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硕士学位论文基于网络化燃油试验系统作 者 姓 名 ：指 导 教 师 ： 教授 西北工业大学动力与能源学院申请学位级别：硕士学科专业名称：控制工程论文提交日期：2016年6月 日西 北 工 业大 学2016 年6 月a thesis in control and engineeringexperimentation system of network-based fuel by li fu guangsupervisor : professor su sanmainorthwestern polytechnical universityjune 2016独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解西北工业大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意西北工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期- -西北工业大学硕士学位论文 基于网络化燃油试验系统基于网络化燃油试验系统摘 要本文以工业网络技术在燃油试验系统中的应用为研究背景，对整个系统进行了设计。本燃油试验系统采用labview real-time模块进行数据采集以及燃油压力、流量、温度的控制，提高了整个系统的采集速率和稳定性。最后通过工业网络，使整个系统实现信息共享、远程控制、远程故障诊断，最终实现分布式油源的集中控制。本文主要完成以下工作：(1) 根据协议要求建立工业网络，包括中央控制计算机、ethernet/ip协议、arinc 429总线卡等，通信设备间可双向传输，每个方向上各用一个独立的传输导线，信息分发的任务和风险不再集中，稳定性高。(2) 设计独立燃油模块，公用燃油管路，各模块既可单独工作也可组合工作。对于整个系统实现分散燃油，集中控制。在液位、油温、超、欠压、压力波动、过载等自动保护措施外，还增加油雾感应传感器、称重系统分别针对燃油系统喷雾状漏油和渗漏式漏油及时告警，并关闭燃油系统。(3) 利用实时操作系统精确的定时功能，使得燃油系统的压力(p)、流量(l)、温度(t)实现闭环控制，减少压力、流量、温度的波动，还可以实现压力-时间、流量-时间、温度-时间曲线。(4) 设计燃油系统操作软件，操作软件除完成试验测控外还对试验数据进行计算与处理，显示出产品试验参数曲线，并对数据进行正误判断。软件界面采用图像、数字界面，将各仪表和数据以数字形式表现出来，将试验过程中的各种状态显示在用户界面上，可以方便的观察和控制试验过程。数据管理：将试验数据保存，并可进行数据查询、管理、打印、备份等。关键词：工业网络；燃油；labview real-time；温度闭环控制；数据管理- -西北工业大学硕士学位论文基于网络化燃油试验系统目 录独创性声明i摘 要ii第1章 绪 论11.1 工业网络概述11.2 网络化燃油系统综述21.3 本文的主要工作及意义2第2章 基于网络化燃油试验系统总体设计42.1 基于网络化燃油试验系统主要技术要求42.1.1 总体需求42.1.1 主要技术要求42.2系统主要组成52.2.1 液压源部分52.2.2 电气控制部分52.2.3 网络部分62.3 本章小结7第3章 基于网络化燃油试验系统液压部分设计83.1 燃油液压系统原理83.2 燃油液压系统设计方案113.2.1 常温燃油液压系统设计方案及组成113.2.2 高温燃油液压系统设计方案及组成123.3 燃油液压系统的理论计算133.3.1 常温燃油液压系统计算133.3.2 高温燃油液压系统计算143.4 燃油液压系统的防漏设计163.5 防爆安全措施173.6 本章小结17第4章 基于网络化燃油试验系统电气部分设计184.1 燃油试验系统电气部分工作原理及结构184.1.1 燃油试验系统电气部分工作原理184.1.2 燃油试验系统电气部分结构184.2 燃油试验系统测控部分工作原理204.2.1数据采集系统总体硬件框图214.3 