楊圣華，郭 云，胡雅玲

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

本文論述的電氣控制系統(tǒng)是為某大型民用客機預(yù)研課題項目設(shè)計的。目的是為其燃油系統(tǒng)試驗轉(zhuǎn)臺（見圖1、圖2）的液壓系統(tǒng)提供各電氣操作和電氣控制，并保證轉(zhuǎn)臺為模擬飛機油箱內(nèi)的油面角進行俯仰以及橫滾動作時的安全性。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

圖1 試驗轉(zhuǎn)臺初始狀態(tài)示意圖

圖2 試驗轉(zhuǎn)臺運動（雙自由度±20°）示意圖

在液壓系統(tǒng)驅(qū)動試驗轉(zhuǎn)臺進行油面角度的模擬動作、剎車制動和調(diào)節(jié)發(fā)動機供油流量的工作過程中，電氣控制系統(tǒng)需要完成的功能是：

1)實現(xiàn)對液壓油源運行的電氣控制、監(jiān)視和超限報警。

如圖3所示，可按工作要求完成對液壓油源中電機“5”的啟停、比例閥“9”的壓力調(diào)節(jié)控制，對壓力傳感器“8”、溫度傳感器“3”和液位繼電器“4”的監(jiān)視、以及對超溫、超壓、油濾堵塞報警功能的實現(xiàn)。

2)能夠通過對剎車系統(tǒng)中四個二位四通電磁換向閥的電氣邏輯控制,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺松剎和制動的功能。

3)能夠通過對相應(yīng)電磁閥的通斷控制實現(xiàn)對圖1、圖2中所示兩個轉(zhuǎn)動方向驅(qū)動機構(gòu)（即伺服液壓缸）的液壓供油和停止供油。

4)能夠完成對發(fā)動機供油流量液壓伺服調(diào)節(jié)路上的供油電磁閥的打開和關(guān)閉。

5)具有設(shè)備運行安全保護、防護和應(yīng)急處理功能。

圖3 液壓油源原理簡圖

1.2 總體布局

鑒于操作人員的工作范圍包括安裝液壓油源的泵間，以及遠離泵間的電氣測控間，同時，考慮到工作效率和安全，所以在總體布局上，將整個電氣控制系統(tǒng)設(shè)計為現(xiàn)場和遠程控制兩種控制模式，相應(yīng)地規(guī)定現(xiàn)場控制權(quán)限和遠程控制權(quán)限，避免兩處同時操作互相干擾而影響試驗轉(zhuǎn)臺的工作和安全。為此，具體設(shè)計時，在油源泵間和測控間分別設(shè)置了“現(xiàn)場電控柜”和 “遠程控制柜”，并在 “現(xiàn)場電控柜”的電氣操作面板上布置了切換開關(guān)，以限定控制模式的選擇。

另一方面，由于要完成的系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，不僅有單純的電磁閥開關(guān)動作、電磁閥的邏輯控制關(guān)系，而且其中還穿插著各種報警信號的采集、接收和處理，并可能涉及到一些功能的修改和改進，所以選擇以PLC為核心進行硬件和軟件相結(jié)合的電氣設(shè)計方式。

至于各種參數(shù)信號（如壓力、溫度、液位）的采集和顯示，采取使用相應(yīng)的各類傳感器（標準的4～20mA信號）與數(shù)字顯示儀表聯(lián)合工作的方式予以解決。

通過設(shè)置數(shù)字顯示儀表的報警值和直接使用機械觸點 （如液位繼電器），發(fā)出信號到PLC進行處理，并向外驅(qū)動報警，指示燈閃爍，從而實現(xiàn)各種報警功能。

2 詳細設(shè)計

2.1 原理設(shè)計

按總體設(shè)計布局的思路，設(shè)計電氣控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示，使用的PLC各端口對應(yīng)的輸入元件及圖中未示的輸出元件名稱見表1。操作人員在油源泵間的操作以及控制均在 “現(xiàn)場電控柜”操作面板（界面見圖5）上完成，而在測控間進行的操作以及控制則在“遠程控制柜”操作面板（界面見圖6）上完成。

