曹应明 黄巧亮 顾菊芬

(江苏联合职业技术学院无锡交通分院1，江苏 无锡 214151;江苏科技大学电子信息学院2，江苏 镇江 212003;无锡商业职业技术学院3，江苏 无锡 214153)

0 引言

随着航空发动机性能要求的提高，其循环参数(温度、压力)和转子转速不断增大，对发动机功率分出轴(power take-off，PTO)的性能要求也越来越高。目前国内绝大部分试验装备只能对功率分出轴进行简单的单项或某几项性能试验，已经难以适应航空事业快速发展的需要［1］。因此，为检验发动机功率分出轴性能，确保各种环境下都能充分发挥发动机的效能，提高飞机安全性和机动性，某公司投资建设了一个功率分出轴耐久性综合试验台。该试验台通过模拟飞机实际运行温度、压力、转速及扭矩等工况条件，对功率分出轴进行静态和动态性能试验，测试功率分出轴在长时间连续运行时的刚度、强度、韧性以及疲劳强度等各项性能指标，从而对该分出轴在航空发动机上使用的可行性、可靠性和持久性作出正确的判断［2］。

1 系统设计

功率分出轴耐久性试验台控制系统主要由电气主传动系统、滑油系统、液压系统和机动飞行力模拟系统等组成，要求通过手动或程控实现转速、扭矩、位移和机动飞行力的加载，完成耐久性试验、最大补偿量试验、机动飞行力试验、动力特性试验、静强度试验及扭矩标定试验等试验内容。遵循“集中管理、分散控制”的设计原则，本系统采用两级网络结构，如图1 所示。

图1 试验台监控系统网络结构图Fig.1 Network structure of the monitoring system for test bench

系统主控制器选用西门子CPU 315 -2 PN/DP 型PLC，通过Profibus-DP 现场总线与主电机变频器、试验台ET200M 远程I/O站以及辅助系统ET200M 远程I/O站等DP 从站进行通信，实现数据采集并控制泵、电机、电磁阀等全部试验设备达到试验工艺要求。系统中央控制室配置两台装有WinCC 监控软件的工业控制计算机作为操作员站(其中一台兼着工程师站)。操作员站通过工业以太网与主控制器实现通信，实时监控试验过程，实现手/自动选择、界面操作、报警显示、参数设置、数据归档及打印等功能。试验台现场还配置了一台西门子TP177B PN/DP 触摸屏，用于实现设备就地启停和报警显示，触摸屏通过工业以太网与主控制器进行通信获取过程数据。试验过程中，主控制器把试验台各系统的仪表、设备及工艺参数等集中到中央控制室进行数据处理，可同时接受操作人员发出的指令，并通过现场总线向就地控制站发出命令，优化控制现场各设备的运行，实现试验台自动控制功能。系统还配置了一台HP 网络打印机用于报表打印。为提高系统可靠性，所有重要部件均配置UPS 不间断电源［3］。

2 硬件组态

利用编程软件Simeatic Step7 对控制系统进行硬件组态。首先，对主站S7-300 PLC 进行组态，包括电源模块、CPU 模块、各I/O 模块;然后对现场总线Profibus-DP 网络、两个ET200M 远程I/O 从站以及西门子Simovert Movert Drives 变频器从站进行组态。

硬件组态以及参数设置完成以后，将硬件组态下载到CPU315 -2 PN/DP 主站内，连接好各DP 从站与主站的通信电缆，然后根据硬件组态数据进行从站地址设置，最后选择在线检查各站连接情况，确保各从站能够与主站进行正常通信［4］。

3 软件设计

功率分出轴耐久性试验台监控系统软件由PLC控制程序、HMI 人机界面程序和触摸屏显示程序等构成。其中，PLC 控制程序选用西门子Step7 V5.4 编程软件编写，人机界面软件、触摸屏软件分别通过WinCC和WinCC Flexiable 实现。

3.1 PLC 控制程序设计

试验台PLC 控制软件采用模块化程序设计方法，思路清晰、结构简单、调试方便。调试时先进行单一功能模块的调试，各功能模块调试完成后再进行系统调试，调试对象明确，可以在短时间快速解决存在的问题，极大缩短调试时间［5］。试验台PLC 控制程序主体结构如图2 所示。