自动控制逻辑关系及实现方法224.4燃油压力闭环控制实现方式244.5燃油温度pid控制设计244.5.1 pid控制原理254.5.2实时系统（real time operating system）简介254.5.3 pid控制系统组成264.6 电气测控系统信号抗干扰设计274.7 本章小结30第5章 燃油试验系统网络设计315.1 工业网络315.1.1 工业网络简介315.1.2 工业网络组态325.1.3 工业网络冗余设计及主要成件选择335.2 arinc429数据通信网络345.2.1 arinc429简介345.2.2 arinc429格式345.2.3 arinc429通信控制355.2.4 a rinc 429数据卡选择365.3 远程故障诊断网络365.4 本章小结36第6章 基于labview的系统软件设计376.1 labview简介376.2 基于labview数据采集系统设计386.2.1 数据采集卡的选择386.2.2 数据采集速度确定396.2.3 数据库技术应用416.3 燃油压力闭环控制程序设计426.4燃油温度pid控制程序设计446.5 arinc429数据编码及解码程序设计446.5.1 arinc429数据编码程序设计446.5.2 arinc429数据解码程序设计446.6 数据存储及数据库创建程序设计456.7 网络化燃油系统主程序设计456.7.1 程序流程图466.7.2 arinc429数据解码程序设计476.8 本章小结52第7章 结论与展望53参考文献54致 谢55西北工业大学硕士学位论文基于网络化燃油试验系统第1章 绪 论本课题是我公司在燃油试验系统中引入工业网络的一次成功尝试，该设备自15年4月交付验收，已经无故障连续运行一年时间，得到用户认可。1.1 工业网络概述工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即ieee 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。工业以太网， 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。继10m波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100m波特率快速以太网(fast ethernet，符合ieee 802.3u的标准)也已成功运行多年。工业以太网具有以下优势：(1）应用广泛以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如visual c+、java、visualbasic、labview等都支持以太网的应用开发。(2）通信速率高10、100 mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12mb/s（如西门子profibus-dp）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。(3）资源共享能力强随着internet/ intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。(4）可持续发展潜力大以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。(5）远程故障诊断随着社会的进步,现代大型液压系统非常复杂,十分专业,需要设备供应商的参与才能对它的故障进行快速有效的诊断,而设备供应商和其他专家往往身处异地,这就使建立基于internet的远程在线监测与故障诊断成为开发液压系统故障诊断的必然趋势。1.2 网络化燃油系统综述过去的燃油试验系统大部分按照“传感器二次仪表”的模式组成，自动化程度低，需人工操作；在其工作过程中，一般由模拟记录仪器在纸上记录数据曲线或由操作人员读取并记录数据，然后操作人员根据试验曲线和数据手工处理，得到设备的性能。