飞机液冷车阀门自动控制系统设计∗

李 旭 雷金果 张永亮

（空军勤务学院 航空四站系 徐州 221000）

飞机液冷车阀门自动控制系统设计∗

李 旭 雷金果 张永亮

（空军勤务学院 航空四站系 徐州 221000）

论文针对飞机液冷车阀门多，操作繁琐，易出错等问题，利用可编程逻辑控制器（PLC）、触摸屏、传感器、正反转电动机等设备以及V4.0 STEP 7Micro/WINSP9等软件，研发飞机液冷车阀门自动控制系统。该系统主要针对飞机液冷车个工作流程（内循环、外循环、供液、回液和补液等）的阀门控制进行自动化设计，并提供触摸屏操作界面，满足人机交互功能。

液冷车；阀门；自动控制；PLC

ClassNum ber TP271+.3

1 引言

飞机液冷车（以下简称液冷车）的作用是在飞机液冷系统停止工作的状态下，通过飞机液冷系统地面保障专用接口，将液冷车上一定温度和流量的液体送到飞机任务发射系统冷板进行散热降温（或加温）循环，以控制电子设备的工作环境温度，保证其正常工作，延长任务系统电子设备的工作寿命［1］。

然而，液冷车上阀门众多［2］，操作繁琐，一旦出现操作失误，极易损坏设备。因此，本文设计研发飞机液冷车阀门自动控制系统，以防止操作失误产生的设备损伤，提升飞机液冷车保障的质量与效率。

2 系统设计思路

飞机液冷车阀门自动控制系统的设计分为两大部分——硬件系统的设计和软件系统的设计［3］。其中，硬件系统的主要职能是提供整个系统运行的物理支持，主要配备有正反转电动机、西门子公司生产的小型PLC S7-200及相应扩展模块（由于液冷车所需控制的阀门数量并不大，为了经济方便，采用小型PLC并加入扩展模块，这里也可采用其它种类的PLC）、触摸屏、传感器等硬件。软件系统作为系统工作的大脑［4］，需要利用上位PC机对其预先进行编程并传入指挥控制中枢PLC当中［5］，工作时，软件系统根据触摸屏选择的流程，转化为数字信号，进行识别、处理，在处理过后将控制信号输出，控制相应的电动机启闭。软件系统的程序利用上位PC机上的V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9软件编写，该软件由西门子公司研发，专门用于编写S7-200的PLC程序，且操作简单、方便［6］。系统设计的结构图如图1所示。

图1 系统设计结构图

系统的具体工作流程如下：操作人员根据飞机保障需求选择液冷车不同的工作流程（内循环、外循环、供液、回液和补液等）［7］，操作人员的选择在触摸屏上完成，触摸屏上的软件系统由上位PC机开发、上传，操作人员选择完工作流程之后，选择的信号传输到S7-200的CPU当中，由CPU完成处理，之后控制信号通过输出接口传给正反转电动机，并由电动机工作开启（或关闭）相对应的液冷车阀门。传感器则负责感应阀门的通/断情况，并在通/断情况与要求不符时，报警并在触摸屏上显示。系统工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程图

3 硬件系统设计

3.1 硬件系统设计思路

系统的设计目标是开发出能够根据用户需要自动辨别液冷车内阀门通断需求，并根据需要启闭阀门的自动控制系统。为了简化设计流程，将系统的设计目标（也可当作需实现的功能）分成以下几个方面。

1）人机界面功能。系统必须能够具备使用户能够进行与系统进行实时交互的硬件设备，如触摸屏。因为系统需要用户提前给出指令，以使其能够根据指令对液冷车内的各个阀门进行开启、关闭或者保持原状态的操作，因此人机交互功能是系统需实现的第一项功能。

2）在第一项功能（即人机交互功能）结束后，系统需对接受到的信号进行翻译、分析，判别液冷车内各个阀门的通/断需求，并将需求以信号的形式发送给正反转电动机［8］，这即是硬件系统所需满足的第二项功能。

3）系统的第二项功能完成后，即已经判别液冷车内各个阀门的通/断需求，并将信号发送给电动机后，各个阀门上的电动机即根据指令要求将相对应的阀门开启、关闭或保持原状。所以，系统第三项功能为根据信号要求将相应阀门启闭或保持原状。

4）除了上述功能外，为了防止因电动机故障或其它原因造成阀门通/断情况与设定不符，还需传感器感应阀门通/断状况，并将实时状况反应在人机交互界面上以防止液冷车内液冷系统运行时由阀门通/断情况造成的液冷系统损坏。这是系统的第四项功能，即传感器实时监控功能。

