基于PLC的SY02机轮联合加载试验控制系统
日期：2008-5-11 21:55:50 来源：《PLC&FA》
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1 引言
飞机机轮的测试是飞机测试中重要的一环，其中静态性能指标的检测需要一套控制精度高，响应快速的控制系统来完成，本文就是基于可编程控制器(plc)集成的控制系统来实现对机轮的联合载荷试验，并结合上位机对控制系统进行在线控制。
控制系统要求有自动和手动两套系统，其中手动控制系统是为防止由于自动控制系统故障延误试验而设计的。自动控制系统为计算机控制系统，要求其能自动按比例加载测量并纪录试验数据。系统按试验要求能完成两种载荷试验：径向载荷单独加载试验和径侧向载荷联合加载试验。径向单独加载时，机轮侧向无压力，径向载荷按目标载荷值分十级逐级加载，直至达到目标载荷值，保持10s后回程结束实验。径侧向联合加载时，按径、侧向目标载荷值分别分为10级，按10％增量加载，先加径载，后加侧载，径侧向都到达目标值并保持10s后回程结束实验。
2 控制系统原理及结构
自动控制系统选用s7-300系列plc与触摸屏工业计算机为核心构成。plc作为下位机负责试验过程的控制工控机作为上位机，应用软件由开物2000系统开发的hmi系统，用以监控试验过程，显示并记录试验数据。系统中需要控制的数字开关量有油泵的启停、径侧向油缸的伸出与回程等，报警信号有电机缺相保护、径侧向加压机构回程伸出的限位、液压系统液位过高、油温过高过低、油路过滤器阻塞等报警信号。系统的模拟量有径侧向试验载荷、径侧向油缸压力、轮毂变形位移三组。其中径侧向的试验载荷是被控对象。载荷传感器将载荷压力值转换为4～20ma的标准模拟信号输送到plc的模拟量输入模块，再由pid程序处理后产生对比例溢流阀的控制量，plc的模拟量输出模块将此信号转换为0～10v的标准信号输出控制比例溢流阀的开度最终实现对载荷压力值的控制，如图1所示。
图1 sy02径侧向机轮试验台控制系统控制系统原理框图
径侧向油缸的压力作为一组模拟量输入用来表征液压系统的工作状况，还可作为载荷传感器所测载荷压力值的一个补充和参照。此外，轮毂的变形位移显示了机轮在施加径侧向载荷后机轮轮毂的性能，也是一组需要记录的试验数据。油缸压力和轮毂位移都输入到plc的模拟量输入模块，如图2所示。
图2 sy02径侧向机轮试验台计算机控制系统实现框图
3 控制系统功能的实现
3.1 下位机程序设计
由于试验台要实现手动加压和自动加压，所以对试验台程序一开始就要判断加压的模式，判断模式后再进行相关的程序动作。首先是手动加压模式下，在这种模式下，从加压开始就由操作者控制，压力的大小、位移信息的反馈值都是由操作人员直接判断，然后人工控制加压过程直到加压结束回程，回程到位后停止，则整个手动试验完成。接着是自动加压程序，径侧向自动加压分成两种加压方式，一种是径向独立加压，另一种是径侧向联合加压。独立加压只能加径向压力，因为轮胎不可能在没有承受径向压力的时候就承受了侧向压力，所以在程序中不允许有侧向独立加压的情况。联合加压也必须先加径向，径向先加5s后再加侧向，以保证轮胎承受一定的径向压力后才开始承受侧向压力，避免了轮胎单独承受侧向压力或侧向压力大于径向压力的情况。但是这样安排后，径向加压过程会比侧向早5s结束，这是试验所不允许的，所以在联合加压的过程中，径载试验完成了后会一直保持最终压力，直到侧载试验也完成。这时径侧向油缸同时回程，联合加载试验结束，如图3所示。
图3 径侧向试验台加压主程序框图
3.2 上位机软件控制流程
组态软件选择的是北京华富公司的controx2000，提供工业监控软件所需的各种功能，如：现场图、设备和标签、动画连接、趋势图、报警和事件、历史记录、系统安全等。在与外部通讯方面，提供与各种品牌板卡、变频器、智能仪表以及智能模块的数据通讯连接，如图4所示。
图4 软件设计结构
本系统上位机软件分为2个模块，半自动控制模块和自动控制模块。半自动控制模块是由触摸屏上组态的按钮人工控制径侧向加压机构接触到被测机轮，然后按照输入的目标载荷值分l/o级在plc控制下自动加压，试验完成后再由人工控制径侧向加压机构回程结束。自动控制模块除了紧急情况下的停车按钮外，没有直接控制径侧向机构运动的按钮。其试验的过程如下：
(1)输入目标径侧向载荷值；
(2)点击“试验预备”按钮，径侧向机构自动运行至接触到被测机轮的位置，准备开始试验；
(3)点击“开始试验”按钮，试验台按目标径侧向
载荷值分l/o级自动加压进行试验，记录试验数据；
(4)l/o级加载完成后径侧向机构自动回程；
(5)试验完成并打印试验报告。
4 系统对非线性及误差的处理
由于本系统对精度有较高要求，试验中使用的载荷传感器和位移传感器都经过了标准单位的标定。另信号一旦受到干扰，就会产生错误数据，如果不经处理就传入控制系统中，就会引起试验台的误操作，严重的会导致载荷试验失败。因此在本系统中引入了软件滤波，是系统稳定的一个重要保证。同时考虑到对实时性的要求，在本试验台的监控系统中采用了中位值滤波法，试验效果比较理想。
其次，系统使用的比例溢流阀的非线性也是影响系统性能的一个重要因素。为了将其影响降至最小，从硬件、软件两方面人手解决。硬件上选用了意大利atos公司生产的ag-mzo r型比例溢流阀，此种阀配有内装压力传感器及电子放大器，可在阀内实现压力的闭环控制，能够显著的减小阀的滞环和线性误差。软件上在了解阀的特性的基础上，在软件编写中针对阀的非线性修正了模拟量的输出。通过这两方面的调整，可以基本上消除比例溢流阀的非线性和滞环。
5 结束语
飞机机轮径-侧向联合载荷试验系统对于我国的航空工业以及国防工业都有着重要的意义。此控制系统大大提高了整体试验装置的操作性能和工作效率，其试验速度快、性能稳定、可靠性高。基于plc和工控机的控制系统结合液压传动机构经实际测试证明完全能够满足试验台的要求。
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1 引言