表1 圖4中PLC各端口對應(yīng)的輸入元件及未示的輸出元件名稱

圖4 電氣控制系統(tǒng)原理

圖5 “現(xiàn)場電控柜”操作面板

圖6 “遠程控制柜”操作面板

在具體設(shè)計中，為了排除與遠程測控間的其他系統(tǒng)、各儀器儀表、各數(shù)據(jù)板卡的信號相互干擾，將PLC安裝在泵間的現(xiàn)場電控柜內(nèi)。整個電氣系統(tǒng)的總電源線 （三相四線制）由廠房配電箱接入現(xiàn)場電控柜內(nèi)后，分為兩部分。一部分按380V給圖3中功率為45kW的電機“5”供電，并通過PLC程序發(fā)出控制信號給各繼電器組動作實現(xiàn)電機的星三角轉(zhuǎn)換啟動；另一部分進線接成220V，為24V電源模塊和PLC供電，并為電機啟動用的各繼電器的線圈提供220V下的驅(qū)動電流。其中24V電源模塊的作用是為各數(shù)字顯示儀表和各傳感器供電，為圖3中比例溢流閥 “9”的放大器提供控制電壓，為PLC各輸出端口 （包括各指示燈、中間繼電器線圈）和液壓系統(tǒng)中各電磁換向閥的線圈供電。

2.2 現(xiàn)場電控柜

對應(yīng)圖5中操作面板，現(xiàn)場電控柜完成的電氣功能及原理是：

1）“現(xiàn)場/遠程切換”：按實際工作需要，通過切換該按鈕，PLC掃描對應(yīng)的輸入端信號（圖4中X04）并完成程序判斷后，輸出連接KM014線圈的端口狀態(tài)（圖4中Y15），從而選擇KM014常開（連接遠程調(diào)壓電阻）或常閉（連接現(xiàn)場調(diào)壓電阻）觸點，實現(xiàn)分配操作權(quán)限。只有得到相應(yīng)的權(quán)限，才能對圖3中“9”的比例放大器進行操作，實現(xiàn)系統(tǒng)出口調(diào)壓。除此之外，PLC完成權(quán)限判定后，對非權(quán)限操作的一方動作功能全部予以失效，但指示和報警功能仍然予以保留。

以下的邏輯判斷和邏輯控制都通過PLC程序完成，不再詳述。

2）“主電機啟動”：完成圖3中45kW異步電機“5”降壓啟動。對應(yīng)圖4中：KM2先接通，電機星型接法，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，然后斷開，隨之KM3接通，電機變?yōu)槿墙臃?，完成異步電機的降壓啟動。啟動完成后帶面板指示燈顯示。完成啟動后2秒，“調(diào)壓信號”指示燈點亮，指示人員方能進行油源調(diào)壓操作。

3） “主電機停止”：45kW異步電機“5”停止（對應(yīng)圖4中KM1斷開）。

4）“壓力調(diào)節(jié)”：現(xiàn)場有權(quán)限時，并且“調(diào)壓信號”指示燈點亮后，操作該旋轉(zhuǎn)按鈕進行系統(tǒng)輸出壓力的調(diào)節(jié)。

5）“緊急卸荷”:緊急情況下的處理，按下后轉(zhuǎn)臺完成緊急剎車（見“關(guān)鍵程序設(shè)計”）、電機停止，卸荷閥卸荷，相應(yīng)指示燈點亮，并且其為自鎖按鈕，排除故障后再次按壓后才能解除緊急卸荷狀態(tài)。

6） “系統(tǒng)出口壓力”、“俯仰鎖緊缸壓力”、“橫滾鎖緊缸壓力”、“油溫”數(shù)顯表：分別顯示系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)壓力、鎖緊缸壓力（見“關(guān)鍵程序設(shè)計”）、油箱內(nèi)液壓油溫度。