由以上对阀门自动控制系统的功能剖析，并根据飞机液冷车功能设置与结构特性［9］，设计飞机液冷车阀门自动控制系统的原理流程，如图3所示。

飞机液冷车阀门自动控制系统主要由三大部分组成，分别为信号“输入部分”、“处理部分”、“输出部分”。三部分主要单元部件如下：

1）“输入部分”：触摸屏、传感器等。

2）“处理部分”：S7-200型PLC等。

3）“输出部分”：正反转电动机、触摸屏等。

其中，上位机PC只在对PLC进行编程或者对PLC已存储的数据进行传输、处理时使用，其余时间不使用，不与PLC连接［10］。

图3 飞机液冷车阀门自动控制系统原理流程图

3.2 硬件系统配件功能

根据以上设计思路，分配硬件系统各配件的功能如下：

1）上位PC机：编写程序

利用PC机编写PLC控制程序，使得在需要的时候控制电动机对阀门进行通/断控制。

2）电动机正反转：控制阀门开闭

通过PLC当需要电动机正（或反）转时给电动机一个触发信号，使其能够正（反）转。

3）传感器：监测阀门通断

通过传感器的监测，可知晓阀门是否按要求开启或关闭。

4）触摸屏：人机交互

通过PC机编写工程文件，并利用触摸屏，实现人机交互功能，操作员通过触摸屏选择需要流程（外循环、内循环、回液、供液、补液）的阀门控制。

4 软件系统设计

4.1 PLC主程序设计

为实现飞机液冷车阀门的自动控制要求，满足飞机使用要求和体现技术先进性，控制系统的设计，除了必需的硬件系统（PLC、传感器、正反电动机、触摸屏）外，还需要软件系统的支持。软件系统设计中将应用V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9等软件技术，编写PLC控制程序，实现阀门的自动化控制。软件系统工作的流程图和单个阀门控制程序截图分别如图4和图5所示。首先，利用触摸屏选择工作流程（外循环、内循环、回液、供液、补液），并将选择的流程输入到PLC中，同时传感器收集各阀门的通/断情况，并将信息输入PLC，PLC判断阀门实际通/断情况是否与要求一致，如果一致则停止程序；如果不一致则启动电动机转动阀门使其与要求一致。

图4 软件系统工作流程图

针对液冷车阀门多，工作流程要求的控制效果（即各阀门的通断）不一的问题，采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP9软件中的配方功能［11］，可选择不同的程序控制不同流程下阀门的通断。PLC程序阀门控制配方截图和外循环配方使用梯形图分别如图6和图7所示。

图5 单个阀门控制程序截图

图6 PLC程序阀门控制配方截图

图7 外循环配方使用梯形图

4.2 人机交互界面的设计

上述PLC程序是软件系统实现自动控制阀门的主要手段，但在该功能实现之前还需要人工输入具体的工作流程［12］，在流程输入之后，PLC才能根据流程判别各阀门通/断需求，才能组织下一步工作。人机交互界面如图8所示。

在该界面中，V1～V12分别代表着相应的阀门。通/断情况一栏反映了各阀门的实时通/断情况，且当阀门实时通/断情况与已选择的工作流程要求相符的时候，在该栏相应位置，应显示绿色黑体中文的“通”或“断”字（具体将根据阀门实际情况显示）；如果不符合时，则在相应位置，显示红色黑体中文的“通”或“断”字（具体将根据阀门实际情况显示），此时，操作员可根据需要将飞机液冷车停机，并检查阀门、传感器或其它控制系统的硬件是否损坏，能否继续工作。

图8 人机交互界面图

5 结语

本文针对飞机液冷车阀门多，操作繁琐，易出错等问题，利用可编程逻辑控制器（PLC）、触摸屏、传感器、正反转电动机等设备以及V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9等软件，设计了飞机液冷车阀门自动控制系统。系统主要针对飞机液冷车个工作流程（内循环、外循环、供液、回液和补液等）的阀门控制进行自动化设计，并提供触摸屏操作界面，可以满足人机交互功能。虽然本系统对正反转电动机的灵敏度和响应速度要求较高，但是，总体来说，它提高了阀门控制的自动化和智能化水平，能够大大缩短操作人员学习、熟练操作飞机液冷车的时间，提高了飞机的保障效率。

［1］张科，周志刚，吴兆林.飞机地面加液冷却车的应用与发展［J］.流体机械，2009，37（12）：80-84.

［2］许华，赵爱华，陈远波，等.飞机地面液体冷却车研制报告［R］.济南：空军济南四站厂，2004.

［3］苏建林，韩震宇，陈涛.智能电动阀门控制器的设计与实现［J］.电子测试，2008，9（9）：66-70.

［4］黄进.电气装备的计算机控制技术［M］.杭州：浙江大学出版社，2004.

［5］李方园，杨帆.西门子S7 PLC应用简明教程［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［6］黄义定，王卓，张宇等.PLC原理与设计应用（西门子S7-200）［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［7］唐华杰，吴兆林，周志刚.飞机地面空调车和军用飞机地面液体冷却车的应用和发展［J］.流体机械，2006，34（2）：72-75.

［8］刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用［M］.北京：国防科技大学出版社，2002.

［9］胡连桃，周俊.四站保障学［M］.徐州：空军勤务学院出版社，2013.

［10］咸庆信，类延法.PLC技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［11］武自才，郭万军.多转式智能阀门电动执行机构控制系统设计［J］.阀门，2007（1）：25-28.

［12］国防科学技术工业委员会.GJB1132-91：飞机地面保障设备通用规范［S］.北京：中国标准出版社，1991.

Design of the Autom atic Control System of Valve in Aircraft Liquid Cooling Vehicles

LIXu LEIJinguo ZHANG Yongliang
（Departmentof Aviation Four Stations，Air force Logistics College，Xuzhou 221000）

To dealwith the problems，such as complex and mistakable operations，caused by the heavy number of valves in the aircraft liquid cooling vehicle，an automatic control system based on equipments as PLC，a touch screen，a reversible electric servomotor and a software as V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9 is designed.This system can control valves in each workflow（inside-circle，outside-circle，supply，recycle，supplement of coolant）of vehicles.Also，it provideswith a touch-screen panel tomeet the function ofhuman-computer interaction.

liquid cooling vehicle，valve，automatic control，PLC

TP271+.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.008

2017年3月7日，

2017年4月23日

李旭，男，硕士研究生，研究方向：航空四站保障技术与信息化。雷金国，男，教授，研究方向：航空四站保障技术。张永亮，男，硕士，讲师，研究方向：航空四站保障技术与信息化。