某試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)液壓系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)及安全控制

楊圣華，郭 云，胡雅玲

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

本文論述的電氣控制系統(tǒng)是為某大型民用客機(jī)預(yù)研課題項(xiàng)目設(shè)計(jì)的。目的是為其燃油系統(tǒng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)（見(jiàn)圖1、圖2）的液壓系統(tǒng)提供各電氣操作和電氣控制，并保證轉(zhuǎn)臺(tái)為模擬飛機(jī)油箱內(nèi)的油面角進(jìn)行俯仰以及橫滾動(dòng)作時(shí)的安全性。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

圖1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)初始狀態(tài)示意圖

圖2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)（雙自由度±20°）示意圖

在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行油面角度的模擬動(dòng)作、剎車(chē)制動(dòng)和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)供油流量的工作過(guò)程中，電氣控制系統(tǒng)需要完成的功能是：

1)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油源運(yùn)行的電氣控制、監(jiān)視和超限報(bào)警。

如圖3所示，可按工作要求完成對(duì)液壓油源中電機(jī)“5”的啟停、比例閥“9”的壓力調(diào)節(jié)控制，對(duì)壓力傳感器“8”、溫度傳感器“3”和液位繼電器“4”的監(jiān)視、以及對(duì)超溫、超壓、油濾堵塞報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)。

2)能夠通過(guò)對(duì)剎車(chē)系統(tǒng)中四個(gè)二位四通電磁換向閥的電氣邏輯控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)松剎和制動(dòng)的功能。

3)能夠通過(guò)對(duì)相應(yīng)電磁閥的通斷控制實(shí)現(xiàn)對(duì)圖1、圖2中所示兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（即伺服液壓缸）的液壓供油和停止供油。

4)能夠完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油流量液壓伺服調(diào)節(jié)路上的供油電磁閥的打開(kāi)和關(guān)閉。

5)具有設(shè)備運(yùn)行安全保護(hù)、防護(hù)和應(yīng)急處理功能。

圖3 液壓油源原理簡(jiǎn)圖

1.2 總體布局

鑒于操作人員的工作范圍包括安裝液壓油源的泵間，以及遠(yuǎn)離泵間的電氣測(cè)控間，同時(shí)，考慮到工作效率和安全，所以在總體布局上，將整個(gè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制兩種控制模式，相應(yīng)地規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)控制權(quán)限和遠(yuǎn)程控制權(quán)限，避免兩處同時(shí)操作互相干擾而影響試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的工作和安全。為此，具體設(shè)計(jì)時(shí)，在油源泵間和測(cè)控間分別設(shè)置了“現(xiàn)場(chǎng)電控柜”和 “遠(yuǎn)程控制柜”，并在 “現(xiàn)場(chǎng)電控柜”的電氣操作面板上布置了切換開(kāi)關(guān)，以限定控制模式的選擇。

另一方面，由于要完成的系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，不僅有單純的電磁閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作、電磁閥的邏輯控制關(guān)系，而且其中還穿插著各種報(bào)警信號(hào)的采集、接收和處理，并可能涉及到一些功能的修改和改進(jìn)，所以選擇以PLC為核心進(jìn)行硬件和軟件相結(jié)合的電氣設(shè)計(jì)方式。

至于各種參數(shù)信號(hào)（如壓力、溫度、液位）的采集和顯示，采取使用相應(yīng)的各類(lèi)傳感器（標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號(hào)）與數(shù)字顯示儀表聯(lián)合工作的方式予以解決。

通過(guò)設(shè)置數(shù)字顯示儀表的報(bào)警值和直接使用機(jī)械觸點(diǎn) （如液位繼電器），發(fā)出信號(hào)到PLC進(jìn)行處理，并向外驅(qū)動(dòng)報(bào)警，指示燈閃爍，從而實(shí)現(xiàn)各種報(bào)警功能。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 原理設(shè)計(jì)

按總體設(shè)計(jì)布局的思路，設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示，使用的PLC各端口對(duì)應(yīng)的輸入元件及圖中未示的輸出元件名稱(chēng)見(jiàn)表1。操作人員在油源泵間的操作以及控制均在 “現(xiàn)場(chǎng)電控柜”操作面板（界面見(jiàn)圖5）上完成，而在測(cè)控間進(jìn)行的操作以及控制則在“遠(yuǎn)程控制柜”操作面板（界面見(jiàn)圖6）上完成。

表1 圖4中PLC各端口對(duì)應(yīng)的輸入元件及未示的輸出元件名稱(chēng)

