某型燃油调节器试验台测控系统设计
彭卫东，雷阳
(中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉618307)
摘要：设计了某型燃油调节器试验台测控糸统，该糸统以工业控制计算机为上位机、PLC为下位机，卖现试验平台数据处理与运行过程的自动控制。上位机试验监控软件基于LABVIEW开发，卖现数据采集、处理与显示等功能，下位机控制软件基于TIA Portal V14开发，卖现模拟信号采集、油液压力控制、糸统保护等功能，上、下位机通过OPC技术卖现数据传输。试验验证了测控糸统的可行性，试验平台可以对燃油调节器进行自动重复多次性能测试，测试效率高，监控界面良好易于操作，能够满足卖际使用需求。关键词：燃油调节器试验台；测控糸统；LABVIEW；可编程逻辑控制器；数据采集
中图分类号：V233.7文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.008文章编号：1006-0316(2021)02-0058-08
Design of Measurement and Control System for a Fuel Regulator Test Bed
PENG Weidong,LEI Yang
(College of Aeronautical Engineering,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan618307,China) Abstract:The measurement and control system of a fuel regulator test-bed is designed.The system consist of industrial control computer that is taken as the upper computer and PLC that is taken as the lower computer to realize the data processing and automatic control in the operation process of the test platform.The upper computer test monitoring software is developed based on LabVIEW,which realizes the functions of data acquisition,processing and display.The control software of the lower computer is developed based on TIA portal V14,which realizes the function of analog signal acquisition,oil pressure control and system protection. The upper and lower computers realize data transmission through OPC Technology.The test results verify the feasibility of the measurement and control system.The test platform can automatically repeat the performance test of the fuel regulator for many times with high efficiency,and it is easy to operate the monitoring interface, which can meet the actual use requirements.
Key words：Fuel regulator test bench；measurement and control system；LABVIEW；PLC；data acquisition
某型燃油调节器作为航空发动机控制系统的重要组成部分，可以实现燃油的计量和燃油通断控制，其性能优劣决定飞机飞行的安全性和可靠性[1]o对于该型燃油调节器国内原有的试验台采用手动方式调节燃
油流量、压力，手动记录过程数据，人为因素高，检测效率低[2]o 因此，为了该型提高燃油调节器的测试效率，减少人为因素，提高试验精度，设计了一套燃
收稿日期：2020-07-06
作者简介：彭卫东(1968-)，男，四川仁寿县人，硕士，教授、硕士生导师，主要研究方向为计算机测控、计算机仿真、故障诊断、传感器技术；雷阳(1994-)，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向为机载设备智能检测与故障诊断，E-mail：*****************。
油调节器试验台测控系统。该系统可以实现试验平台运行过程的自动控制以及试验参数实时采集、显示、储存、打印等功能。
1燃油调节器试验台
1.1试验台组成与工作原理
燃油调节器试验台主要由液压系统、负载模拟系统以及测控系统三部分组成，液压系统又由供油系统、回油系统、温控系统以及滑油系统四部分组成。试验台工作原理框图如图1所示：启动滑油系统对被试件(机械密封组件及花键)进行润滑，待润滑2min后启动电机，驱动被试件运转，同时供油系统和温控系统给被试件提供一定温度和压力的燃油，负载模拟系统给被试件提供一定的拉压力，闭环控制器接收测
控系统的指令，给被试件上的执行元件提供激励信号，使执行元件打开，回油系统建立被试件的出口压力，并测量出口流量。
图1试验台原理框图
1.2主要技术参数
试验介质：3号喷气燃料(GB6537-2006)。
介质温度：20-110^，控制精度±3七。
供油压力：-0.06-1MPa连续可调，控制精度±0.01MPa。
供油流量：工6500L/h o
调节器出口压力：0~12MPa连续可调，控制精度土0.05MPao
调节器出口流量测量范围:60-5000kg/h，测量精度±0.5%。
电机要求：12000r/min，风冷型，额定输出功率s=35kWo
