統(tǒng)各部分控制功能，循環(huán)組織塊OB1作為主程序，主要用于各FC（FC7～FC13）的分條件調(diào)用，循環(huán)中斷組織塊OB30調(diào)用FC1，實現(xiàn)PLC模擬量采集功能。

3.1.1 模擬量采集

在燃油調(diào)節(jié)器試驗平臺運行過程中，PLC采集的模擬量有燃油油箱液位、電加熱器溫度、燃油油箱溫度、滑油油箱溫度、加載油箱溫度、燃油進口溫度、加載油液壓力、電機轉(zhuǎn)速、燃油進口壓力、燃油油箱壓力、增壓泵出口壓力、軸承座壓力、泵出口壓力以及加載拉壓力。PLC的模擬量擴展模塊采集上述模擬量對應的傳感器輸送過來的電壓或電流信號，轉(zhuǎn)換成PLC能夠處理的數(shù)值，這些數(shù)值再經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成各自對應的工程量。

3.1.2 試驗參數(shù)控制

在燃油調(diào)節(jié)器試驗平臺運行過程中，PLC需要對供油壓力、供油溫度、滑油壓力、加載拉壓力等試驗參數(shù)進行控制，使用西門子PLC內(nèi)部的PID指令對變頻器、電加熱器、電磁比例調(diào)壓閥等執(zhí)行元件進行控制，從而到達給定值與實際測量值相等的目的。

供油壓力控制采用西門子PLC內(nèi)部的PID指令對變頻器進行控制，從而改變油泵電機轉(zhuǎn)速，達到供油壓力給定值與實際測量值相等的目的。壓力變送器把管道的壓力轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號，PLC通過A/D模擬量模塊將壓力變送器傳送來的模擬量轉(zhuǎn)換成能夠處理的數(shù)值，然后，PLC把需要調(diào)節(jié)的數(shù)值通過D/A模塊轉(zhuǎn)換成電壓，電壓作為輸入去控制變頻器的頻率，從而改變油泵電機的轉(zhuǎn)速。

3.1.3 相關措施保護

系統(tǒng)設置兩路急停，一路在面板、一路安裝在工件旁。系統(tǒng)將各傳感器或者是變送器傳送過來的4～20 mA電流信號通過1入2出信號隔離模塊直接接入PLC控制器，當其值超過上位機設定值時，PLC控制器會使某一執(zhí)行元件打開或關閉，從而起到系統(tǒng)自動保護的作用。

3.2 上位機試驗監(jiān)控軟件設計

3.2.1 上位機試驗監(jiān)控軟件功能

（1）實現(xiàn)試驗臺的壓力、位移、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等參數(shù)實時采集、顯示。

（2）通過試驗過程設定系統(tǒng)界面內(nèi)，簡單參數(shù)的設置（如壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)的載荷譜），滿足不同產(chǎn)品試驗要求，具備一定自動化能力。

（3）對試驗臺的燃油進口壓力、滑油壓力、燃油溫度、滑油溫度、主電機轉(zhuǎn)速進行自動控制。

（4）根據(jù)試驗需要，繪制任意試驗參數(shù)隨時間的動態(tài)變化曲線，動態(tài)變化曲線可集于一個動態(tài)曲線圖內(nèi)，也可以根據(jù)需要單獨顯示，并對顯示曲線進行采樣率、幅值的調(diào)整、截屏、X/Y軸調(diào)整、直接打印等功能。

3.2.2 Labview程序設計

采用LABVIEW 2018編寫上位機試驗測試程序，簡稱VI。VI由前面板和程序框圖組成。前面板用于人機交互，而程序框圖則為定義VI功能的圖形源代碼，采用數(shù)據(jù)流的方式將各指令模塊以連線的方式連接，從而完成某一特定功能[7]。LABVIEW在燃油調(diào)節(jié)器試驗平臺中主要用于數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)顯示及儲存、報表打印等。前面板作為人機交互界面，由以下幾部分組成：運行狀態(tài)、試驗參數(shù)設定、急停及故障復位。在系統(tǒng)運行狀態(tài)界面，將顯示系統(tǒng)當前所有元件的運行狀態(tài)，以及系統(tǒng)運行時瞬時的壓力、流量、振動量、轉(zhuǎn)速、扭矩等值。試驗參數(shù)設定界面用于人機交互時手動輸入控制指令。急停及故障復位用于試驗臺的急停操作和某些故障的復位。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集程序設計