由于小幅度波动的压力和随时间而漂移的压力偏移值很难通过压力表反映出来，从而使测量数据时间曲线精度得不到保证；对于流量、速度等实时性强的数据不但无法做曲线分析、而且测量误差也很大，更谈不上管理系统了。操作燃油系统需要多人参与，多人值守，自动化程度低，故障率高。20世纪末开始随着计算机技术的不断进步，工业网络在此期间也取得巨大进步，液压集中燃油设备越来越需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的信息化实时系统。同时实现高度自动化、计算机监控无人值守等功能。当前大多的燃油类试验台存在数据通信不畅，很多时候数据上不去指令下不来，做完的数据查不回去统计分析不方便。本课题针对以上现状结合现有技术，引入工业网络应用在液压控制系统中，在提高自动化程度、工作效率同时利用了在工业以太网网的可靠性、保密性。液压试验台的测控、管理系统是以机电液技术为基础，综合运用计算机技术、传感器技术，比例技术，数字和伺服技术，根据电机、软启动器、液压泵、液压阀、加热器的实际工况，进行自动调节，对整个液压系统性能测试和数据进行管理。全部测试数据都在软件控制下由计算机自动采集与处理，只需一人甚至无人值守。因此计算机与实时系统计算机控制系统之间实时通信，用软件代替了许多硬件，实现了智能化控制。1.3 本文的主要工作及意义把燃油试验系统进行网络的设计具有以下理论意义：(1)构成以pc为上位机，多台安装实时系统的工控机为下位机的小型网络系统，即可用pc实现集中操作站功能，又能根据需要扩展下位机功能。在实时系统中，把pc开发成简易工作站或者工业终端，进行编程、调试及监控；还可实现整个系统数据集中显示、集中报警功能。(2)将原本分散的油源集中起来，不必每一个试验设备都配备一套燃油系统，可以提高设备利用效率、节约成本和厂房空间；每一个燃油单元与总供油管路由球阀开关隔离，当一套燃油单元故障时，可以关闭该阀，由其它燃油单元燃油，因此增加了燃油系统的可靠性。(3)arinc429通信的应用可实现数据管理、数据共享等功能，使得燃油系统的各种数据在航空控制器、试验台、办公室之间得以共享。本文主要完成以下工作：(1) 根据要求设计燃油单元液压部分、设计燃油单元电气控制部分、组建燃油单元网络系统、编写计算机程序并调试。(2) 设计燃油压力闭环控制系统，该系统由压力传感器、比例阀、ai/ao数据卡、安装有实时系统的工控机等组成，经pid计算实现燃油压力的稳定。(3) 设计燃油加热及冷却闭环控制系统，该系统为双pid控制，由温度传感器、固态继电器、比例水阀、ai/ao数据卡、安装有实时系统的工控机等组成。根据当前温度与需求温度差值，一路pid控制输出pwm波进而控制固态继电器的输出功率，实现加热功率控制；另一路pid控制比例水阀开启度，实现冷却功率控制，两路pid控制实现燃油温度的精确控制。(4) 按照arinc429技术规范编写编码、解码程序，实现数据共享。(5) 引入抗电磁干扰技术，增加系统抗干扰能力和稳定性，采取防爆措施，增加安全性。(6) 将燃油系统常见故障分类处理：提示级故障、警告级故障、严重故障。当出现故障时计算机操控软件自动判断故障，并根据故障级别作出对应处理措施。- 57 -西北工业大学硕士学位论文 基于网络化燃油试验系统第2章 基于网络化燃油试验系统总体设计2.1 基于网络化燃油试验系统主要技术要求2.1.1 总体需求一楼常温设备：包括1号试验间、2号试验间和6号试验间。单独油源设备：12台，流量共900l/min。油源台架一体设备：4台。二楼常温设备：包括3号试验间、4号试验间和5号试验间。单独油源设备：6台，流量共400l/min。油源台架一体设备：3台。一楼高温设备：包括7号试验间、8号试验间。单独油源设备：5台，流量共250l/min。综上所述：常温油源共25台，总流量1300l/min。高温油源共5台，总流量250l/min。根据公司统计，燃油设备实际利用率约40%，峰值60%，本次设计按80%设计，因此设计燃油流量如下：常温油源总计流量1000l/min。高温油源总计流量200l/min。2.1.2 主要技术要求常温油源：1）燃油压力：32mpa。