图2 控制程序主体结构图Fig.2 Structure of the main control program

主程序OB1通过调用FC10～FC80等功能模块来实现数据采集与处理、报警保护、命令处理、试验选择、扭矩控制、试验投入和试验退出，实现试验过程的控制。试验选择模块FC40通过调用FC41～FC46等功能模块，实现机动飞行力控制试验、最大补充量试验、耐久性试验、动力特性试验、静强度试验和扭矩标定试验等试验类型的选择。耐久性试验模块FC43通过调用FC100～FC105等功能模块，实现额定转速运转、慢车转速运转、加减速运转、转速递增运转、连续运转以及额定转速2运转等具体试验内容的选择［6］。

为满足不同试验要求、方便各系统单独运行，试验台上设有“手动/程控”转换开关。当转换开关置于手动位置时，由操作人员利用人机界面上的按钮按要求将各系统投入运行［7］。当转换开关置于程控位置时，所有动作由PLC 内设定程序自动完成。例如在进行耐久性试验转速递增运转部分程序控制试验时，首先通过WinCC 人机界面设置试验参数，将试验时间、初加速转速、转速循环高值、转速次循环高值、转速循环次数、转速次循环次数、加减速时间、启动时间、扭矩低值 分 别 设 置 为60 min、6 496 r/min、9 280 r/min、10 672 r/min、2、2、2 min、60 s、267.5 Nm。确定设置值后试验自动开始，主电机转速和扭矩在2 min 内达到6 496 r/min、267.5 Nm。60 s 内转速增加到9 280 r/min，到第9 min 时开始加速到10 672 r/min，保持高值2 min 到第11 min 时降至9 280 r/min，运行8 min到第19 min 时 再 加 速 到10 672 r/min，2 min 后 下 降 至9 280 r/min，到第29 min 时在1 min 内转速降至6 496 r/min。然后再从60 s 转速增加到9 280 r/min循环运行，到第60 min 试验结束，在2 min 内转速、扭矩降至最小值，然后关闭电机，各油泵试验结束。

3.2 HMI 人机界面设计

试验台监控系统人机界面由西门子WinCC7.0 编辑而成，用于对整个试验过程进行监控，实现了用户管理、试验方式选择、参数设定、状态监控、报警显示、数据归档以及报表打印等功能。上位界面通过工业以太网总线与中央控制器PLC 通信，采集数据和发送控制命令。组态画面主要包括PTO 主菜单、机动飞行模拟系统、液压系统、滑油系统、疲劳试验台、耐久性试验、最大补偿量试验、机动飞行力试验、动力特性试验、静强度试验、扭矩标定试验、超文本报表、趋势图、额定转速运转1、慢车转速运转、加减速运转、转速递增运转、连续转速运转、额定转速运转2、补偿量设置窗等共计20 幅画面，界面友好，操作方便，实现了试验全过程的实时监控。

4 结束语

本试验台监控系统不但完成了试验台各试验设备的顺序连锁控制要求，还重点实现了对主驱动电机转速、机动飞行力模拟系统压缩空气压力(四回路)、扭矩加载回路加载扭矩以及位移模拟系统活动支座横向位移的精确控制，实现了系统全部设计要求［8］。试验台监控系统投入运行一年来已经完成数百根功率分出轴的性能试验，能够准确地检测出功率分出轴的各项性能参数，为判断功率分出轴能否在航空发动机上安全使用提供了充分依据。

［1］ 航空发动机设计手册总编委员会.航空发动机设计手册:第12册［M］.北京:航空工业出版社，2001.

［2］ 力宁，彭最花，贺玲，等. 航空发动机高温高速密封试验台研制［J］.润滑与密封，2014，39(6):121 -124.

［3］ 廖常初.S7 - 300/400 PLC 应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005:396 -400.

［4］ 李若明.PROFIBUS 通信技术在精细化工生产控制中的应用［J］.自动化仪表，2013，34(5):89-91.

［5］石华，王瑞辉.基于S7-300 PLC 和Wincc 的移载车控制系统［J］.制造业自动化，2014，36(1):74-77.

［6］梁军，符雪桐，吕勇哉.自适应PID 控制-I 基本原理与算法［J］.浙江大学学报:工学版，1994(5):523-529.

［7］ 张春红.交直流轮对电机跑合试验台控制系统设计［J］.电气自动化，2014，36(5):97 -99.

［8］ 曲晓华.液压阀试验台控制系统的研制［J］. 机械工程与自动化，2014，182(1):168 -172.