基于PLC的航空电机负载模拟系统设计

康朋飞 张瑜 刘鑫

摘要：随着科技的发展，航空电机能否可靠运行越来越受到航空部门的重视。为保障航空电机安全可靠的运行，航空电机检测设备的发展就显得尤为重要。文章以西门子公司的 S7-200SMART 为核心设计了航空电机负载模拟测试系统，该系统由电阻、电容、电感等负载组成，通过工控机远程控制PLC，使交流负载开关柜和直流负载开关柜产生不同的负载组合，从而模拟飞机上的各种不同的带载测试设备，以实现系统对不同形式航空电机的检测。该系统通用性强，可以远程控制，控制界面简洁，操作方便，完全可以实现对航空电机的模拟负载测试。

关键词：电机测试系统；PLC；上位机；负载

中图分类号：TP311.1  文献标志码：A

0 引言

航空电机在航空工业中的作用尤为重要，航空电机能否安全可靠运行决定着航空器的发展，所以对航空电机的出厂测试要求极为严格，其中模拟负载测试为其核心测试内容。良好的航空电机负载模拟测试系统通过对新生产的航空电机长时间的连续带载运行，可以检验航空电机在极端条件下的可靠性和稳定性。经过长时间的带载测试可以有效避免事故的发生，从而间接降低维修费用，为航空电机的安全运行提供保障［1］。传统意义上进行的航空电机负载模拟测试主要是由测试人员在现场用检测仪器对待测航空电机进行模拟负载测试，加入的负载数量主要由测试人员根据经验完成。由于待测内容多，时间长，接线复杂，并且在检测过程中依靠人工进行设备调整和数据记录［2］，导致测试数据的记录和分析处理都比较困难，有些动态参数无法准确测量，因此如何在不使用人工的情况下，实现对发电机进行安全可靠的带载检测，成了近年来的研究方向。

1 系统简介

航空电机负载模拟平台自动控制系统如图 1 所示，负载模拟部分由电阻、电容、电感等负载组成，控制部分由PLC控制器和工控机组成。其中电阻、电容、电感分别装在115 V/100 kVA三相交流负载箱、230 V/50 kVA三相交流负载箱、540 V/50 kW高压直流负载箱和28 V/10 kW直流负载箱中，组成两个交流负载开关柜和两个直流负载开关柜，用来模拟飞机上各种不同的带载测试设备，以实现系统对不同形式航空电机的检测［3］。工控机安装在一个琴台式的操作台上，工控机配置按当前主流机型配置，便于控制系统的升级维护。工控机对负载参数进行监测与控制，每套负载采用独立的PLC进行控制，测量相互独立。负载自动控制为开环方式，系统采用手动和自动加载模式，在避免了繁杂的手工计算过程的同时，完全满足用户精度的要求［4］。工控机与PLC通过RS485进行通信。

2 负载模拟控制系统设计

2.1 PLC控制器选型

S7-200 SMART系列微型可编程逻辑控制器可以控制各种设备以满足自动化控制需要。CPU根据用户程序控制逻辑监视输入并更改输出状态，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其他智能设备的通信。S7-200 SMART 结构紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些优势的组合使它成为控制各種应用的完美解决方案［5］。本系统所采用的S7-200 SMART的CPU型号为SR20，共有12个输入口（DIa0～7和DIb0～3）和8个输出口（DQa0～7）。由于本系统所采用的输出口较多，需加入若干扩展模块，本系统采用扩展模块型号为EM DR08，共8个输出口（DQ0～7）。

2.2 115 V/100 kVA三相交流负载箱设计

本系统中115 V/100 kVA三相交流负载箱由一号电阻电容箱和二号电感电容箱构成，每个箱体分两路并采用独立的PLC控制，通过RS485与后台工控机进行通信，两路仪表各通过独立的RS485与后台工控机进行通信［6］。

115 V/100 kVA三相交流负载箱的一号电阻电容箱和二号电感电容箱分别由1台PLC和3个扩展模块组成，其中PLC实用输入接口6个，输出接口3个；扩展模块实用输出接口8个。115 V/100 kVA三相交流负载箱一号箱的I/O分配如表1所示，115 V/100 kVA三相交流负载箱二号箱的I/O分配如表2所示。

2.3 230 V/50 kVA三相交流负载箱设计

本系统中230 V/50 kVA三相交流负载箱由一号电阻箱和二号电感加电容箱构成，每个箱体分两路并采用独立的PLC控制，通过RS485与后台工控机进行通信，两路仪表各通过独立的RS485与后台工控机进行通信。

230 V/50 kVA三相交流负载箱的一号电阻箱由1台PLC和1个扩展模块组成，二号电感加电容箱由1台PLC和3个扩展模块组成，其中一号箱PLC实用输入接口6个，输出接口8个，二号箱PLC实用输入接口6个，输出接口6个；一号箱实用1个扩展模块7个输出接口，二号箱采用3个扩展模块，分别使用接口数为7个输出接口、7个输出接口和5个输出接口。