2）允许压力波动0.3mpa。3）产品燃油流量：1000l/min； 4）回油压力：0.6mpa。5）油液温度：45。高温油源：1）燃油压力：32mpa。2）允许压力波动0.3mpa.3）产品燃油流量：200l/min； 4）回油压力：0.6mpa。5）油液温度：20160连续可调。6）温度控制精度：1.5。2.2 系统主要组成2.2.1 液压源部分液压源由多个独立液压源组成，各独立液压源为并联关系。单个液压源结构如图2.1所示：包括动力单元、压力缓冲单元、测量反馈单元、加热单元、压力控制单元、减压单元、冷却单元、主供油管路、主回油管路等。其中主供油管路、主回油管路为共用。 图2.1 单个油源组成结构图2.2.2 电气控制部分电气控制由多个独立控制单元组成，各独立控制单元为并联关系，单个控制单元结构组成如图2.2所示：包括实时控制单元、模拟量输入/出单元、油液加热单元、数字量输入/出单元、中央控制单元等。其中中央控制单元为共用。 图2.2 单个控制单元组成结构图2.2.3 网络部分鉴于18号试验室计算机均安装有arinc429数据卡，且相互最大距离不超过300米，根据现场试验验证用屏蔽双绞线作为429通信电缆，当长度500米时通信数据正常，且波形未有明显失真，同时考虑到本公司航空控制器均采用429通信，因此燃油试验系统数据采用429通信，方便航空控制器分析对比数据。中央控制单元与实时控制单元则采用tcp/ip通信方式，网络结构如图2.3所示。图2.3 网络结构图2.3 本章小结 本章针对基于网络化燃油试验系统主要技术要求，分别介绍了液压源组成及结构、电气控制组成及结构、网络组成及结构。西北工业大学硕士学位论文 基于网络化燃油试验系统第3章 基于网络化燃油试验系统液压部分设计主要技术要求常温油源：介质：rp-3航空煤油，油液污染度水平不低于gjb420a-96 7级。1) 燃油压力：32mpa。2) 允许压力波动0.3mpa.3) 产品燃油流量：1000l/min； 4) 回油压力：0.6mpa。5) 油液温度：45。高温油源：介质：rp-3航空煤油，油液污染度水平不低于gjb420a-96 7级。1) 燃油压力：32mpa。2) 允许压力波动0.3mpa.3) 产品燃油流量：200l/min； 4) 回油压力：0.6mpa。5) 油液温度：20180连续可调。6) 温度允许波动1.5。3.1 燃油液压系统原理燃油液压系统采用单系单模块结构，即整个燃油液压系统由多个独立液压系统单元组成。各独立液压系统相互处于半独立状态：在液压原理上及结构上没有关联，但电气控制上相互关联。每一系均有独立的回油散热系统、独立的小油箱、配有加热器并采用闭式循环的方式保证各系温度满足试验台要求，且各系之间温度互不影响；各模块油箱之间通过管路与集中油箱相连接，使集中油箱油液能够及时补充到各系统中。由于各独立液压系统单元液压原理及结构均相同，为便于表述将一个单元拆分出来，如图3.1所示。本设计的特色：系统回油没有直接回油箱而是回到泵吸油口，这样设计优点：（1）可以节约资源，加热时只需加热管路油液，不需加热油箱温度；（2）高温油液完全在密闭管路中运行提高防爆性能。图3.1 单系液压原理图原理介绍：泵组模块控制液压原理：采用abb电机提供驱动恒压变量泵动力，每个恒压变量泵有两个控制先导口xd和mst，四个恒压变量泵的先导口xd并联一个设定压力为35mpa的直动式溢流阀，每个恒压变量泵mst口接一个电磁换阀，当泵组启动，电机运行平稳时（用延时继电器控制）电磁换向阀通电。恒压变量泵并联用一个直通式溢流阀控制，保证泵组压力基本一致。每个泵组电机运行时间有运行时间计时器（启动电机时，计算机根据每个泵组电机运行时间多少，优先启动运行时间少的泵组电机）。变量恒压变量泵出油口串联一个油滤（带污染指示器和旁通阀）保证燃油油液的清洁度，在油滤后面安装单向阀，与其他泵组并联，可以再不停止其他泵在时启停，之后在安装一个球阀，保证维修泵组模块时不影响其他模块的运行。油源进油集流管路设置有油样在线监测装置，可对系统清洁度进行在线检测。