基于PLC 控制的等量協調活門測試系統的設計?

胡秀秀 王守城 李 帥

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

隨著我國航空事業的迅速發展，飛機已成為了人們出行必不可少的交通工具之一。在飛機的起飛與降落過程中，很容易發生安全事故，據調查，飛機的起飛與降落時發生的事故占整個飛機事故的百分之七十左右，這主要是因為飛機在起飛和降落時，操作員不僅要觀察電子導航系統，還要收放飛機起落架、收放增升裝置的機翼，若此時飛行速度低，需要增升裝置提供起飛升力，飛機的增升裝置是安裝在機翼前后邊緣的襟翼，由于控制襟翼驅動器的傳動機構十分復雜，易引起由襟翼系統故障造成的飛行安全事故。而等量協調活門就是飛機上控制襟翼收放速度的主要器件，其穩定性對飛行安全有直接的影響，所以，必須對其進行嚴格監控，定期檢查是否存在質量問題。為此設計了一種基于PLC 控制的等量協調活門測試系統，具有較高的測控準確性，運行平穩，安全系數高。

2 等量協調活門液壓測試系統設計

2.1 等量協調活門的簡介

襟翼收放系統主要是控制飛機兩側的襟翼收放基本同步，而等量協調活門就是執行這一控制的組件，使通過的液壓油流量相等。襟翼系統的框架如圖1所示。

圖1 襟翼收放系統的框架圖

等量協調活門是通過液壓油控制兩個相同執行元件，若兩條相應支路上液阻不等，進行調節使兩支路執行元件的液壓油流量恢復相等，控制飛機左右襟翼的收放速度同步［1］。其結構如圖2所示。

圖2 等量協調活門的結構圖

由圖2 可以看出，在其結構上，主要具有兩個特點:一是上部裝有大小節流活門，二是調節活塞兩邊均開有通油孔。由于等量協調活門只能對其兩個支路的液阻進行控制，協調流量相等，而無法將系統已經產生的行程誤差消除，此時仍然可能會出現兩邊的執行元件速度不同，沒有同時達到終點。在這種情況下，調節活塞上的輔助通油孔可以保證另一邊執行元件也能到達終點?？烧{節流閥用來自動調節大節流孔的通油面積，可以在不同的流量條件下實現調節要求［2］。

當液壓油進行襟翼收放控制時，在兩條支路上分別向左右執行元件供油。若流經兩支路的液壓油流量相等，則兩邊襟翼執行元件的收放速度就會協調一致，實現襟翼同步。如果通過兩支路的流量不等，則兩邊襟翼執行元件的收放速度不等，一快一慢不同步，破壞飛機飛行的橫側平衡，易增加墜機的風險。

2.2 協調活門測試系統的設計

根據協調活門的特性，設計一套測試系統來對其穩定性進行測試，通過改變兩出口支路的流量，測試觀察協調活門是否能調節流量大小，實現兩支路的流量相等，控制襟翼同步［3～5］。具體協調活門測試系統原理如圖3所示。

圖3 協調活門測試系統原理圖

由圖3 可以看出，該測試系統由預處理部分和檢測部分組成。首先，預處理部分通過冷卻系統、控制閥、油濾、溢流閥、電控安全閥、緩沖罐等器件對液壓油進行處理，確?；铋T的無損傷。然后，通過檢測系統切換液壓油的正反向流通進入等量協調活門進行檢測，確保得到的檢測結果無誤。

2.3 等量協調活門系統的檢測流程

液壓油通過作動筒活門流向切換，按需要進入等量協調活門測試系統或者作動筒收放系統，作動筒作為襟翼的另一重要組件，故在系統中也附加了對其功能的檢測，通過兩位四通電磁閥，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回路中去，開始對活門性能進行測試。根據等量協調活門的工作原理，測試時，液壓油首先從O 流向A、B，記正向流通，通過A、B 口流量計檢測兩邊通過的流量是否相等；改變A、B口調節閥的開度，使經過兩邊的流量不等，然后檢測A、B 口流量計的流量值改變后是否能快速恢復相等，如果可以，則說明活門正向流通正常?；铋T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，同時使兩邊調節閥的開度不同，觀察A、B流量計的流量值是否相同，若仍然相同，則說明活門反向流通正常工作。若活門的正反向流通均正常，則協調活門性能可靠，若正反向流通有一向存在問題，或均存在問題，則說明活門不可靠。

3 控制系統的設計

3.1 控制系統設計

控制系統是由硬件部分和軟件部分組成［6～8］，控制系統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、各種功能模塊、溫度傳感器、壓力傳感器等組成。除了硬件外，還須有與之對應的軟件，兩者組合成一個有機整體來實現該系統的測試功能。其中，控制系統的軟件部分主要包括上位機程序設計和下位機程序設計。該控制系統組成框圖如圖4所示。

圖4 控制系統組成框圖

由圖4 控制系統原理圖可以看出，該控制系統主要是由一個數據采集系統和一個閉環控制系統組成。數據采集系統指的是等量協調活門裝置在被檢測時，首先，將其系統中的流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、油濾自帶堵塞檢測的信號進行采集，其次，輸入到模擬量輸入模塊中，通過模擬量輸入模塊將模擬量信號轉換成數字量信號，并輸入到PLC 中進行數據的存儲和后續處理，然后，通過串口通信模塊實現上位PC 機和PLC 之間的數據轉換，與此同時，由上位機上的數據分析系統來對等量協調活門系統中流量計、溫度傳感器、油濾自帶堵塞檢測裝置、壓力傳感器的數據進行檢測和分析處理。另外，系統中的閉環控制系統是指將PLC中的CPU 送往模擬量輸出模塊的數字量轉換成液壓預處理部分系統可以接受的模擬量，進而控制等量協調活門測試系統的工作。

