桨叶折叠装置试验台测试系统设计

张袁志,李红卫,武太文

摘要 该试验台主要用于飞机桨叶折叠装置的综合性能检测。试验台由测试系统和控制系统二大部分组成，可实现对飞机桨叶折叠装置在工作状态下的流量，液体压力，运行时间，旋转角度，输出力矩等参数的自动测量。测试数据由计算机自动分析处理，并可保存及打印结果。试验台采用可编程控制器（PLC）控制方式，触摸屏式人机界面，控制软件采用模块化结构设计的组态软件开发。整个测试系统按要求达到高精度，实时化，智能化和安全可靠。

关键词 飞机桨叶折叠装置；自动测量；PLC；测试系统

中图分类号TH137 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0162-03

Design of the Aircraft Propeller Fold Mechanism Stand Test System

ZHANG YuanZhi，LI HongWei，WU TaiWen

Sichuan University, School of Manufacturing Science and Engineering, Chengdu 610065

Abstract The test stand is mainly used for comprehensive performance testing of aircraft propeller fold mechanism.It by testing system and control system composed of two . Can realize Parameters automatically measurement of aircraft propeller fold mechanism under operation flow, such as hydraulic stress, operation time, rotation Angle, the output torque. The test data by computer automatic analysis processing, can save and print results.The test stand by using the programmable controller (PLC) control mode, human-machine interface with touch screen , control software was developed by configuration software of modular structure design. The test system according to the requirement achieve real-time,high precision,intelligent,safe and reliable.

Keywords Aircraft propeller fold mechanism ;Automatic measurement ;PLC;Test system.

0 引言

应某航空液压机械厂要求设计一台对其生产的桨叶折叠装置各项性能指标进行测试的试验台。此航空装置是由直旋作动器组件和组合阀组件组成的液压驱动机构。该机构是一种将传统液压作动筒的直线运动通过精密螺旋运动副转化成旋转运动的液压作动器。其运动时间短，具有自锁功能，在作动器到极限位置时还能发出到位信号。作动器运行方向和速度由组合阀组件控制。

可编程控制器（PLC）是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。PLC具有通用性强、 使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强及编程简单等特点[1]。因此试验台采用PLC作为控制系统的核心，主要负责测试系统的数据采集，数据处理，驱动输出以及与计算机通讯。

1测试系统设计要求和思路

由PLC控制的桨叶折叠装置综合性能试验台，设计时要求对被测试件的功能，技术指标，实验项目和性能参数等进行分析，对测试系统的准确性，可靠性，维修性和智能化等指标进行评估。遵循工作可靠，技术先进，操作智能化的研制原则，借鉴国内外先进经验和技术使试验台满足厂方的技术要求[2]。

1.1试验台需要实现的测试功能主要有：

1）在各种工作状态下的压力，流量监测及在该条件下的泄漏实验；

2）磨合实验及自锁特性检查；

3）运行角度，时间及输出力矩测试；

试验台包括液压油路测试系统及其他测试系统（见图1）。

对液压部分的测试包括压力测试和流量测试。压力测试主要是对桨叶折叠装置工作压力范围的测试以及进行各项磨合实验。流量测试包括工作条件下内泄漏量及外泄漏量检测等测试实验。

其它测试系：桨叶折叠装置在额定工作条件下从一个极限位置运动到另一极限位置时的转角，运行时间以及输出力矩。测量时，角度编码器安装在桨叶折叠装置的输出端，力传感器安装在桨叶折叠装置输出端与负载的连杆上，通过角度与力可间接测量输出力矩。时间测量通过PLC的10MS高精度计时器直接测量。所有测量结果均在人机界面上数字显示。

1.2实验台的组成

实验台由液压系统，电气系统，及操作台3大部分组成。液压系统由液压油箱，工作电机，油泵及液压阀总站组成。它的功能是驱动桨叶折叠装置及提供负载。 电气系统由电控柜，PLC，人机界面（触摸屏），工业控制计算机，数字显示表组成。它的功能是实现智能化，集成化控制以及数据采集、分析、处理和显示功能。操作台由工作台及一些工装，夹具等组成。被测产品安装在操作台上进行各项试验。

2 计算机测控系统

2.1控制系统

在整个测试系统中，工控机和PLC构成测试系统的主要部分。桨叶折叠装置的测试全程由计算机监控。工控机完成实验数据分析处理和存储数据。触摸屏主要用来进行人机界面操作，状态监测及结果显示。压力，流量，角度，输出力等模拟量由各传感器采集，并通过PLC的高精度A/D模块传送至PLC。同时为各模拟量配备了显示仪表，PLC通过RS-485与显示仪表通信，通过仪表显示数据可以更直观的反应被测参数。PLC通过RS-232与工控机通信。各个液压油路的电磁阀开关，流量压力阀的调节通过PLC实现逻辑控制与互锁功能，使整个操作系统简单，安全，可靠（见图2）。

