基于PLC和组态技术的飞机消防应急救援动态机舱模拟训练监控系统设计.pdf

2 0 1 4年 7月 第4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 3 4 基于 P L C和组态技术 的飞机 消防应急救援动态机 舱模拟训练监控系统设计 史艳红 ，孙 洁岩 ，王立文 1 ．中国民航 大学，天津 3 0 0 3 0 0 ；2 ．吉林机场集团，吉林长春 1 3 0 0 0 0 ＼ 摘要飞机消防应急救援动态机舱模拟训练系统可模拟飞机在滑跑、着陆和在空中遇不平稳气流等时颠簸振动情况。 它可以用来对机组和相关人员进行情景模拟训练，提高事故的应急处理能力。论述了动态机舱液压执行系统设计原理 ，简 述其工艺流程 、控制要求。构建了以P L C为控制核心、基于以太网通信和组态技术的动态机舱监控系统的硬件结构，介绍 了P L C程序和组态监控程序的设计方法。系统实现机舱运动的姿态和速度控制，具有连续、定时、间歇等多种控制方式， 运行稳定、可靠，监控界面简洁直观，操作方便，已应用于相关的培训训练。 关键词飞机消防；动态机舱模拟训练系统；液压系统；P L C控制；组态监控 中图分类号 T P 2 7 3 ； T P 3 1 ； T P 3 1 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 41 1 0 3 De s i g n o f t h e M o n i t o r a n d Co n t r o l S y s t e m o f Dy na mi c Ca bi n S i mu l a t i o n Tr a i ni ng S y s t e m f o r Ai r c r a f t Fi r e fig h t i ng Eme r g e nc y Re s c ue Ba s e d o n PLC a nd Co n fig ur a t i o n Te c h no l o g y S HI Ya n h o n g 。S U N J i e y a n 。WANG L i we n 1 ． Ci v i l Av i a t i o n Un i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0，C h i n a； 2 ． J i l i n A i r p o r t G r o u p C o ． ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Dy n a mi c c a b i n s i mu l a t i o n t r a i n i n g s y s t e m f o r a i r c r a f t fir e fi g h t i n g e me r g e n c y r e s c u e c a n s i mu l a t e t h e a i r c r aft ’ S b u mp y s i t ua t i o n wh e n i t i s r u nn i ng，l a n di n g a n d fly i n g i n t he a i r ．I t c a n b e u s e d t o t r a i n t h e fli g h t c r e w，t hu s c a n i mp r o v e t h e i r ha n d l i ng a b i l i t y w h e n me e t i n g e me r g e n c y ．T h e d e s i g n p ri n c i p l e o f d y n a mi c c a b i n h y d r a u l i c s y s t e m w a s d i s c u s s e d，t h e p r o c e s s a n d c o n t r o l d e ma n d s w e r e p r e s e n t e d t o o ．T h e h a r d w a r e n e t w o r k s t r u c t u r e o f d y n a mi c c a b i n c o n t r o l s y s t e m b a s e d O ff P L C a n d c o n fi g u r a t i o n t e c h n o l o g y wa s a n a l y z e d w h i c h c o r e w a s PL C，a n d t h e d e s i g n e d me t h o d s f o r t h e c o n t r o l a n d mo n i t o r p r o g r a m we r e i n t r o d u c e d i n b rie f ．T h e w h o l e s y s t e m h a s t h e f u n c t i o n s o f p o s e a n d s p e e d c o n t r o l ，i t wo r k s s t a b l y a n d r e l i a b l y ，a n d t h e h u ma n ma c h i n e i n t e r f a c e i s c o n c i s e ，d i s t i n c t a n d c o n v e n i e n t ．