基于PLC和HMI的空氣綜合試驗系統(tǒng)設(shè)計

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 薛魁 趙樹軍 許育輝 鄭攀 郭魯奇

引言

航空發(fā)動機作為人類有史以來最精密最復雜的工業(yè)產(chǎn)品之一，被譽為現(xiàn)代制造業(yè)皇冠上的明珠，如此精密復雜的航空發(fā)動機想要正確地運行，就必須保證諸多零件能保持穩(wěn)定可靠的性能，其中徑向封嚴裝置及單向活門是發(fā)動機中的敏感關(guān)鍵部位，其直接關(guān)系到發(fā)動機滑油的密封性能與燃油供給的安全穩(wěn)定，這兩個部件均對氣密性有較高的要求，且試驗要求的氣壓范圍接近，由此現(xiàn)設(shè)計一套空氣綜合試驗系統(tǒng)，可以同時對兩個零件進行氣密性試驗，在保障發(fā)動機燃滑油系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時大大提升生產(chǎn)效率。

1 徑向封嚴裝置及單向活門的試驗要求

徑向封嚴裝置氣密性試驗：將夾具連接到試驗器上，向徑向封嚴裝置內(nèi)送0.04MPa的壓縮空氣。停止向徑向封嚴裝置內(nèi)送氣，記錄徑向封嚴裝置內(nèi)氣壓降到0.005MPa的時間。降壓時間不小于30秒即為合格。

圖1單向活門試驗示意圖

單向活門試驗如圖1所示：

（1）將F端堵住，從A端進氣，用壓力為2±0.1MPa的空氣進行強度檢驗，時間為3min。

（2）堵住F端，從A端進氣，用壓力為1.5+0.05MPa的空氣在水中進行氣密性試驗，時間為5min，從進口和出口方向同時供應空氣，不允許漏氣。

（3）堵住E端，松開C端，從F端進氣，用壓力為0.05MPa和0.6MPa的空氣檢查活門封嚴部件的氣密性，時間為5min，從出口處提供空氣，將入口處管接頭的管子浸到水中，不允許漏氣。

（4）在B端接壓力表PBX，在E端接壓力表PBblX，從A端進氣，當PBX=lMPa時，活門的損失為0.02～0.05MPa。

圖2空氣綜合試驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖

圖2為本設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)試驗要求，使用兩個容量為0.15m3的儲氣罐作為設(shè)備氣源，儲氣罐一（額定壓力1Mpa，工作壓力0.7Mpa）由廠房空壓機供氣，出口空氣經(jīng)增壓閥后作為儲氣罐二（額定壓力2.5Mpa，工作壓力2Mpa）的氣源，兩個儲氣罐的出口空氣經(jīng)電磁閥及減壓閥后可提供0.04Mpa、0.05Mpa、0.6Mpa、1Mpa、1.5Mpa、2Mpa六種出口氣壓供待試件試驗，設(shè)備交付前先預調(diào)各減壓閥使各出口氣壓滿足使用要求，使用時僅需打開相應電磁閥即可，其中徑向封嚴裝置支路出氣端配備一支壓力傳感器（量程0.05Mpa）實時監(jiān)控出口氣壓；單向活門五條支路經(jīng)總出氣閥匯聚后配備一支壓力傳感器（量程2.2Mpa）統(tǒng)一監(jiān)控出口氣壓，并配備放氣電磁閥用于各試驗步驟之間泄壓。由于單向活門試驗3需要使用0.05Mpa氣壓，為保證測量精度，在0.05Mpa支路上單獨配備壓力傳感器。

圖3空氣綜合試驗系統(tǒng)電氣原理圖

圖3為本設(shè)備電氣控制原理圖。系統(tǒng)電源使用220V市電，經(jīng)300W24V直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換為24V直流電后為設(shè)備其余元器件供電。系統(tǒng)使用PLC作為核心控制元器件，電氣控制系統(tǒng)共需數(shù)字量輸入點位1個、數(shù)字量輸出點位9個、模擬量輸入點位3個，對運算、采集、數(shù)據(jù)傳輸功能無特殊要求，因此選用西門子smart系列ST-20PLC并配備EMAE04模擬量輸入模塊及SBDT20數(shù)字量輸入輸出信號板。

設(shè)備的操作除急停按鈕必須使用實體按鍵以外，其他全部使用觸摸屏操作，操作便捷直觀，同時便于調(diào)試及后期擴充功能。觸摸屏選用威綸通MT6103iP，10.1寸觸摸屏，價格低廉，編程簡單，可以與smart系列PLC兼容。

3 PLC程序與HMI人機界面的編寫

圖4為觸摸屏操作界面，可以在前后兩個界面分別進行徑向封嚴裝置試驗和單向活門試驗，PLC與觸摸屏的地址分配如圖5所示。

圖4觸摸屏顯示界面

圖5 地址分配

設(shè)備啟動后系統(tǒng)即通過AE04模塊開始采集壓力傳感器數(shù)據(jù)并存儲進入VD0、VD4、VD8，并通過觸摸屏顯示在徑向封嚴壓力、單向活門壓力、單向活門壓力（0.05Mpa管路）三個數(shù)值區(qū)域。

進入系統(tǒng)后默認顯示界面為徑向封嚴裝置試驗界面 （圖4左），通過試驗開始按鈕使M1.5置1，接通0.04Mpa支路，向待試件輸出相應氣壓，隨后比較VD0與40的大小，當實測氣壓大于等于0.04Mpa后M2.0置1，電磁閥關(guān)閉，計時開始。當實測氣壓小于0.005Mpa后，M2.0的自鎖將斷開，計時結(jié)束，系統(tǒng)通過1S脈沖信號SM0.5及計數(shù)器C0進行計時，在M2.0由1置0的那個周期內(nèi)，若C0中的數(shù)值大于30，則待試件合格，觸摸屏界面的綠燈亮起，反之則紅燈亮。操作者記錄試驗結(jié)果后可通過中止/ 復位按鈕清空試驗結(jié)果及計數(shù)器C0，繼續(xù)檢測下一個待試件。

圖6徑向封嚴裝置試驗程序

點擊界面的單向活門試驗按鈕可以進入單向活門試驗界面（圖4右），試驗開始前可以通過界面上的2Mpa等按鈕預選擇試驗壓力并可以隨時切換,當試驗正式開始，0.05Mpa至2Mpa任意電磁閥接通后，壓力選擇按鈕將鎖定，無法切換直至試驗停止。

圖7單向活門試驗氣壓預選擇程序

選定試驗壓力后，點擊試驗開始按鈕即可開始試驗，開始實驗后對應電磁閥接通，并在觸摸屏界面亮起相應管路，系統(tǒng)將根據(jù)所選擇的壓力自動計時，未對試驗時間做出要求的試驗則可手動停止，計時結(jié)束或手動停止后所有管路電磁閥關(guān)閉，此時放氣電磁閥自動開啟泄壓。

圖8單向活門試驗控制程序

4 結(jié)語

本文介紹了一套用于徑向封嚴裝置和單向活門的試驗設(shè)備,以PLC和HMI為核心，開發(fā)了一套可靠、完整、擴展性強的控制系統(tǒng)。經(jīng)實際測試證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、操作簡單易學，能滿足用戶對各試驗步驟氣壓大小及精度的使用要求。同時，該系統(tǒng)自動化程度高，操作者僅需安裝更換待試件，觀察記錄試驗結(jié)果，從而極大地提高了檢測效率。此設(shè)計思路在同類型氣密性試驗系統(tǒng)中具備推廣價值。