在总集流管安装一个安全溢流阀保护系统压力，回油管路安装散热热气控制系统温，安装回油油滤保证回油介质清洁度。燃油试验系统压力控制采用单系单控的方式，每一系压力单独控制，各系压力互不影响，对于每一系均选用sam定量泵, abb交流异步电机驱动，单系的最高燃油压力、启动和工作卸压由的各自的电磁溢流限定。单系压力调节由比例溢流阀控制调节，每一系均安装压力表和压力传感器同时测量显示每一系压力，以压力传感器为主。燃油试验系统温度控制采用单系双控的方式：加热器升温+冷却水降温，实现温度精确控制。每一系温度单独控制，各系温度互不影响，每一系均安装温度传感器同时测量显示温度主。a 油箱及附件：主要用于补充管路油液，油箱采用不锈钢密闭式油箱，安装有磁翻板液位计，缺油和溢油时报警，电控系统按故障处理，此时泵组不能启动；如果是工作中出现报警，则自动卸压停车，直到报警解除后系统才能正常工作。b 泵源系统：采用高温定量泵和交流三相电机，保证燃油压力、流量满足要求。c 吸油电动阀：当主供油管路油量不足时，吸油电动阀开启，泵从油箱吸油用于补充主供油管路油量。当主供油管路油量充足时，吸油电动阀关闭。高温供油时关闭吸油电动阀，使得加热器只加热管路油液，不加热油箱油液，节约能源同时有利于提高温度控制精度。d 油液精度（污染等级）控制：在燃油试验系统上设有1级3m和回油路上1级10m的过滤器，在泵吸口安装了吸10m的过滤器，以保证油液精度7级（gjb420a-96）的要求。滤芯污染后可通过发讯装置自动报警，提醒更换对应滤芯。用以保证元件的使用寿命。e 系统压力的控制：在泵出口设有电磁溢流阀作为系统的安全阀，设定系统的最高工作压力；可根据需要调节比例溢流阀调节系统压力。f 油液温度的控制：在供油路管路加热，回油路板式散热器冷却。利用pid温度调节器根据供油路上的油温检测温度传感器，控制回油路上的比例分流阀来控制系统油液开式或闭式循环。此种温控方式不但可大幅度降低加热功率，而且提高了控温精度。g 蓄能器：降低油液压力波动。h 供油阀、回油阀：当单系燃油压力达到要求后供油阀打开，将一定压力和流量的油液补充到主供油管路中。当单系故障或该系不工作时关闭供油阀和回油阀，防止主供油管路回油。3.2 燃油液压系统设计方案3.2.1 常温燃油液压系统设计方案及组成采用单系单模块结构，为独立的一个油源，独立供油、调压、回油、散热，只是在主供油管路入口处，主回油管路通过球阀切换。根据技术要求供压力调压范围为：235mpa，流量均为0200l/min。常温产品液压源由恒压变量泵组、电磁阀、高压油滤、压力传感器、压力表、单向阀、直动式溢流阀、安全溢流阀、回油油滤、散热器和油箱等附件组成。结构外型图见图3.2，采用上置油箱，下置泵组立式结构，具有体积小，美观，维护方便等优点。主要元件选择与介绍 泵：选用意大利sam公司的a4vso125常温柱塞泵，排量为125ml/r，额定工作压力为35mpa,使用温度范围：-20+80；六套。 电机：选用abb公司的y180m-4型。功率为132kw，额定转速1470rpm；六套。比例溢流阀：选用pprv公司的bd0系列比例阀； 冷却器：采用aflafa公司的不锈钢板式换热器； 压力变送器：采用ge公司unik5000-35压力变送器，量程：35mpa,精度：0.2%fs,频响：5khz。 流量传感器：采用德国威仕公司vs-2.0型齿轮流量计，量程：2.0180l/min，精度：0.5%f.s.。 软启动器：泵组电机为132kw电机，选用abb公司pst250-600-70软启动器。图3.2 常温燃油液压系统（单系）3.2.2 高温燃油液压系统设计方案及组成采用单系单模块结构，为独立的一个油源，独立供油、调压、回油、加热、散热，只是在主供油管路入口处，主回油管路通过球阀切换。根据技术要求供压力调压范围为：235mpa，流量均为0100l/min。高温产品液压源由恒压变量泵组、电磁阀、高压油滤、压力传感器、温度传感器、压力表、单向阀、直动式溢流阀、安全溢流阀、回油油滤、加热器、散热器和油箱等附件组成。结构如图3.3所示，采用上置油箱、加热器配电柜，下置泵组立式结构，具有体积小，美观，维护方便等优点。