I t wa s a l r e a d y u s e d i n t h e t r a i n i n g c o u r s e ． Ke y wo r d s Ai r c r a f t fi r e f i g h t i n g ；Dy n a mi c c a b i n s i mu l a t i o n t r a i n i n g s y s t e m ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；P L C c o n t r o l ；C o n fi g u r a t i o n a n d mo n i t o r i ng t e c h no l o g y 安全是 民用航空的第 一要素 。大量 的调查研究表 明许多民航事故中，当事人缺乏紧急情况下的反应 能力 、应对措施和缺乏此类 的训练 以致不能进行正确 及 时有效处 理。因此 更加安 全有效 地利用 民用航 空 ， 提高机组 和相关人 员的安 全操作 能力 已经成为 当前 民 航发展主要的研究 课题。机组 和相关人 员需要 掌握 飞 机在各种状态下的运行特点，不仅需要掌握正常状态 下各种安全操作 ，更需要了解飞机在不平稳状态和非 正常运行状态下 的有效操作方法 。飞机消 防应急救援 模 拟系统应运 而生 ，它有效模拟 飞机 的各种不平稳 和 不正常状态 ，如颠簸摆动 、烟 、雾 、火 ，可对机组 和 相关人员进行情景模拟训练 ，提高其心理承受能力 、 事故操作与处理能力 、施救自救能力等综合素质。动 态机舱模拟系统是其中的一个子系统 ，它主要模拟机 身的颠 簸摆动 等。 目前 ，国外如美 国在飞机消防应急救援模拟系统 的研究 处于世 界前列 ，我 国在这一方 面的研究也 已开 始。某大学航空地面特种设备研究基地对此进行了相 关研究，并取得了阶段性成果，样机已供空乘学员开 展训练和使用 。 1 动态机舱摆动控制液压 系统设计 动态机舱长约6 m，宽约 3 m，高约2 ． 3 m，主要 实现一定幅度 、不 同速度 上下 、左右运 动。机舱 的底 盘利用十字轴支撑机舱的重力 ，并偏心支撑 ，利于静 态下 的稳定 。在十字轴 的平行线上分别设置两个液压 缸 ，完成两个 自由度上 的上下运动 ，组合成单 向摆动 和复合运动。其结构示意图如图1 所示。通过对两个 液压缸的控制 ，可 以实现液压缸 1的上下运动 、液压 缸 2上下运动、液压缸 1和液压缸 2同步上下运动、 液压缸 1和液压缸 2异步上下运动 。这样可 以近似模 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 3 作者简介史艳红 1 9 7 1 一 ，女，工学硕士，副教授 ，研究方向为机场设备 自动化、计算机控制。Ema i l y h s h i e a n c ． e d u ． C H。 第 1 4期 史艳红 等基于 P L C和组态技术的飞机消防应急救援动态机舱模拟训练监控系统设计 1 1 1 拟机身的上下摆动、机身的左右摆动以及机身上下和 左右的同向、异向摆动，即各种颠簸运动。 o 缸 2 o 缸1 6m 图 1 动态机舱结构示意图 由于系统 工件 要 上下 往 复运 动 ，上 升行 程 负载 大 ，速度相对较慢，下降行程速度较快 ，同时机舱摆 动有速度控制要求 ，选用单缸液压油缸和多阶段节流 调速 回路 。由于液压缸始 终是 竖立放置 ，机舱 的整个 重力全部落在两个液压缸上，液压缸向下运动的回路 上必须有限压装置，可用调速控制系统中的节流装置 实现限压作用 ，用三位四通电磁换向阀使液压泵在执 行元件不运动时卸荷。为了保证系统的安全运行 ，需 要给液压泵并联一个溢流阀，既可以限制系统的最高 压力 ，又能为节流调速阀起分流作用。整个液压传动 系统结构 图如 图2所示 。以模拟 机舱头俯仰运动 的前 液压缸动作 为例 ，简要说 明液压系统工作过程 。 l 一过 滤器2 一 电机3 一泵4 一溢 流阁5 、8、1 3 一 二位 二通换 向阀 6 、7 _三位四通换向阀 1 4 、1 5 、1 6 、l 卜 节流阀 图2 液压系统结构图 启动交流 电动机 2 ，驱动 液压 泵 3工作 。 当机舱 不动 时 ，阀 5的电磁 铁 Y A 1 1得 电 ，油 液 流 回油箱 ， 实现液压泵卸荷 。若模拟机舱 机头俯 仰运 动 ，使 阀 5 Y A 1 1 失电，阀6 Y A 7 、阀 8 Y A 1 得 电，液压缸内右 腔进油、左腔出油推动液压杆向上运动 ，机舱机头向 上运动；当杆触碰到上限位开关 ，则使阀 6 Y A 7失 电 、Y A 8 得 电 ，液 缸 内左腔 进 油 、右腔 出油 从 而 推 动液 压杆向下运动 ，机头 向下运 动 ；液压杆 向下触碰 到限位开关，阀 6 Y A 8失电、Y A 7得 电，如此循环 实现机舱机头的俯仰运动。在运动过程中，通过节流 阀 1 4、1 5调节缸 内液压杆 的运 动速 度 ，达到 调节 机 舱 机头俯仰运动速度 。 2 P L C控制系统设计 P L C控制与单片机和通用微机比较 ，工作可靠性 高 、抗干扰能力强 、环境适应性好 ，组成的控制系统 结构简单、体积小、质量轻且程序编制简易 、开发周 期短 、易于维护，因此选用 P L C控制作为主控方式。 在控制要求上 ，要求系统具有手动和 自动操作模式， 手动模式用 于现场 的调试操作 ，自动模式用 于控制机 舱的自动运行。