圖4 電氣控制系統(tǒng)原理

圖5 “現(xiàn)場(chǎng)電控柜”操作面板

圖6 “遠(yuǎn)程控制柜”操作面板

在具體設(shè)計(jì)中，為了排除與遠(yuǎn)程測(cè)控間的其他系統(tǒng)、各儀器儀表、各數(shù)據(jù)板卡的信號(hào)相互干擾，將PLC安裝在泵間的現(xiàn)場(chǎng)電控柜內(nèi)。整個(gè)電氣系統(tǒng)的總電源線 （三相四線制）由廠房配電箱接入現(xiàn)場(chǎng)電控柜內(nèi)后，分為兩部分。一部分按380V給圖3中功率為45kW的電機(jī)“5”供電，并通過(guò)PLC程序發(fā)出控制信號(hào)給各繼電器組動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電機(jī)的星三角轉(zhuǎn)換啟動(dòng)；另一部分進(jìn)線接成220V，為24V電源模塊和PLC供電，并為電機(jī)啟動(dòng)用的各繼電器的線圈提供220V下的驅(qū)動(dòng)電流。其中24V電源模塊的作用是為各數(shù)字顯示儀表和各傳感器供電，為圖3中比例溢流閥 “9”的放大器提供控制電壓，為PLC各輸出端口 （包括各指示燈、中間繼電器線圈）和液壓系統(tǒng)中各電磁換向閥的線圈供電。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)電控柜

對(duì)應(yīng)圖5中操作面板，現(xiàn)場(chǎng)電控柜完成的電氣功能及原理是：

1）“現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程切換”：按實(shí)際工作需要，通過(guò)切換該按鈕，PLC掃描對(duì)應(yīng)的輸入端信號(hào)（圖4中X04）并完成程序判斷后，輸出連接KM014線圈的端口狀態(tài)（圖4中Y15），從而選擇KM014常開(kāi)（連接遠(yuǎn)程調(diào)壓電阻）或常閉（連接現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓電阻）觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分配操作權(quán)限。只有得到相應(yīng)的權(quán)限，才能對(duì)圖3中“9”的比例放大器進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出口調(diào)壓。除此之外，PLC完成權(quán)限判定后，對(duì)非權(quán)限操作的一方動(dòng)作功能全部予以失效，但指示和報(bào)警功能仍然予以保留。

以下的邏輯判斷和邏輯控制都通過(guò)PLC程序完成，不再詳述。

2）“主電機(jī)啟動(dòng)”：完成圖3中45kW異步電機(jī)“5”降壓?jiǎn)?dòng)。對(duì)應(yīng)圖4中：KM2先接通，電機(jī)星型接法，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，然后斷開(kāi)，隨之KM3接通，電機(jī)變?yōu)槿墙臃?，完成異步電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)。啟動(dòng)完成后帶面板指示燈顯示。完成啟動(dòng)后2秒，“調(diào)壓信號(hào)”指示燈點(diǎn)亮，指示人員方能進(jìn)行油源調(diào)壓操作。

3） “主電機(jī)停止”：45kW異步電機(jī)“5”停止（對(duì)應(yīng)圖4中KM1斷開(kāi)）。

4）“壓力調(diào)節(jié)”：現(xiàn)場(chǎng)有權(quán)限時(shí)，并且“調(diào)壓信號(hào)”指示燈點(diǎn)亮后，操作該旋轉(zhuǎn)按鈕進(jìn)行系統(tǒng)輸出壓力的調(diào)節(jié)。

5）“緊急卸荷”:緊急情況下的處理，按下后轉(zhuǎn)臺(tái)完成緊急剎車(chē)（見(jiàn)“關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)”）、電機(jī)停止，卸荷閥卸荷，相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮，并且其為自鎖按鈕，排除故障后再次按壓后才能解除緊急卸荷狀態(tài)。

6） “系統(tǒng)出口壓力”、“俯仰鎖緊缸壓力”、“橫滾鎖緊缸壓力”、“油溫”數(shù)顯表：分別顯示系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)壓力、鎖緊缸壓力（見(jiàn)“關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)”）、油箱內(nèi)液壓油溫度。

7） 告警指示燈， 包括 “超溫”、“超壓”、“缺油”、“回油濾”、“油濾”，起故障或非正常工作報(bào)警作用，信號(hào)分別來(lái)源于圖3中的“3”、“8”、“4”、“11”、“6”。

