基于PLC 控制的等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

胡秀秀 王守城 李 帥

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)已成為了人們出行必不可少的交通工具之一。在飛機(jī)的起飛與降落過(guò)程中，很容易發(fā)生安全事故，據(jù)調(diào)查，飛機(jī)的起飛與降落時(shí)發(fā)生的事故占整個(gè)飛機(jī)事故的百分之七十左右，這主要是因?yàn)轱w機(jī)在起飛和降落時(shí)，操作員不僅要觀察電子導(dǎo)航系統(tǒng)，還要收放飛機(jī)起落架、收放增升裝置的機(jī)翼，若此時(shí)飛行速度低，需要增升裝置提供起飛升力，飛機(jī)的增升裝置是安裝在機(jī)翼前后邊緣的襟翼，由于控制襟翼驅(qū)動(dòng)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜，易引起由襟翼系統(tǒng)故障造成的飛行安全事故。而等量協(xié)調(diào)活門就是飛機(jī)上控制襟翼收放速度的主要器件，其穩(wěn)定性對(duì)飛行安全有直接的影響，所以，必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，定期檢查是否存在質(zhì)量問(wèn)題。為此設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制的等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)，具有較高的測(cè)控準(zhǔn)確性，運(yùn)行平穩(wěn)，安全系數(shù)高。

2 等量協(xié)調(diào)活門液壓測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 等量協(xié)調(diào)活門的簡(jiǎn)介

襟翼收放系統(tǒng)主要是控制飛機(jī)兩側(cè)的襟翼收放基本同步，而等量協(xié)調(diào)活門就是執(zhí)行這一控制的組件，使通過(guò)的液壓油流量相等。襟翼系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 襟翼收放系統(tǒng)的框架圖

等量協(xié)調(diào)活門是通過(guò)液壓油控制兩個(gè)相同執(zhí)行元件，若兩條相應(yīng)支路上液阻不等，進(jìn)行調(diào)節(jié)使兩支路執(zhí)行元件的液壓油流量恢復(fù)相等，控制飛機(jī)左右襟翼的收放速度同步［1］。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 等量協(xié)調(diào)活門的結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可以看出，在其結(jié)構(gòu)上，主要具有兩個(gè)特點(diǎn):一是上部裝有大小節(jié)流活門，二是調(diào)節(jié)活塞兩邊均開有通油孔。由于等量協(xié)調(diào)活門只能對(duì)其兩個(gè)支路的液阻進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)流量相等，而無(wú)法將系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生的行程誤差消除，此時(shí)仍然可能會(huì)出現(xiàn)兩邊的執(zhí)行元件速度不同，沒(méi)有同時(shí)達(dá)到終點(diǎn)。在這種情況下，調(diào)節(jié)活塞上的輔助通油孔可以保證另一邊執(zhí)行元件也能到達(dá)終點(diǎn)?？烧{(diào)節(jié)流閥用來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)大節(jié)流孔的通油面積，可以在不同的流量條件下實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)要求［2］。

當(dāng)液壓油進(jìn)行襟翼收放控制時(shí)，在兩條支路上分別向左右執(zhí)行元件供油。若流經(jīng)兩支路的液壓油流量相等，則兩邊襟翼執(zhí)行元件的收放速度就會(huì)協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)襟翼同步。如果通過(guò)兩支路的流量不等，則兩邊襟翼執(zhí)行元件的收放速度不等，一快一慢不同步，破壞飛機(jī)飛行的橫側(cè)平衡，易增加墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)協(xié)調(diào)活門的特性，設(shè)計(jì)一套測(cè)試系統(tǒng)來(lái)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)改變兩出口支路的流量，測(cè)試觀察協(xié)調(diào)活門是否能調(diào)節(jié)流量大小，實(shí)現(xiàn)兩支路的流量相等，控制襟翼同步［3～5］。具體協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)原理圖

由圖3 可以看出，該測(cè)試系統(tǒng)由預(yù)處理部分和檢測(cè)部分組成。首先，預(yù)處理部分通過(guò)冷卻系統(tǒng)、控制閥、油濾、溢流閥、電控安全閥、緩沖罐等器件對(duì)液壓油進(jìn)行處理，確保活門的無(wú)損傷。然后，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)切換液壓油的正反向流通進(jìn)入等量協(xié)調(diào)活門進(jìn)行檢測(cè)，確保得到的檢測(cè)結(jié)果無(wú)誤。

