飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)設計?

李 旭 雷金果 張永亮

（空軍勤務學院 航空四站系 徐州 221000）

飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)設計?

李 旭 雷金果 張永亮

（空軍勤務學院 航空四站系 徐州 221000）

論文針對飛機液冷車閥門多，操作繁瑣，易出錯等問題，利用可編程邏輯控制器（PLC）、觸摸屏、傳感器、正反轉電動機等設備以及V4.0 STEP 7Micro/WINSP9等軟件，研發(fā)飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對飛機液冷車個工作流程（內循環(huán)、外循環(huán)、供液、回液和補液等）的閥門控制進行自動化設計，并提供觸摸屏操作界面，滿足人機交互功能。

液冷車；閥門；自動控制；PLC

ClassNum ber TP271+.3

1 引言

飛機液冷車（以下簡稱液冷車）的作用是在飛機液冷系統(tǒng)停止工作的狀態(tài)下，通過飛機液冷系統(tǒng)地面保障專用接口，將液冷車上一定溫度和流量的液體送到飛機任務發(fā)射系統(tǒng)冷板進行散熱降溫（或加溫）循環(huán)，以控制電子設備的工作環(huán)境溫度，保證其正常工作，延長任務系統(tǒng)電子設備的工作壽命［1］。

然而，液冷車上閥門眾多［2］，操作繁瑣，一旦出現操作失誤，極易損壞設備。因此，本文設計研發(fā)飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)，以防止操作失誤產生的設備損傷，提升飛機液冷車保障的質量與效率。

2 系統(tǒng)設計思路

飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)的設計分為兩大部分——硬件系統(tǒng)的設計和軟件系統(tǒng)的設計［3］。其中，硬件系統(tǒng)的主要職能是提供整個系統(tǒng)運行的物理支持，主要配備有正反轉電動機、西門子公司生產的小型PLC S7-200及相應擴展模塊（由于液冷車所需控制的閥門數量并不大，為了經濟方便，采用小型PLC并加入擴展模塊，這里也可采用其它種類的PLC）、觸摸屏、傳感器等硬件。軟件系統(tǒng)作為系統(tǒng)工作的大腦［4］，需要利用上位PC機對其預先進行編程并傳入指揮控制中樞PLC當中［5］，工作時，軟件系統(tǒng)根據觸摸屏選擇的流程，轉化為數字信號，進行識別、處理，在處理過后將控制信號輸出，控制相應的電動機啟閉。軟件系統(tǒng)的程序利用上位PC機上的V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9軟件編寫，該軟件由西門子公司研發(fā)，專門用于編寫S7-200的PLC程序，且操作簡單、方便［6］。系統(tǒng)設計的結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計結構圖

系統(tǒng)的具體工作流程如下：操作人員根據飛機保障需求選擇液冷車不同的工作流程（內循環(huán)、外循環(huán)、供液、回液和補液等）［7］，操作人員的選擇在觸摸屏上完成，觸摸屏上的軟件系統(tǒng)由上位PC機開發(fā)、上傳，操作人員選擇完工作流程之后，選擇的信號傳輸到S7-200的CPU當中，由CPU完成處理，之后控制信號通過輸出接口傳給正反轉電動機，并由電動機工作開啟（或關閉）相對應的液冷車閥門。傳感器則負責感應閥門的通/斷情況，并在通/斷情況與要求不符時，報警并在觸摸屏上顯示。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 硬件系統(tǒng)設計思路

系統(tǒng)的設計目標是開發(fā)出能夠根據用戶需要自動辨別液冷車內閥門通斷需求，并根據需要啟閉閥門的自動控制系統(tǒng)。為了簡化設計流程，將系統(tǒng)的設計目標（也可當作需實現的功能）分成以下幾個方面。

1）人機界面功能。系統(tǒng)必須能夠具備使用戶能夠進行與系統(tǒng)進行實時交互的硬件設備，如觸摸屏。因為系統(tǒng)需要用戶提前給出指令，以使其能夠根據指令對液冷車內的各個閥門進行開啟、關閉或者保持原狀態(tài)的操作，因此人機交互功能是系統(tǒng)需實現的第一項功能。

2）在第一項功能（即人機交互功能）結束后，系統(tǒng)需對接受到的信號進行翻譯、分析，判別液冷車內各個閥門的通/斷需求，并將需求以信號的形式發(fā)送給正反轉電動機［8］，這即是硬件系統(tǒng)所需滿足的第二項功能。

3）系統(tǒng)的第二項功能完成后，即已經判別液冷車內各個閥門的通/斷需求，并將信號發(fā)送給電動機后，各個閥門上的電動機即根據指令要求將相對應的閥門開啟、關閉或保持原狀。所以，系統(tǒng)第三項功能為根據信號要求將相應閥門啟閉或保持原狀。

4）除了上述功能外，為了防止因電動機故障或其它原因造成閥門通/斷情況與設定不符，還需傳感器感應閥門通/斷狀況，并將實時狀況反應在人機交互界面上以防止液冷車內液冷系統(tǒng)運行時由閥門通/斷情況造成的液冷系統(tǒng)損壞。這是系統(tǒng)的第四項功能，即傳感器實時監(jiān)控功能。