7） 告警指示燈， 包括 “超溫”、“超壓”、“缺油”、“回油濾”、“油濾”，起故障或非正常工作報警作用，信號分別來源于圖3中的“3”、“8”、“4”、“11”、“6”。

2.3 遠程控制柜

遠程控制柜布置在測控間，為工作方便與控制系統(tǒng)的控制臺集成在1個柜子上。對應(yīng)圖6中操作面板，其完成的電氣功能及原理是：

1） “俯仰控制”中“供油開”：完成圖1、圖2中對應(yīng)俯仰方向伺服液壓缸的電磁換向閥的打開，即圖4中線圈KM21.2得電，使得油源過來的壓力進入伺服液壓缸，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺俯仰運動。反之“供油關(guān)”即線圈KM21.2失電，電磁換向閥的關(guān)閉，切斷來自油源的壓力。

2） “橫滾控制”中“供油開”：與“俯仰控制”同理，圖4中線圈KM21.1得電，油源過來的壓力通過該方向打開的電磁換向閥進入橫滾方向伺服液壓缸，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺橫滾運動。反之“供油關(guān)”，線圈KM21.1失電，切斷油源該方向供油。

以上即完成了1.1中3）的電氣功能。

3）“調(diào)節(jié)閥供油”：圖4中線圈KM21得電，完成對發(fā)動機供油流量液壓伺服調(diào)節(jié)路上的供油電磁閥的打開。KM21失電即電磁閥關(guān)閉，對調(diào)節(jié)閥停止供油。從而完成了1.1中4）要求的電氣功能。

4） “俯仰控制”中“松剎”和“剎車”，“橫滾控制”中“松剎”和“剎車”：分別完成對對俯仰方向和橫滾方向的松剎或剎車操作，詳細原理和功能見“關(guān)鍵程序設(shè)計”。

為安全需要，以上1）～4）中內(nèi)容僅遠程操作時才具有操作權(quán)限。

5）其余按鈕和儀表的布置及功能與現(xiàn)場電控柜上相同。

2.4 關(guān)鍵程序設(shè)計

由于轉(zhuǎn)臺體量大，工作時需要松剎，停止工作或緊急情況下又要求剎車，所以轉(zhuǎn)臺這部分電氣設(shè)計上關(guān)鍵的是轉(zhuǎn)臺松剎和剎車的邏輯控制，其必須分為正常松剎、正常剎車，應(yīng)急剎車，還必須具有斷電自動剎車功能，結(jié)合轉(zhuǎn)臺松剎、剎車邏輯控制液壓原理圖7，從系統(tǒng)工作原理上了解到：俯仰方向正常剎車時：要求電磁閥“8”、“7”斷電關(guān)閉，此時液壓油P進入俯仰方向制動剎車缸的通路被切斷，并且制動剎車缸內(nèi)液壓油通過T口卸壓，剎車缸內(nèi)抱剎彈簧由于失去液壓力的作用而收縮，并作用于俯仰驅(qū)動機構(gòu)的活塞桿上對其進行鎖緊，實現(xiàn)該方向的剎車；俯仰方向正常松剎時：要求電磁閥“8”得電、“7”保持斷電，使液壓油進入制動剎車缸，頂開作用在活塞桿上的彈簧實現(xiàn)松剎。橫滾方向正常剎車時：要求電磁閥“5”、“6”斷電；橫滾方向正常松剎時：要求電磁閥“6”得電、“5”斷電。緊急卸荷情況下：要求電磁閥“5”、“7”得電， “6”、“8”失電；出現(xiàn)廠房斷電情況時，由于電磁閥“5”、“7”、 “6”、“8”均失電，從圖7中可以看出整個液壓供油也被切斷，轉(zhuǎn)臺同樣馬上處于剎車狀態(tài)。

圖7 轉(zhuǎn)臺松剎、剎車邏輯控制液壓原理圖

由此分析，整個過程實際上就是準確地完成轉(zhuǎn)臺松剎、制動的四個二位四通電磁換向閥“5”、“6”、“7”、“8”的通電和斷電的一個電氣邏輯控制。由此設(shè)計的PLC松剎和剎車程序如下，見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)臺松剎、制動梯形圖