2.4 540 V/50 kW高压直流负载箱设计

本系统中540 V/50 kW高压直流负载箱分60 kW，60 kW，30 kW三路，组成两个箱体，每个箱体采用独立的PLC控制，通过RS485与后台工控机进行通信，两路仪表各通过独立的RS485与后台工控机进行通信。

如图2所示，540 V/50 kW高压直流负载箱的一号箱由1台PLC和2个扩展模块组成，二号箱由1台PLC和1个扩展模块组成，其中一号箱PLC实用输入接口6个，输出接口3个，二号箱PLC实用输入接口6个，输出接口1个；一号箱采用2个扩展模块，每个扩展模块实用8个输出接口，二号箱采用1个扩展模块，实用8个输出接口。

2.5 28 V/10 kW直流负载箱设计

本系统中28 V/10 kW直流负载箱共1路，1个箱体，采用独立的PLC控制，PLC和仪表通过1路RS485与后台工控机进行通信。

28 V/10 kW直流负载箱由1台PLC和1个扩展模块组成，其中PLC实用输入接口6个，输出接口5个；模块实用8个输出接口。

3 上位机界面设计

上位机界面设计是基于Visual Studio.NET中包含的WinForm来实现的，WinForm具有优秀的可视化控件，可以满足本系统的设计要求。系统监控界面包含菜单栏和显示区两部分［7］。菜单栏包含系统、参数设计、温度设置、风机控制、系统日志和帮助6部分［8］；显示区包含4个负载模块的数据显示，115 V/100 kVA和230 V/50 kVA三相交流负载箱显示区包含三相交流电的电压、电流、频率和功率因数值，风机的温度值以及系统的实时报文，540 V/50 kW高压直流负载箱和28 V/10 kW直流负载箱显示区包含电压值、电流值、风机的温度值以及系统的实时报文，系统操作界面如图3所示［9］。

4 系统验证

航空电机负载模拟系统设计完成之后进行测试，以230 V/50 kVA三相交流负载箱为例，当需要加入功率因数为0.6、总电流为15.5 A的数据时，首先需要点击辅助计算功能，输入总电流15.5 A和功率因数0.6，系统就会算出实际需要加入的电阻8.1 A和电感10.2 A，由于系统提供的最小值为0.5 A，所以对于8.1A实际取8 A，10.2 A实际取10 A。接下来合上对应的电阻开关按钮4 A、2A和1A以及电感开关按钮10 A，如图4所示。经过测试，系统完全满足设计要求。

5 结语

本设计是基于 PLC 的航空电机负载模拟系统，以 PLC 为主控制器，实现对115 V/100 kVA三相交流负载箱、230 V/50 kVA三相交流负载箱、540 V/50 kW高压直流负载箱和28 V/10 kW直流负载箱4个负载箱的控制，并设计了上位机显示界面，最终通过测试完成了航空电机负载模拟系统的设计。该系统上位机界面显示界面友好，易于操作。与传统的负载系统相比，本系统操作简便，具有良好的应用价值。

参考文献

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［2］溫培和.关于可编程控制器抗干扰的措施探讨［J］.黑龙江科技信息，2010（9）：30.

［3］梁雪玲，张墨诗.PLC在数控机床中的应用［J］.四川水泥，2015（3）：13.

［4］王英永.基于PLC的变频调速器多电机控制的实现［J］.科技创新导报，2012（24）：89-90.

［5］马强.电机及现代控制技术［M］.北京：中国原子能出版社，2018.

［6］佟亚珍，桑尚铭，冯荣尉.基于STM32的通用化电机角度测试系统设计［J］.微电机，2022（4）：82-86.

［7］王海燕.C#.NET下三层架构数据库应用系统开发［J］.计算机技术与发展，2012（6）：78-81.

［8］赵春玲.NET平台下开发三层架构WinForm应用程序简介［J］.信息技术与信息化，2010（4）：33-35.

［9］杨燕飞.多路力矩测试系统的后台软件设计与开发［D］.西安：西安工程大学，2015.

（编辑 姚 鑫）

Design of aviation motor load simulation system based on PLC

Kang  Pengfei， Zhang  Yu， Liu  Xin

（College of Technology， Xian Siyuan University， Xian 710038， China）

Abstract： With the development of science and technology， whether aviation motors can operate reliably has attracted more and more attention from the aviation sector. In order to ensure the safe and reliable operation of aviation motors， the development of aviation motor testing equipment is particularly important. This paper takes Siemens S7-200SMART as the core to design the aviation motor load simulation test system， the system is composed of resistance， capacitor， inductance and other loads， through the industrial computer remote control PLC， so that the AC load switchgear and DC load switchgear produce different load combinations， so as to simulate a variety of different load test equipment on the aircraft， to achieve the system detection of different forms of aviation motors. The system has strong versatility， can be controlled remotely， the control interface is simple， the operation is convenient， and the simulated load test of the aviation motor can be fully realized.

Key words： electric motor test system; PLC; host computer; load