测控系统软件采用HMI组态软件来实现，主要包括人机界面，参数设定，试验项目选择，试验状态监控，试验曲线绘制，试验结果保存及打印等功能。

2.2测试系统的硬件结构

PLC控制元件选用日本欧姆龙公司的CS系列产品。CS系列模块化结构设计使其具有良好的电磁兼容性，工业环境适应性和扩展性[3]。中央处理单元选用CS1G-CPU44H，电源单元选用PA204S，数字输出模块为OC211，数字输入模块为ID211,模拟量输出模块为DA041，模拟量输入模块选用AD081。高速计数模块选用CT021。其中，OC211为继电器输出控制各个电磁换向阀，控制液压油路流向。ID211接收按钮、过滤器等开关信号，实现启动停止及安全报警等作用。DA041输出0-10V电压信号，通过集成放大器驱动比例压力阀调节液压系统压力。AD081接收各传感器信号，用于数据采集及实现闭环控制。CT021用于高速旋转时采集角度数据。

人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。本系统选用广州致远公司的HMI平板电脑，其具有人性化的操作界面和稳定可靠的性能和良好的编程环境，能够满足测试系统的要求。人机界面主要是跟PLC进行交互并对其进行发送控制指令，并从PLC读取数据、实时显示存储并生成时间数据图形曲线。

2.3测控软件

软件设计采用结构化编程模式，便于程序功能增减和调试，主要包括程序初始化，主程序和子程序三个部分。系统上电后，PLC采用循环扫描方式。首先是系统初始化，主要包括对定时器，计数器，变量以及模拟量模块的初始化；接着进行系统自检，故障报警判断。然后根据选择的实验，系统按程序逻辑判断调用相应的子程序，按步骤进行试验。控制流程图（见图3）所示。

试验台人机界面设计主要包括3个部分：第一，实验选择及参数设定部分，在测试前将各个实验和相关参数在人机界面上提前设定，以备实验；第二，测试部分（见图4）：进行桨叶折叠装置实验。包括电机，电磁阀，开关控制按钮，调节压力旋钮，各传感器传回的数据，压力温度流量等数值显示；第三，测试数据保存，按照规定时间间隔将测试数据保存至数据库中（见图5）。

2.4电液比例控制系统设计

电液控制技术集合了电控与液压的交叉技术优势，指令及信号处理单元和检测反馈单元采用电子器件，功率转换放大单元和执行部件采用液压元件。电液比例控制系统利用电信号便于远距离控制以实现计算机检测与控制，可明显简化液压系统，实现复杂程序控制[4]。试验台采用的电液控制系统组成原理如图所示。DA模块按照程序设定输出电压信号给比例放大器，比例放大器经过转换输出电流信号给比例压力溢流阀，比例压力溢流阀根据输入电流信号按比例控制液压系统压力（见图6）。比例放大器根据安装在比例压力溢流阀上的位移传感器反馈的位置信号对输出电流进行调节控制。

3测试系统的抗干扰设计

虽然可编程控制器本身具有很高的可靠性，但是由于系统工作在恶劣的电磁环境中，常常会受到许多电磁干扰，从而可能造成输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错。因此要使系统稳定可靠的工作并达到预期功能，必须保证其具有良好的抗干扰性能[5]。该系统从软硬件两方面采取措施提高系统可靠性。

3.1软件抗干扰措施

在程序设计时增加数字滤波程序，增强输入信号的可靠性。开关量的输入采取多次读入的方法，经几次读入比较无误后在确认。开关量输出时，对输出量进行回读，比较无误后再输出。对于按钮开关及电磁阀，采用软件延时来避免因机械振动造成的信号误差。

3.2硬件抗干扰措施

3.2.1屏蔽隔离

首先将PLC装入一预制的金属箱中，并使PLC安装位置远离电控柜，有效消除电磁场的干扰。PLC所用传输线一律采用屏蔽信号电缆，以降低由动力线产生的电磁干扰。严格区分信号电源与控制电源，控制信号线缆与动力线缆分开放置在不同的线槽中，以减少电磁干扰。屏蔽信号电缆的屏蔽层一端接地。将继电器介入PLC回路，用于驱动电磁阀线圈，继电器线圈和触点仅有机械上的联系而没有直接的电的联系，可以有效的提高PLC抗干扰的能力。

3.2.2接地

正确的接地方式可以在很大程度上抑制外部干扰。对PLC内部电路，包括CPU和其他接口共接数字地；对PLC外部电路包括D/A,A/D模块等共接模拟地。

4结论

本文将计算机控制技术核心引入液压测试系统，对航空液压件测试方法进行了研究。实现了单一试验台上完成多种液压测试的功能。试验台自动测试功能设计，基于PLC自动控制及计算机HMI组态软件平台开发测试软件，实现了航空液压件的自动测试和测试数据的自动处理，满足技术要求。

文中介绍的测试系统已经在某航空液压机械厂得到了很好的实际应用，取得了理想的效果。

参考文献

[1]严盈富.监控组态软件与PLC入门[M].北京：人民邮电出版社，2006，11.

[2]李书明，张驰，白杰.基于计算机控制的飞机气动附件试验台测试系统的设计[J].液压与气动，2010(4)：56-57.

[3]郑宝林.图解欧姆龙PLC入门[M].北京：机械工业出版社，2007，2.

[4]黎啟柏.电液比例控制与数字控制系统[M].北京：机械工业出版社，1997，5.

[5]周志敏，徐霞，纪爱华.PLC控制系统电磁兼容技术---工程设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008，3.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”