2.3 遠(yuǎn)程控制柜

遠(yuǎn)程控制柜布置在測(cè)控間，為工作方便與控制系統(tǒng)的控制臺(tái)集成在1個(gè)柜子上。對(duì)應(yīng)圖6中操作面板，其完成的電氣功能及原理是：

1） “俯仰控制”中“供油開(kāi)”：完成圖1、圖2中對(duì)應(yīng)俯仰方向伺服液壓缸的電磁換向閥的打開(kāi)，即圖4中線圈KM21.2得電，使得油源過(guò)來(lái)的壓力進(jìn)入伺服液壓缸，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰運(yùn)動(dòng)。反之“供油關(guān)”即線圈KM21.2失電，電磁換向閥的關(guān)閉，切斷來(lái)自油源的壓力。

2） “橫滾控制”中“供油開(kāi)”：與“俯仰控制”同理，圖4中線圈KM21.1得電，油源過(guò)來(lái)的壓力通過(guò)該方向打開(kāi)的電磁換向閥進(jìn)入橫滾方向伺服液壓缸，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)橫滾運(yùn)動(dòng)。反之“供油關(guān)”，線圈KM21.1失電，切斷油源該方向供油。

以上即完成了1.1中3）的電氣功能。

3）“調(diào)節(jié)閥供油”：圖4中線圈KM21得電，完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油流量液壓伺服調(diào)節(jié)路上的供油電磁閥的打開(kāi)。KM21失電即電磁閥關(guān)閉，對(duì)調(diào)節(jié)閥停止供油。從而完成了1.1中4）要求的電氣功能。

4） “俯仰控制”中“松剎”和“剎車(chē)”，“橫滾控制”中“松剎”和“剎車(chē)”：分別完成對(duì)對(duì)俯仰方向和橫滾方向的松剎或剎車(chē)操作，詳細(xì)原理和功能見(jiàn)“關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)”。

為安全需要，以上1）～4）中內(nèi)容僅遠(yuǎn)程操作時(shí)才具有操作權(quán)限。

5）其余按鈕和儀表的布置及功能與現(xiàn)場(chǎng)電控柜上相同。

2.4 關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)臺(tái)體量大，工作時(shí)需要松剎，停止工作或緊急情況下又要求剎車(chē)，所以轉(zhuǎn)臺(tái)這部分電氣設(shè)計(jì)上關(guān)鍵的是轉(zhuǎn)臺(tái)松剎和剎車(chē)的邏輯控制，其必須分為正常松剎、正常剎車(chē)，應(yīng)急剎車(chē)，還必須具有斷電自動(dòng)剎車(chē)功能，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)松剎、剎車(chē)邏輯控制液壓原理圖7，從系統(tǒng)工作原理上了解到：俯仰方向正常剎車(chē)時(shí)：要求電磁閥“8”、“7”斷電關(guān)閉，此時(shí)液壓油P進(jìn)入俯仰方向制動(dòng)剎車(chē)缸的通路被切斷，并且制動(dòng)剎車(chē)缸內(nèi)液壓油通過(guò)T口卸壓，剎車(chē)缸內(nèi)抱剎彈簧由于失去液壓力的作用而收縮，并作用于俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞桿上對(duì)其進(jìn)行鎖緊，實(shí)現(xiàn)該方向的剎車(chē)；俯仰方向正常松剎時(shí)：要求電磁閥“8”得電、“7”保持?jǐn)嚯?，使液壓油進(jìn)入制動(dòng)剎車(chē)缸，頂開(kāi)作用在活塞桿上的彈簧實(shí)現(xiàn)松剎。橫滾方向正常剎車(chē)時(shí)：要求電磁閥“5”、“6”斷電；橫滾方向正常松剎時(shí)：要求電磁閥“6”得電、“5”斷電。緊急卸荷情況下：要求電磁閥“5”、“7”得電， “6”、“8”失電；出現(xiàn)廠房斷電情況時(shí)，由于電磁閥“5”、“7”、 “6”、“8”均失電，從圖7中可以看出整個(gè)液壓供油也被切斷，轉(zhuǎn)臺(tái)同樣馬上處于剎車(chē)狀態(tài)。

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)松剎、剎車(chē)邏輯控制液壓原理圖

由此分析，整個(gè)過(guò)程實(shí)際上就是準(zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)臺(tái)松剎、制動(dòng)的四個(gè)二位四通電磁換向閥“5”、“6”、“7”、“8”的通電和斷電的一個(gè)電氣邏輯控制。由此設(shè)計(jì)的PLC松剎和剎車(chē)程序如下，見(jiàn)圖8。