同时要求机舱具有多种运行姿态，如 机舱的俯仰、翻转、颠簸等，且运动速度可调，控制 方式多样，如连续、定时、间歇控制等，具有现场控 制和控制室上位监控功能以及必要的安全保护措施。 2 ． 1 P L C控制系统主机选择 经分析 ，输入输出以开关量为主，其中信号类型 包括 缸杆行程控 制用行 程开关 ，机舱 运动模 式 、运 行姿态、控制方式和速度选择按钮、液压系统阀控信 号 以及启停信号 等。选用罗 克韦尔 Mi c r o L o g i x l 4 0 0作 为 控 制 主 机。 M i c r o L o g i x l 4 0 0 型 控 制 器 具 有 一 个 R S 2 3 2 ／ 4 8 5通信端 口、一个 以太 网端 口和一个非 隔离 的 R S 2 3 2通信端 口。每个控制器支持 3 2个离散 I ／ O 点 2 0个数字量输入，l 2个数字量输出和 6个模 拟量 I ／ O点 4个 模 拟 量输 入 ，2个 模 拟 量输 出 ， 并扩展 1 7 6 2 ． I Q 1 6 、1 7 6 2 一 O B 1 6各一块 。 2 ． 2 系统 网络 结 构 的确定 在 网络控制方面 ，罗克 韦尔公 司 N e t L i n x三层 网 络结构由以太网、控制网和设备网构成。以太网上设 有系统主控设备。通过主控设备，可对系统进行监 控 ，修改控制器 中的程序 ，存取计算机 系统生产 现场 的数据 达到实时监 控的 目标 。控制网主要用于完 成高 速实时控制，同时和其他设备共享数据和信息。设备 网主要用于监视现场设备的协调 ，操作员接 口、远程 设备 的组态 ，编程 和故 障处 理。 Mi c r o L o g i x 系统采用罗 克韦尔 N e t L i n x网络 结构 ， 它可 以直 接与 另一 个设 备 如个 人 计算 机 、操 作员 界面设备采用 D F 1协议通信，通过接 口模块连接 到以太网、D H - 4 8 5网和设备网上，收集和传送生产 和管理数据 ，分布式控制底层设备。 该 控制系统 采用 以太 网架构 ，利用 P L C实 现机 舱 的运动功 能 控制 ，利 用监 控计 算 机与 P L C的实 时 通信、数据共享 ，实现对机舱运行的动态监控。其结 构图如图3所示。 一 一 l 计 算 机 l以 太 网 卡 以 太 网 集 线 器I L 竺 堕 J L _ L ／／ 产～l 至 一 图 3 机舱运行控制 系统 结构图 2 ． 3 P L C控制程序设计 P L C控制程序采用 R S L o g i x 5 0 0编写 ，采用模块 第 1 4期 李伟光 等 基于 D S P的 E t h e r C A T分布式伺服运动控制系统设计 1 0 3 中断服务程序 读 缓冲区中断 读 取控 制 数据 二[ 解 码控 制 数据 二工二 生 譬 墓 菱 镭 譬 二[ 发 送 给驱 动 器 中断 结束 ] Y 取驱动器反馈信l I 息／ 外部输入信息 I 匡 圈 丽 司 发送 到 总线 图4 中断服务程序流程图 3 ． 2主 站软 件设 计 E t h e r C A T主站 的作用 就 是 发起 通 信 ，包 括 主 站 与从站之间、从站与从站之间的通信，而且主站的功 能基本上是靠软件来实现。该设计系统中，E t h e r C A T 主站采用具有两个标 准 以太 网接 口的 P C机 ，并 通过 B e c k h o ff公司提供的组态软件 T w i n C A T来实现 E t h e r C A T系统 的主站功能和人机界面 。T w i n C A T软件 主要 包括系统管 理器 、T w i n C A T P L C及 系统 配置 文件 等 。 其中，E t h e r C A T系统配置通过编写 X ML文件进行配 置 ，该文件用来贮存 E t h e r C A T系统配置信息 ，包括 主站 、从站的配置信息，循环命令 以及输入输出映 射。通过配置 T w i n C A T组态软件将其运行在 Wi n d o w s X P环境 的计算机 中 ，实 现主站功能 。 4 结束语 文中充分利用 E t h e r C A T网络拓扑结构灵活、系 统 配 置 简 单 、构 建 成 本 低 等 优 势， 以 及 T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5丰富的外设 功能 ，设计 一套 结构简单 ， 通信性能好 ，实时性 、同步性能好 ，数据 I ／ O刷新 速 度快且成本低的 E t h e r C A T分布式伺服运动控制系统。 该系统为伺服运动控制系统中高密度实时数据的传输 问题提供了解决方案 ，提高了多电机伺服系统的实时 通信性能。该系统可直接运用到实际的生产线设备 上 ，以提高生产设备各方面的性能，充分体现 E t h e r C A T现场 总线在 工业应 用中的优势。 参考文献 [ 1 ]杜品圣． 工业以太网技术的介绍和 比较[ J ] ． 仪器仪表 标准化 与计量 ， 2 0 0 5 5 1 61 9 ． [ 2 ]E t h e r C A T T e c h n o l o g y G r o u p ． E t h e r C A T I n t r o d u c t i o n [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． e 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