2.3 等量協(xié)調(diào)活門系統(tǒng)的檢測(cè)流程

液壓油通過(guò)作動(dòng)筒活門流向切換，按需要進(jìn)入等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)或者作動(dòng)筒收放系統(tǒng)，作動(dòng)筒作為襟翼的另一重要組件，故在系統(tǒng)中也附加了對(duì)其功能的檢測(cè)，通過(guò)兩位四通電磁閥，控制其收放和換向，檢查性能是否正常。將液壓油切換到活門檢測(cè)回路中去，開始對(duì)活門性能進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)等量協(xié)調(diào)活門的工作原理，測(cè)試時(shí)，液壓油首先從O 流向A、B，記正向流通，通過(guò)A、B 口流量計(jì)檢測(cè)兩邊通過(guò)的流量是否相等；改變A、B口調(diào)節(jié)閥的開度，使經(jīng)過(guò)兩邊的流量不等，然后檢測(cè)A、B 口流量計(jì)的流量值改變后是否能快速恢復(fù)相等，如果可以，則說(shuō)明活門正向流通正常。活門流向切換閥改變活門流向，記由A、B 口流向O 口為反向流通，測(cè)試活門的反向流通是否正常，使液壓油從A、B口通向活門，同時(shí)使兩邊調(diào)節(jié)閥的開度不同，觀察A、B流量計(jì)的流量值是否相同，若仍然相同，則說(shuō)明活門反向流通正常工作。若活門的正反向流通均正常，則協(xié)調(diào)活門性能可靠，若正反向流通有一向存在問(wèn)題，或均存在問(wèn)題，則說(shuō)明活門不可靠。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分組成［6～8］，控制系統(tǒng)的硬件部分是重要載體，它是由可編程邏輯控制器PLC、上位PC 機(jī)、各種功能模塊、溫度傳感器、壓力傳感器等組成。除了硬件外，還須有與之對(duì)應(yīng)的軟件，兩者組合成一個(gè)有機(jī)整體來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的測(cè)試功能。其中，控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括上位機(jī)程序設(shè)計(jì)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成框圖

由圖4 控制系統(tǒng)原理圖可以看出，該控制系統(tǒng)主要是由一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指的是等量協(xié)調(diào)活門裝置在被檢測(cè)時(shí)，首先，將其系統(tǒng)中的流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、油濾自帶堵塞檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行采集，其次，輸入到模擬量輸入模塊中，通過(guò)模擬量輸入模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，并輸入到PLC 中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和后續(xù)處理，然后，通過(guò)串口通信模塊實(shí)現(xiàn)上位PC 機(jī)和PLC 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，由上位機(jī)上的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)來(lái)對(duì)等量協(xié)調(diào)活門系統(tǒng)中流量計(jì)、溫度傳感器、油濾自帶堵塞檢測(cè)裝置、壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和分析處理。另外，系統(tǒng)中的閉環(huán)控制系統(tǒng)是指將PLC中的CPU 送往模擬量輸出模塊的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成液壓預(yù)處理部分系統(tǒng)可以接受的模擬量，進(jìn)而控制等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)的工作。

具體該控制系統(tǒng)的工作原理是首先將流量計(jì)和壓力傳感器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，由PLC串口通訊模塊把數(shù)據(jù)送到上位機(jī)，顯示成用戶可視的實(shí)際流量和壓力，由此來(lái)判斷協(xié)調(diào)活門的性能是否良好。由溫度傳感器和油濾自帶的堵塞檢測(cè)裝置對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與否進(jìn)行檢測(cè)并傳輸信號(hào)到PLC，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)在PC 機(jī)上進(jìn)行報(bào)警。然后，可以通過(guò)PLC 來(lái)自動(dòng)控制是啟動(dòng)冷卻泵進(jìn)行冷卻還是直接控制液壓泵停止控制?；铋T流向切換閥門和作動(dòng)筒收放、切換閥門都是旋鈕控制，切換時(shí)通過(guò)PLC控制閥門流向的變換。液壓泵、冷卻泵和冷卻風(fēng)機(jī)通過(guò)PLC控制它們的啟停，同時(shí)它們的工作狀態(tài)也傳送到PLC再通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行直觀的指示，有利于用戶對(duì)工作的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)能夠做到手自動(dòng)切換，操作簡(jiǎn)單可靠，信息準(zhǔn)確顯示，數(shù)據(jù)長(zhǎng)期記錄和保存。

3.2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控PLC 選用西門子S7-200 系列，CPU 選擇224。CPU224 具有14 個(gè)輸入、10 個(gè)輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，滿足測(cè)試系統(tǒng)的10 輸入、10 輸出的數(shù)字量要求；模擬量輸入模塊選用EM231:4 路模擬量輸入模塊［9～11］。