3 安全設(shè)計

在整個電氣系統(tǒng)的設(shè)計過程中，運用硬件和軟件相結(jié)合的方式來最大限度地保證轉(zhuǎn)臺運行過程中的安全性，以下依次說明。

1）采取了權(quán)限切換的控制模式。

不論是現(xiàn)場人員還是遠程人員進行操作，首先必須確認和取得相應(yīng)的權(quán)限，以防止另一方的誤動作導(dǎo)致的操作失控。另外在PLC的軟件內(nèi)寫入權(quán)限語句，例如判斷為現(xiàn)場權(quán)限，則對應(yīng)為遠程上的所有功能按鈕的輸入端口和輸出端口均不處理和發(fā)出信號，反之亦然。

2）停止電機沒有權(quán)限局限。

由于電氣系統(tǒng)控制的液壓泵站的動力源實際上就是電機輸出的功率，為防止異常情況發(fā)生后，無權(quán)限的一方也有最終處理功能，設(shè)計上認定不論權(quán)限是在哪方，現(xiàn)場電控柜還是遠程控制柜上的電機停止按鈕均有效。

3)現(xiàn)場和遠程操作面板上均布置有告警和指示燈顯示功能。

系統(tǒng)上過來的告警信號和按鈕動作后的指示燈顯示功能在現(xiàn)場和遠程面板上各布置一套，這樣無操作權(quán)限的一方也可以進行監(jiān)視。

告警信號包括缺油報警、油濾堵塞報警和超壓報警，全部進入PLC相應(yīng)端口進行處理，并發(fā)送到相應(yīng)的指示燈予以閃爍報警。

4）具有一鍵式緊急卸荷功能。

現(xiàn)場和遠程操作面板上都布置緊急卸荷按鈕，并且不分權(quán)限，一旦有緊急情況發(fā)生按下按鈕后，電機自動停止、卸荷閥通電卸荷、并完成圖8中緊急剎車功能。

5)具有松剎監(jiān)視功能。

見圖7，松剎命令發(fā)出后，經(jīng)過減壓閥“1”減壓進入剎車缸內(nèi)的壓力達到10MPa以后，剎車裝置才能完全松開，電氣設(shè)計上在剎車缸上布置有壓力傳感器“11”，“12”，并在現(xiàn)場和遠程的操作面板上均布置有數(shù)字顯示表，監(jiān)控松剎壓力是否達到。因為在松剎未到位的情況下強行轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，對轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)損傷很大甚至造成破壞。

6)電氣成件選型上保證安全。

PLC輸出端口選擇24V輸出型，系統(tǒng)中各換向電磁閥選擇24V工作電源，最大限度地保證了設(shè)備操作人員的安全。

7)在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進行安全防護。

在液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，采取雙重保護，如連接安全閥的管路上布置壓力繼電器，設(shè)置相應(yīng)的安全壓力值，并且與PLC“外界緊急信號觸點”對應(yīng)端口X20相連，一旦該處超壓，PLC即按緊急卸荷處理。

8)具有完整的設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控功能。

對設(shè)備運行中的狀態(tài)實施監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)超壓、超溫、缺油、油濾堵塞的情況立即予以報警。

4 結(jié)論

在已經(jīng)完成的某民機型號的各項試驗中，該電氣控制系統(tǒng)的運用結(jié)果表明，其不僅能夠滿足設(shè)備運行時各正常功能的需要，而且在緊急和故障情況下也能夠保證設(shè)備和人員的安全性。

[1]姚佩陽.自動控制原理.北京：清華大學(xué)出版社,2005，3.

[2]郭艷萍.電氣控制與PLC技術(shù).北京：北京師范大學(xué)出版社,2007，2.

[3]秦紅磊.自動測試系統(tǒng)-硬件及軟件技術(shù).北京：高等教育出版社,2007，10.