數(shù)據(jù)采集程序采用DAQMX函數(shù)，主要包括以下幾部分：創(chuàng)建通道、設置定時、配置TDMS文件、讀取數(shù)據(jù)、任務清除。因為燃油調(diào)節(jié)器試驗臺采集的試驗參數(shù)有38個，每個參數(shù)都有自己一個獨立的物理通道，每個通道采集的電壓量程為0～10 V，所以采用for循環(huán)和數(shù)組，在for循環(huán)中創(chuàng)建一個虛擬通道，在模擬輸入選擇電壓，最大值和最小值設為10 V和0 V，用一維數(shù)組常量表示每個物理通道。然后設置采樣時鐘、采樣模式和采樣率，根據(jù)技術要求將采樣率設為1000，即每秒鐘每個通道采集1000 個數(shù)據(jù)。由于采集的數(shù)據(jù)量比較大，且要求讀取和寫入的速度快，故采用TDMS文件格式進行存儲[8]。然后創(chuàng)建一個While循環(huán)結(jié)構(gòu)和一個事件結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建“DAQmx讀取”VI，在包含多個模擬輸入通道的任務中，讀取多個波形[9]。最后，在While循環(huán)外插入一個“DAQmx清除任務”VI。這樣就能實現(xiàn)多個通道的數(shù)據(jù)采集。

4 試驗

為了驗證本文測控系統(tǒng)的性能，在燃油調(diào)節(jié)器試驗臺上對燃油調(diào)節(jié)器進行出口流量測試，給定試驗轉(zhuǎn)速2650 r/min，將溫度為65℃和壓力為0.155 MPa的燃油通入燃油調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)電液伺服給定電流，測得的燃油調(diào)節(jié)器出口流量變化曲線如圖8所示可以直觀地看出，燃油調(diào)節(jié)器的出口流量與活門的正向行程成正比、與活門的反向行程成反比，并且活門在同一位置的正反兩個行程的流量具有對稱性，活門正向行程最大時，調(diào)節(jié)器出口流量為638.876 kg/h，滿足該試驗下燃油調(diào)節(jié)器出口流量≤650 kg/h的測試要求。

圖8 燃油調(diào)節(jié)器出口流量時間曲線

5 結(jié)論

目前，該試驗臺已應用到某型燃油調(diào)節(jié)器的性能參數(shù)測試中，完成了數(shù)據(jù)采集、處理、存儲以及試驗轉(zhuǎn)速、載荷等參數(shù)控制功能。在試驗臺運行過程中，測控系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了試驗平臺對燃油調(diào)節(jié)器的自動化測試功能，達到了試驗測試精度。

[1]王珂. 航空發(fā)動機燃油調(diào)節(jié)器建模與故障診斷[D]. 遼寧：大連理工大學，2018.

[2]顧菊芬，許衛(wèi)洪，曹應明. PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺設計與實現(xiàn)[J]. 燃油渦輪試驗與研究，2018（31）：50-51.

[3]劉小杰，杜永清，張鶴平. 基于LABVIEW與PLC的燒嘴試驗臺測控系統(tǒng)設計[J]. 火箭推進，2015（6）：109-110.

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Design of Measurement and Control System for a Fuel Regulator Test Bed

PENG Weidong，LEI Yang

(College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China )

The measurement and control system of a fuel regulator test-bed is designed. The system consist of industrial control computer that is taken as the upper computer and PLC that is taken as the lower computer to realize the data processing and automatic control in the operation process of the test platform. The upper computer test monitoring software is developed based on LabVIEW, which realizes the functions of data acquisition, processing and display. The control software of the lower computer is developed based on TIA portal V14, which realizes the function of analog signal acquisition, oil pressure control and system protection. The upper and lower computers realize data transmission through OPC Technology. The test results verify the feasibility of the measurement and control system. The test platform can automatically repeat the performance test of the fuel regulator for many times with high efficiency , and it is easy to operate the monitoring interface, which can meet the actual use requirements.

Fuel regulator test bench；measurement and control system；LABVIEW；PLC；data acquisition

V233.7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.008

1006－0316 (2021) 02－0058－08

2020－07－06

彭衛(wèi)東（1968－），男，四川仁壽縣人，碩士，教授、碩士生導師，主要研究方向為計算機測控、計算機仿真、故障診斷、傳感器技術；雷陽（1994－），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向為機載設備智能檢測與故障診斷，E-mail：2528342253@qq.com。