转速控制精度：±2r/min以内。
转向：双向可控。
1.3试验台功能
1.3.1试验台液压系统功能
(1)供油系统可以对被试产品进口压力进行控制。
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(2)回油系统能建立被试产品的出口压力，并测量出口流量
。
(3)燃油温控系统对被试产品的进口燃油温度进行控制。
(4)自循环过滤系统过滤油箱内燃油。
(5)滑油系统对被试件机械密封组件及花键进行润滑。
1.3.2试验台测控系统功能
(1)对供油压力、供油温度、回油压力、主电机转速进行自动控制。
(2)能够完成试验参数的实时采集、显示、存储、打印。
(3)实时监控试验台运行状态，在试验过程中检测传动系统扭矩输出、振动、温度、燃油压力等，并能在数据异常时记录该点状态，提供报警信号。
2测控系统的硬件设计
测控系统是燃油调节器试验台的重要组成部分，主要由电机传动系统、控制及保护系统、PXI数据采集系统、电子控制器及上位机五部分组成。
测控系统的硬件结构如图2所示。
UPS电源
交换机X1
OPC网络协议
Power VGA x2
工控机
RS232
RJ45
RJ45Pcle-8381USB
显示器x3
TDM计算机x1
显示器x1
TCP/IP
OPDE-V150A 伺服变频器光纤电缆右
PXI-1071PXI机箱电子控制器PXle-8381
*
VM-132M-375伺服电机
转速传感器温度传感器转速传感器扭矩传感器振动传感器拉压力传感器
电机传动系统
采集卡PX1-6355
个
校验箱
被试件执行元件PXI数据采集系统
八
压力传感器
流量传感器
振动传感器
温度传感器
拉力传感器
位移传感器
扭矩传感器
计量伺服阀
导叶伺服阀
LVDT组件
电磁阀
八
DO模块DI模块S7-1200PLC AI模块AO模块*
中间继电路油泵启停
电磁阀开关
位置开关
状态指示
油滤堵塞报警
系统急停
加载拉压力
系统油液压力
系统油液温度
>
>
>
电加热器
变频器-
比例溢流阀
电磁比例调压阀
板式换热器
控制及保护系统
图2测控系统硬件结
构图
2.1PXI数据采集系统设计
PXI数据采集系统硬件选用NI PXI平台，主要由PXIe-1071机箱、PXIe-8381高性能远程控制卡、PXI-6355数据采集卡三部分组成。PXIe-1071机箱具有三个混合插槽，每个插槽高达1GB/s的专用带宽和3GB/s的系统带宽，与PXI、PXI Express、Compact PCI和Compact PCI Express模块兼容。PXI数据采
集系统用一块PXIe-8381远程控制板卡与上位机系统的PCIe-8381远程控制卡通过光纤电缆完成数据交汇°PXIe-6355模拟量采集通过远程控制卡传输至上位机软件界面显示oPXIe-6355数据采集卡具备24个可编程数字量通道，4个模拟量输出通道，80个单端模拟信号输入通道，总采样率达1.25MS/so按使用50（实际使用36+14）个通道计算，单通道采样率可达25.0KS/s，满足单通道采样率&20KS/s的数据采集要求。
2.2电机传动系统设计
电机传动系统由电机及其变频驱动系统、高速轴承座、润滑装置、扭矩仪等元器件组成。系统选用OPDE-V150A-Txx交流伺服驱动器，具有8个数字输入点、4个数字输出点、3个模拟量输入点、2个模拟量输出点，输出频率不小于100Hz。选用VM-132M-375伺服电机，电机额定功率37.5kW，最高转速15000r/min，额定电压380V，可以满足试验最高转速12000 r/min、额定输出功率W35kW的电机要求。电机传动系统硬件结构如图3所示。
2.3控制及保护系统设计
控制及保护系统采用西门子S7-1200PLC 可编程控制器搭配其模拟量扩展模块及数字量扩展模块，完成对试验台液压系统逻辑动作控制及信号状态反馈、负载加载控制以及液压系统超温、超压报警设计。
2.3.1液压系统及负载加载控制
液压系统的逻辑动作控制及状态信号反馈均通过西门子S7-1200PLC的数字I/O通道进行控制，动作控制主要包括油泵电机、各种电动阀门、电加热器、照明、风扇等。状态信号反馈主要包括阀门开关状态、油滤堵塞状态、油箱液位等。液压系统控制原理图如图4所示。
负载加载控制由PLC控制器、电磁比例调压阀、磁致位移传感器以及拉压力传感器组成。负载加载控制原理图如图5所示。
被试件高速轴承座扭矩转速
传感器
伺服电机
AC380V
35kW
最高1200r/min
OPDE-V150A-Txx
伺服驱动器
I润滑装置I
图3电机传动系统硬件结构图
上位机监控软件
DO模块DI模块
中间继电路八
一
油泵启停
电磁阀开关
位置开关
—状态指示
—
油滤堵塞报警
1—系统急停
S7-1200PLC AI模块A0模块
加载拉压力
系统油液压力
系统油液温度
电加热器
变频器
比例溢流阀
电磁比例调压阀
板式换热器图4液压系统控制原理图
图5负载加载控制原理图
2.3.2液压系统超温、超压报警设计
液压系统超温报警原理如图6所示。液压
系统的超温报警主要由安装在液压系统中需要 温度控制位置的温度传感器来检测温度是否达
到设定的上限来实现。当这些温度传感器检测
到该点温度超过软件和仪表设定的超温值时， 软件和仪表就会将发热管的加热电源切断，起 到超温保
护的作用。超温保护设置了两路来进
行保护，一路是在温控仪表上设置上限报警并
切断加热电源，一路是在软件上检测到温度超
出设置上限报警并切断加热电源，这样设计可
以防止当工控机遇到故障或者死机断电的情况 下系统仍然有安全保护。
液压系统超压报警原理如图 7 所示。液压 系统的超压报警主要由安装在液压系统管道、
油箱等位置的压力传感器来检测液压系统内压
力是否达到设定的上限来实现，同时这些压力
传感器还负责液压系统内压力的实时检测和显
示。当压力传感器检测到液压系统的压力超过
软件和仪表设定的超压值时，软件和仪表就会
将报警信号发送到蜂鸣报警灯，同时关断相对 应的油泵，起到超压保护的作用。超压保护设
置了两路来进行保护，一路是在压力显示仪表 上设置上限报警，一路是在软件上检测到压力
超出设置上限报警并关断相对应的油泵，这样
设计可以防止当工控机遇到故障或者死机断电
的情况下系统仍然有安全保护。
图7液压系统超压报警原理
图