某型航空发动机台架控制系统设计研究

许伟鸽，孙朝辉

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

传统的台架控制在形式上主要采用按钮、旋钮等发布命令实现对发动机状态的控制，同时通过模拟仪表对发动机状态进行显示。虽然具有可靠性高、成本低、操作简便等特点，但随着自动控制技术的发展，其局限性也越来越明显。仪表的大量增加、模拟仪表屏的不断增大等使得传统的控制方式很难集中显示和操作[1]。基于PLC的可编程控制系统省去了很多硬接线的步骤、易扩展和改造，大大简化了控制系统的结构；各种工艺参数的设定、实时数据显示、故障报警等都可在屏幕上直接操作，人机交互功能强大；可靠性高、抗干扰能力强；编程方便、现场更改程序简单易行，实现了1套控制程序应用于多型号试车，使发动机整机试车在自动控制方面又向前迈进了一大步[2]。

本文从发动机电气系统和试车监控系统2个方面对台架控制系统进行介绍。台架电气系统在硬件方面充分考虑了多机种试车的需求；试车监控系统基于PLC进行程序的编制和人机交互界面的制作。考虑到与硬件的兼容，操纵系统界面可根据发动机型号进行一键切换，来实时满足试车需求。

1 发动机台架控制系统

针对某型航空发动机地面试车台，采用可编程逻辑控制器（PLC）为硬件基础，选用分布式I/O的控制方式，构建了地面台架控制系统。以发动机控制系统作为全台控制系统的主站，通过Profibus-DP总线与其他型号发动机进行通信，主站采用西门子300系列CPU，可以外带32个子站。台架电气系统如需做机种扩展，可以根据改造要求，直接在主站的基础上扩展子站。上位机监控系统利用PLC的联网通信功能实现PLC与上位机之间的信息交换，其监控界面通过组态软件WinCC（Windows Control Center）制作完成，并利用屏幕鼠标的方式远程控制现场执行机构动作。各种型号发动机的监控界面可以实时切换，为多机种试车做好准备。整个控制系统的结构如图1所示[3-4]。

图1 台架控制系统构成

2 发动机台架电气系统

2.1 设计原则和依据

依据该型号发动机电气系统原理图，完成其台架电缆及控制柜的配线。其设计充分考虑了该型号各机种的相似性，在设计初期将该系列机种的全部线路做了归纳整理，根据各机种的特性与相似性分别整合，使得该系列全部机种的线路在1个控制柜内复用，既节省控制柜又保证了信号的兼容性和可靠性。

2.2 设计方案

（1）采用上位机集中控制及监视发动机状态。起动箱和控制器的外部输入信号由PLC控制，指示信号进入PLC采集，上位机读取PLC内部地址即可完成对控制器报警信号的监视，并在上位机监控软件上显示。

（2）利用PLC地址可以灵活配置的特性，方便台架改造与在研型号发动机试车台电气系统的更改。

（3）上位机软件通过组态软件WinCC制作完成，除在主操纵台面上保留必要的按钮（如起动、停车）外，发动机电气功能性检查开关由上位机监控软件实现[5]。

2.3 台架发动机电缆及控制柜

由于该系列发动机目前处于研制设计阶段，发动机电气系统随着研制需要做相应改动在所难免，因此采用控制柜做1次转接，不仅方便线路的检查，而且为以后线路的临时更改及功能性检查奠定了基础。

为保证台架信号稳定可靠，满足调节器电气接口特性要求，根据发动机台架改装技术要求，台架发动机电缆通过控制柜1次转接至起动箱、调节器、操纵台面及数采系统，尽量减少电缆转接环节[6-7]。

3 发动机试车监控系统

试车台上位机监控系统基于组态软件主要采用分布式控制方式，将控制部分分散，高度集中于显示操作部分，并且利用计算机、控制、通信和自动化等技术实现对发动机试车的全程监控。该系统组态灵活，通用性强，稳定性好，并适用于各领域。