圖8 轉(zhuǎn)臺(tái)松剎、制動(dòng)梯形圖

3 安全設(shè)計(jì)

在整個(gè)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用硬件和軟件相結(jié)合的方式來(lái)最大限度地保證轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的安全性，以下依次說(shuō)明。

1）采取了權(quán)限切換的控制模式。

不論是現(xiàn)場(chǎng)人員還是遠(yuǎn)程人員進(jìn)行操作，首先必須確認(rèn)和取得相應(yīng)的權(quán)限，以防止另一方的誤動(dòng)作導(dǎo)致的操作失控。另外在PLC的軟件內(nèi)寫(xiě)入權(quán)限語(yǔ)句，例如判斷為現(xiàn)場(chǎng)權(quán)限，則對(duì)應(yīng)為遠(yuǎn)程上的所有功能按鈕的輸入端口和輸出端口均不處理和發(fā)出信號(hào)，反之亦然。

2）停止電機(jī)沒(méi)有權(quán)限局限。

由于電氣系統(tǒng)控制的液壓泵站的動(dòng)力源實(shí)際上就是電機(jī)輸出的功率，為防止異常情況發(fā)生后，無(wú)權(quán)限的一方也有最終處理功能，設(shè)計(jì)上認(rèn)定不論權(quán)限是在哪方，現(xiàn)場(chǎng)電控柜還是遠(yuǎn)程控制柜上的電機(jī)停止按鈕均有效。

3)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程操作面板上均布置有告警和指示燈顯示功能。

系統(tǒng)上過(guò)來(lái)的告警信號(hào)和按鈕動(dòng)作后的指示燈顯示功能在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程面板上各布置一套，這樣無(wú)操作權(quán)限的一方也可以進(jìn)行監(jiān)視。

告警信號(hào)包括缺油報(bào)警、油濾堵塞報(bào)警和超壓報(bào)警，全部進(jìn)入PLC相應(yīng)端口進(jìn)行處理，并發(fā)送到相應(yīng)的指示燈予以閃爍報(bào)警。

4）具有一鍵式緊急卸荷功能。

現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程操作面板上都布置緊急卸荷按鈕，并且不分權(quán)限，一旦有緊急情況發(fā)生按下按鈕后，電機(jī)自動(dòng)停止、卸荷閥通電卸荷、并完成圖8中緊急剎車(chē)功能。

5)具有松剎監(jiān)視功能。

見(jiàn)圖7，松剎命令發(fā)出后，經(jīng)過(guò)減壓閥“1”減壓進(jìn)入剎車(chē)缸內(nèi)的壓力達(dá)到10MPa以后，剎車(chē)裝置才能完全松開(kāi)，電氣設(shè)計(jì)上在剎車(chē)缸上布置有壓力傳感器“11”，“12”，并在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的操作面板上均布置有數(shù)字顯示表，監(jiān)控松剎壓力是否達(dá)到。因?yàn)樵谒蓜x未到位的情況下強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷很大甚至造成破壞。

6)電氣成件選型上保證安全。

PLC輸出端口選擇24V輸出型，系統(tǒng)中各換向電磁閥選擇24V工作電源，最大限度地保證了設(shè)備操作人員的安全。

7)在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進(jìn)行安全防護(hù)。

在液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，采取雙重保護(hù)，如連接安全閥的管路上布置壓力繼電器，設(shè)置相應(yīng)的安全壓力值，并且與PLC“外界緊急信號(hào)觸點(diǎn)”對(duì)應(yīng)端口X20相連，一旦該處超壓，PLC即按緊急卸荷處理。

8)具有完整的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能。

對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)超壓、超溫、缺油、油濾堵塞的情況立即予以報(bào)警。

4 結(jié)論

在已經(jīng)完成的某民機(jī)型號(hào)的各項(xiàng)試驗(yàn)中，該電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)用結(jié)果表明，其不僅能夠滿足設(shè)備運(yùn)行時(shí)各正常功能的需要，而且在緊急和故障情況下也能夠保證設(shè)備和人員的安全性。

[1]姚佩陽(yáng).自動(dòng)控制原理.北京：清華大學(xué)出版社,2005，3.

[2]郭艷萍.電氣控制與PLC技術(shù).北京：北京師范大學(xué)出版社,2007，2.

[3]秦紅磊.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)-硬件及軟件技術(shù).北京：高等教育出版社,2007，10.