CPU 224 的繼電器和接觸器都使用24V 開關(guān)電源供電，左端是PLC的數(shù)字量輸入信號(hào)，有O、A、B 流量輸入，油泵啟動(dòng)，油泵停止，活門/作動(dòng)筒切換，活門流向切換，作動(dòng)筒流向切換，作動(dòng)筒收放切換，系統(tǒng)油濾，其中油濾是在控制柜外；右端是數(shù)字量輸出信號(hào)，有液壓泵啟動(dòng)中繼，冷卻泵啟動(dòng)中繼，循環(huán)泵啟動(dòng)中繼，活門/作動(dòng)筒切換中繼，O 口流向切換中繼，A 口流向切換中繼，B 口流向切換中繼，作動(dòng)筒換向閥中繼，作動(dòng)筒收放閥中繼，電控安全閥中繼。PLC的硬件接線圖如圖5所示。

3.3 PLC的程序設(shè)計(jì)

從工作過(guò)程上來(lái)看，首先將模擬量輸入模塊初始化。將溫度、O口壓力、A口壓力、B口壓力這4路模擬量采樣值進(jìn)行AD 計(jì)算［12］。從4mA～20mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值和壓力值；再將渦輪流量計(jì)向PLC輸入的高速脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換成流量值；將這些數(shù)據(jù)在上位機(jī)上進(jìn)行顯示記錄后，可以調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行控制。油溫超限判斷實(shí)現(xiàn)超溫的報(bào)警并控制循環(huán)泵相應(yīng)觸點(diǎn)的閉合，液壓泵及循環(huán)冷卻控制控制系統(tǒng)進(jìn)油的液壓泵、冷卻系統(tǒng)的循環(huán)泵以及電控安全閥等設(shè)備，閥門切換實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)調(diào)活門性能的測(cè)試。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

圖5 PLC的硬件接線圖

圖6 PLC主程序流程圖

協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)中的主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬量輸入模塊的檢測(cè)和輸入后，通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度和壓力的AD 轉(zhuǎn)換、流量計(jì)算、油溫超限判斷、閥門切換，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。PLC 主程序流程圖如圖6所示。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為方便用戶了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有直觀的把控，以及根據(jù)需求隨時(shí)進(jìn)行操作，故設(shè)計(jì)了基于MCGS 的觸摸屏系統(tǒng)［13～16］。操作界面、參數(shù)設(shè)計(jì)界面和數(shù)據(jù)記錄界面如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)界面和數(shù)據(jù)記錄

操作面板設(shè)計(jì)如圖7（a）所示。在操作界面，用戶需要對(duì)協(xié)調(diào)活門和作動(dòng)筒的性能進(jìn)行檢測(cè)，所以需要得到O、A、B 口的流量和壓力來(lái)判斷其性能，同時(shí)要可以對(duì)活門流向進(jìn)行切換來(lái)進(jìn)行雙向檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

參數(shù)的設(shè)置界面如圖7（b）所示。在參數(shù)設(shè)置界面，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定液壓油的溫度限制。設(shè)置有高限和高高限，液壓溫度高限值:當(dāng)液壓溫度超過(guò)此數(shù)值時(shí)，如果循環(huán)冷卻控制方式為自動(dòng)模式，則程序自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫。液壓溫度高高限值:當(dāng)液壓溫度超過(guò)此數(shù)值時(shí)，液壓泵停止工作，此時(shí)如果循環(huán)冷卻控制方式為自動(dòng)模式，則程序自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫。由于即使是同一款同一批次的流量計(jì)，他們的流量系數(shù)也會(huì)不同，所以用戶需要向系統(tǒng)輸入每個(gè)流量計(jì)的流量系數(shù)。

數(shù)據(jù)的記錄界面如圖7（c）所示。系統(tǒng)條件:O口壓力210±10Kgf，O 口流量3L/min～15L/min；操作條件:A，B 口壓差70±5Kgf；評(píng)判依據(jù):B 口流量差≯0.6 L/min。在數(shù)據(jù)記錄界面對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，若活門不滿足測(cè)試條件、測(cè)試結(jié)果不合格，系統(tǒng)需要告知。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)采用PLC為控制器，結(jié)合等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試工藝以及當(dāng)前先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種PLC 控制與上位機(jī)相結(jié)合的等量協(xié)調(diào)活門測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了控制溫度、壓力等參數(shù)正常，確保等量協(xié)調(diào)活門安全的前提下檢測(cè)其能否可使兩個(gè)相同的執(zhí)行元件，在兩條相應(yīng)支路上液阻不等時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩支路相同的執(zhí)行元件流量恢復(fù)相等而實(shí)現(xiàn)同步這一特性。該系統(tǒng)可直觀實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)，確保等量協(xié)調(diào)活門的正常工作，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)潔方便，穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)可靠的活門定期檢查，保證元器件的安全，可成為飛機(jī)安全檢查的一部分。