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飞机机轮的测试是飞机测试中重要的一环，其中静态性能指标的检测需要一套控制精度高，响应快速的控制系统来完成，本文就是基于可编程控制器(plc)集成的控制系统来实现对机轮的联合载荷试验，并结合上位机对控制系统进行在线控制。
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控制系统要求有自动和手动两套系统，其中手动控制系统是为防止由于自动控制系统故障延误试验而设计的。自动控制系统为计算机控制系统，要求其能自动按比例加载测量并纪录试验数据。系统按试验要求能完成两种载荷试验：径向载荷单独加载试验和径侧向载荷联合加载试验。径向单独加载时，机轮侧向无压力，径向载荷按目标载荷值分十级逐级加载，直至达到目标载荷值，保持10s后回程结束实验。径侧向联合加载时，按径、侧向目标载荷值分别分为10级，按10％增量加载，先加径载，后加侧载，径侧向都到达目标值并保持10s后回程结束实验。
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2 控制系统原理及结构
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图1 sy02径侧向机轮试验台控制系统控制系统原理框图
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径侧向油缸的压力作为一组模拟量输入用来表征液压系统的工作状况，还可作为载荷传感器所测载荷压力值的一个补充和参照。此外，轮毂的变形位移显示了机轮在施加径侧向载荷后机轮轮毂的性能，也是一组需要记录的试验数据。油缸压力和轮毂位移都输入到plc的模拟量输入模块，如图2所示。
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图2 sy02径侧向机轮试验台计算机控制系统实现框图
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3 控制系统功能的实现
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3.1 下位机程序设计
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由于试验台要实现手动加压和自动加压，所以对试验台程序一开始就要判断加压的模式，判断模式后再进行相关的程序动作。首先是手动加压模式下，在这种模式下，从加压开始就由操作者控制，压力的大小、位移信息的反馈值都是由操作人员直接判断，然后人工控制加压过程直到加压结束回程，回程到位后停止，则整个手动试验完成。接着是自动加压程序，径侧向自动加压分成两种加压方式，一种是径向独立加压，另一种是径侧向联合加压。独立加压只能加径向压力，因为轮胎不可能在没有承受径向压力的时候就承受了侧向压力，所以在程序中不允许有侧向独立加压的情况。联合加压也必须先加径向，径向先加5s后再加侧向，以保证轮胎承受一定的径向压力后才开始承受侧向压力，避免了轮胎单独承受侧向压力或侧向压力大于径向压力的情况。但是这样安排后，径向加压过程会比侧向早5s结束，这是试验所不允许的，所以在联合加压的过程中，径载试验完成了后会一直保持最终压力，直到侧载试验也完成。这时径侧向油缸同时回程，联合加载试验结束，如图3所示。
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图3 径侧向试验台加压主程序框图
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图4 软件设计结构
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本系统上位机软件分为2个模块，半自动控制模块和自动控制模块。半自动控制模块是由触摸屏上组态的按钮人工控制径侧向加压机构接触到被测机轮，然后按照输入的目标载荷值分l/o级在plc控制下自动加压，试验完成后再由人工控制径侧向加压机构回程结束。自动控制模块除了紧急情况下的停车按钮外，没有直接控制径侧向机构运动的按钮。其试验的过程如下：
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(1)输入目标径侧向载荷值；
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(4)l/o级加载完成后径侧向机构自动回程；
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(5)试验完成并打印试验报告。
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4 系统对非线性及误差的处理
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由于本系统对精度有较高要求，试验中使用的载荷传感器和位移传感器都经过了标准单位的标定。另信号一旦受到干扰，就会产生错误数据，如果不经处理就传入控制系统中，就会引起试验台的误操作，严重的会导致载荷试验失败。因此在本系统中引入了软件滤波，是系统稳定的一个重要保证。同时考虑到对实时性的要求，在本试验台的监控系统中采用了中位值滤波法，试验效果比较理想。
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其次，系统使用的比例溢流阀的非线性也是影响系统性能的一个重要因素。为了将其影响降至最小，从硬件、软件两方面人手解决。硬件上选用了意大利atos公司生产的ag-mzo r型比例溢流阀，此种阀配有内装压力传感器及电子放大器，可在阀内实现压力的闭环控制，能够显著的减小阀的滞环和线性误差。软件上在了解阀的特性的基础上，在软件编写中针对阀的非线性修正了模拟量的输出。通过这两方面的调整，可以基本上消除比例溢流阀的非线性和滞环。
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