3.1 系统设计原则

该系统以Wincc组态软件为开发平台，在考虑最大限度满足被控对象要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维护方便；同时考虑到整套系统后续的改进与扩展，在选择PLC容量时留有一定余量。

3.2 设计思路

发动机试车监控系统的设计思路采用分布式控制的方式，如图1所示。发动机控制系统作为全台控制系统的主站，与上位机通过TCP/IP网络进行通信，主站与相应子站之间通过Profibus-DP总线通信，实现数据的实时传输与交互。

3.3 PLC工作原理

当PLC正常运行，即PLC的CPU运行指示灯处于绿灯无闪烁状态时，PLC投入工作。PLC的工作方式是循环扫描，工作过程依次为自诊断、通讯处理、扫描输入、执行程序、刷新输出[8]。

（1）诊断PLC电源内部电路的工作状态及编程中的语法错误。

（2）用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并将输入映象存入寄存器或数据寄存器中。

（3）运行时，按用户程序存储器中存放的先后顺序读取指令，经编译解释后根据指令完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据并更新输出映象寄存器的内容。

（4）将存于数据寄存器的数据处理结果和输出映象寄存器的内容送至输出电路。

（5）按系统程序赋予的功能接受并存储从编程器输入的用户程序和数据，以及相应各种外部设备的工作请求[9-10]。

3.4 STE7程序应用

STEP7程序是用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序的在线监视。

发动机试车监控系统PLC控制程序应用STEP7编程软件编制完成，采用顺序控制的思想，以梯形图的形式实现。

（1）硬件组态

硬件组态是在组态表中指定控制方案所要使用的模块，包括CPU、通讯模块、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块等。按照控制柜中实际所用模块的型号、订货号等在STEP7中组态出与硬件一样的组态软件。硬件组态完成后进行网络组态与通讯连接，将硬件组态通过组态好的网络下载到CPU中。

（2）程序的编制

程序的编写采用了结构化编程的思想，按照发动机电气系统原理要求对相关的控制信号进行编程。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近。在开关量控制方面，只用少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，完成逻辑控制与顺序控制；在模拟量控制方面，许多连续变化的量，如温度、压力、流量等，均可以通过调用STEP7中的A/D与D/A转换指令实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。PLC产品配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制[11]。

3.5 人机交互界面

基于组态软件的测控系统提供了1套极为丰富的画面显示功能和强有力的控制方式，使操作人员在进行控制的同时能及时、全面地了解试验工况。通过对系统报警信号、虚拟仪表、控制滑块、汉字显示等画面的简单操作，可实时观察系统运行的各种参数状态。

采用Wincc组态软件实现人机界面。Wincc在用于操作和监视的SIMATIC HMI产品范围内，是1种按照价格和性能分级、能高效控制自动化过程的过程可视化系统，可方便地与用户程序组合在一起使用，建立人机界面，精确地满足实际需要。发动机系统控制界面如图2、3所示。

图2 发动机电气操纵界面

图3 发动机状态指示信号

3.6 通讯过程

为了将上位机采集到的数据实时传输给服务器并进行存储与分析，采用Visual Basic语言编写了上位机与服务器的通讯程序来实现数据的实时交互。该程序通过Winsock的方式传输数据，并由OPC实时传递给WinCC监控画面，且能自动监听Winsock的连接状态。如果连接断开，立刻重新与服务器数据接收程序进行连接，具备了保证试验数据不丢失、不出错的特点[12]。

4 结论

（1）该系统采用PLC技术进行试验过程中相关参数的采集与监视。控制柜内线路布局清晰，日常使用及维护方便；转换机种试车时，有效地减少了发动机试验前的准备时间，满足多机种试车的需求。

（2）采用上位机监控软件对发动机信号进行显示和控制，取代了原有操纵台面板上大量开关、按钮及指示灯的状况，节省了台架资源，简化了控制方式。

（3）该系统在某型号航空发动机地面台架试验中得到实际应用，台架发动机电缆传输信号稳定可靠，上位机监控系统可操控性灵活实用，实时地监视了发动机试车过程中各信号的变化状态。在工程上完全满足实际需求，具有广泛地应用价值。

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