具體該控制系統的工作原理是首先將流量計和壓力傳感器發出相應信號通過模擬量輸入模塊轉換為數字量信號，由PLC串口通訊模塊把數據送到上位機，顯示成用戶可視的實際流量和壓力，由此來判斷協調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裝置對系統的正常運行與否進行檢測并傳輸信號到PLC，當出現問題會在PC 機上進行報警。然后，可以通過PLC 來自動控制是啟動冷卻泵進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筒收放、切換閥門都是旋鈕控制，切換時通過PLC控制閥門流向的變換。液壓泵、冷卻泵和冷卻風機通過PLC控制它們的啟停，同時它們的工作狀態也傳送到PLC再通過上位機進行直觀的指示，有利于用戶對工作的狀態進行監管和維護。整個系統能夠做到手自動切換，操作簡單可靠，信息準確顯示，數據長期記錄和保存。

3.2 PLC系統設計

主控PLC 選用西門子S7-200 系列，CPU 選擇224。CPU224 具有14 個輸入、10 個輸出共24 個數字量I/O 點，滿足測試系統的10 輸入、10 輸出的數字量要求；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 開關電源供電，左端是PLC的數字量輸入信號，有O、A、B 流量輸入，油泵啟動，油泵停止，活門/作動筒切換，活門流向切換，作動筒流向切換，作動筒收放切換，系統油濾，其中油濾是在控制柜外；右端是數字量輸出信號，有液壓泵啟動中繼，冷卻泵啟動中繼，循環泵啟動中繼，活門/作動筒切換中繼，O 口流向切換中繼，A 口流向切換中繼，B 口流向切換中繼，作動筒換向閥中繼，作動筒收放閥中繼，電控安全閥中繼。PLC的硬件接線圖如圖5所示。

3.3 PLC的程序設計

從工作過程上來看，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路模擬量采樣值進行AD 計算［12］。從4mA～20mA 的電流信號轉換成相應的溫度值和壓力值；再將渦輪流量計向PLC輸入的高速脈沖信號進行計算，轉換成流量值；將這些數據在上位機上進行顯示記錄后，可以調用相應的子程序進行控制。油溫超限判斷實現超溫的報警并控制循環泵相應觸點的閉合，液壓泵及循環冷卻控制控制系統進油的液壓泵、冷卻系統的循環泵以及電控安全閥等設備，閥門切換實現對協調活門性能的測試。最后，對數據進行記錄。

圖5 PLC的硬件接線圖

圖6 PLC主程序流程圖

協調活門測試系統中的主程序實現對模擬量輸入模塊的檢測和輸入后，通過調用子程序實現對溫度和壓力的AD 轉換、流量計算、油溫超限判斷、閥門切換，最后對數據進行記錄。PLC 主程序流程圖如圖6所示。

3.4 人機界面設計

為方便用戶了解系統的運行情況，對整個測試系統有直觀的把控，以及根據需求隨時進行操作，故設計了基于MCGS 的觸摸屏系統［13～16］。操作界面、參數設計界面和數據記錄界面如圖7所示。

圖7 設計界面和數據記錄

操作面板設計如圖7（a）所示。在操作界面，用戶需要對協調活門和作動筒的性能進行檢測，所以需要得到O、A、B 口的流量和壓力來判斷其性能，同時要可以對活門流向進行切換來進行雙向檢測，并對數據進行記錄。

參數的設置界面如圖7（b）所示。在參數設置界面，需要根據實際情況設定液壓油的溫度限制。設置有高限和高高限，液壓溫度高限值:當液壓溫度超過此數值時，如果循環冷卻控制方式為自動模式，則程序自動啟動循環冷卻系統進行降溫。液壓溫度高高限值:當液壓溫度超過此數值時，液壓泵停止工作，此時如果循環冷卻控制方式為自動模式，則程序自動啟動循環冷卻系統進行降溫。由于即使是同一款同一批次的流量計，他們的流量系數也會不同，所以用戶需要向系統輸入每個流量計的流量系數。

數據的記錄界面如圖7（c）所示。系統條件: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；評判依據:B 口流量差≯0.6 L/min。在數據記錄界面對測試結果進行記錄，若活門不滿足測試條件、測試結果不合格，系統需要告知。

4 結語

系統采用PLC為控制器，結合等量協調活門測試工藝以及當前先進的工業控制技術，設計了一種PLC 控制與上位機相結合的等量協調活門測試系統。實現了控制溫度、壓力等參數正常，確保等量協調活門安全的前提下檢測其能否可使兩個相同的執行元件，在兩條相應支路上液阻不等時進行調節，使兩支路相同的執行元件流量恢復相等而實現同步這一特性。該系統可直觀實時獲得檢測系統的相應參數，確保等量協調活門的正常工作，并將監測數據進行存儲。檢測過程簡潔方便，穩定性好，可實現可靠的活門定期檢查，保證元器件的安全，可成為飛機安全檢查的一部分。