由以上對閥門自動控制系統(tǒng)的功能剖析，并根據飛機液冷車功能設置與結構特性［9］，設計飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)的原理流程，如圖3所示。

飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)主要由三大部分組成，分別為信號“輸入部分”、“處理部分”、“輸出部分”。三部分主要單元部件如下：

1）“輸入部分”：觸摸屏、傳感器等。

2）“處理部分”：S7-200型PLC等。

3）“輸出部分”：正反轉電動機、觸摸屏等。

其中，上位機PC只在對PLC進行編程或者對PLC已存儲的數據進行傳輸、處理時使用，其余時間不使用，不與PLC連接［10］。

圖3 飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)原理流程圖

3.2 硬件系統(tǒng)配件功能

根據以上設計思路，分配硬件系統(tǒng)各配件的功能如下：

1）上位PC機：編寫程序

利用PC機編寫PLC控制程序，使得在需要的時候控制電動機對閥門進行通/斷控制。

2）電動機正反轉：控制閥門開閉

通過PLC當需要電動機正（或反）轉時給電動機一個觸發(fā)信號，使其能夠正（反）轉。

3）傳感器：監(jiān)測閥門通斷

通過傳感器的監(jiān)測，可知曉閥門是否按要求開啟或關閉。

4）觸摸屏：人機交互

通過PC機編寫工程文件，并利用觸摸屏，實現人機交互功能，操作員通過觸摸屏選擇需要流程（外循環(huán)、內循環(huán)、回液、供液、補液）的閥門控制。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 PLC主程序設計

為實現飛機液冷車閥門的自動控制要求，滿足飛機使用要求和體現技術先進性，控制系統(tǒng)的設計，除了必需的硬件系統(tǒng)（PLC、傳感器、正反電動機、觸摸屏）外，還需要軟件系統(tǒng)的支持。軟件系統(tǒng)設計中將應用V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9等軟件技術，編寫PLC控制程序，實現閥門的自動化控制。軟件系統(tǒng)工作的流程圖和單個閥門控制程序截圖分別如圖4和圖5所示。首先，利用觸摸屏選擇工作流程（外循環(huán)、內循環(huán)、回液、供液、補液），并將選擇的流程輸入到PLC中，同時傳感器收集各閥門的通/斷情況，并將信息輸入PLC，PLC判斷閥門實際通/斷情況是否與要求一致，如果一致則停止程序；如果不一致則啟動電動機轉動閥門使其與要求一致。

圖4 軟件系統(tǒng)工作流程圖

針對液冷車閥門多，工作流程要求的控制效果（即各閥門的通斷）不一的問題，采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP9軟件中的配方功能［11］，可選擇不同的程序控制不同流程下閥門的通斷。PLC程序閥門控制配方截圖和外循環(huán)配方使用梯形圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 單個閥門控制程序截圖

圖6 PLC程序閥門控制配方截圖

圖7 外循環(huán)配方使用梯形圖

4.2 人機交互界面的設計

上述PLC程序是軟件系統(tǒng)實現自動控制閥門的主要手段，但在該功能實現之前還需要人工輸入具體的工作流程［12］，在流程輸入之后，PLC才能根據流程判別各閥門通/斷需求，才能組織下一步工作。人機交互界面如圖8所示。

在該界面中，V1～V12分別代表著相應的閥門。通/斷情況一欄反映了各閥門的實時通/斷情況，且當閥門實時通/斷情況與已選擇的工作流程要求相符的時候，在該欄相應位置，應顯示綠色黑體中文的“通”或“斷”字（具體將根據閥門實際情況顯示）；如果不符合時，則在相應位置，顯示紅色黑體中文的“通”或“斷”字（具體將根據閥門實際情況顯示），此時，操作員可根據需要將飛機液冷車停機，并檢查閥門、傳感器或其它控制系統(tǒng)的硬件是否損壞，能否繼續(xù)工作。

圖8 人機交互界面圖

5 結語

本文針對飛機液冷車閥門多，操作繁瑣，易出錯等問題，利用可編程邏輯控制器（PLC）、觸摸屏、傳感器、正反轉電動機等設備以及V4.0 STEP 7Micro/WIN SP9等軟件，設計了飛機液冷車閥門自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要針對飛機液冷車個工作流程（內循環(huán)、外循環(huán)、供液、回液和補液等）的閥門控制進行自動化設計，并提供觸摸屏操作界面，可以滿足人機交互功能。雖然本系統(tǒng)對正反轉電動機的靈敏度和響應速度要求較高，但是，總體來說，它提高了閥門控制的自動化和智能化水平，能夠大大縮短操作人員學習、熟練操作飛機液冷車的時間，提高了飛機的保障效率。

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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，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術與信息化。雷金國，男，教授，研究方向：航空四站保障技術。張永亮，男，碩士，講師，研究方向：航空四站保障技術與信息化。