主要元件选择与介绍 高温泵：选用意大利sam公司的h1030高温柱塞泵，排量为30ml/r，额定工作压力为35mpa,使用温度范围：-20+180；两套。 高温泵：选用意大利sam公司的h1055高温柱塞泵，排量为55ml/r，额定工作压力为35mpa,使用温度范围：-20+180；两套。电机：选用abb公司的y050m-4电机。功率为30kw ，额定转速1470rpm； 电机：选用abb公司的y080m-4电机。功率为55kw ，额定转速1470rpm；高温比例溢流阀：选用pprv公司的bd0系列高温比例阀； 冷却器：采用aflafa公司的不锈钢板式换热器； 压力变送器：采用ge公司unik5000-35型，量程：35mpa,精度：0.2%fs,频响：5khz。 流量传感器：采用德国威仕公司vs-1.0型齿轮流量计，量程：1.050l/min，精度：0.5%fs, 温度传感器：采用麦克公司pt100.0型，量程：-20250,精度：0.2%fs。 软启动器：泵组电机为55kw电机，选用abb公司pst250-600-30软启动器。 图3.3 高温燃油液压系统（单系） 3.3 燃油液压系统的理论计算3.3.1 常温燃油液压系统计算（1）功率计算：根据系统压力、流量要求选取油泵为：单套泵组电机功率p: 取最大流量时压力p0=35mpa, 效率v=0.97，转速n=1450则：p= 120 （kw）选取abb的1450r/min，132kw电机，共六组。（2）管路计算：泵进油路管径d1:取v1=1m/sd114.6=4.6=73.6mm 取d1=80mm压力油管径: 取v3=5m/sd224.6=4.6= 33mm 取d2=35 mm回油管径d3: 取v3=2m/s 则:d34.6=4.6= 52 mm 取d3=60mm（3）管路壁厚计算：根据公式：=对于压力油路，采用1cr18ni9ti，其b5600kgf/mm2 b b/41400kgf/mm22mm取3mm2mm 满足要求对于回油路，采用1cr18ni9ti，其b5600kgf/mm2 0.07mm取2mm0.07mm 满足要求为了减小震动，泵的进、出油管路要各用一段与上面进油、压力油路计算通径相当的高压软管。3.3.2 高温燃油液压系统计算泵选择设计：根据要求，选择四个泵组分为两系，以满足流量需求。每系选择h1030m泵和h1055m泵。 h1030m泵，电机转速n=1470rpm，泵流量q=nq=301460/1000=44.1l/minh1055m泵，电机转速n=1470rpm，泵流量q=nq=551470/1000=81.4l/min（1）功率计算：根据系统压力、流量要求选取油泵为：电机功率p1=pq/60=3544.1/60=25.7kw 取p1=30kw 电机功率p2=pq/60=3581.4/60=47.5kw 取p2=55kw（2）管路计算:泵进油路管径d1:取v1=1.5m/s按泵流量计算则:d114.6=4.6=25mm 取d1=30mmd214.6=4.6=35mm 取d1=40mm 压力油管径d21: 取 v2= 8 m/s d114.6=4.6=10.8mm 取d21=14mm d224.6=4.6= 15mm 取d2=18 mm回油管径d3: 取v3=4m/s 则:d34.6=4.6= 26 mm 取d3=30mm（3）管路壁厚计算：根据公式：=对于压力油路，采用1cr18ni9ti，其b5600kgf/mm2 b b/41400kgf/mm22mm取4mm2mm 满足要求对于回油路，采用1cr18ni9ti，其b5600kgf/mm2 0.07mm取2mm0.07mm 满足要求为了减小震动，泵的进、出油管路各用一段与上面进油、压力油路计算通径相当的高压软管。（4）加热器功率的计算加热油液： =9.91kw加热管路： 加热油箱：单系加热总功率：p=9.91kw+=20.41kw，取21kw。3.4 燃油液压系统的防漏设计液压系统漏油常见原因有：a)接头、阀板等部件加工精度不够出现划痕或安装过程中密封面找到碰伤；b)管路焊接时出现焊接不均匀或焊接不完整，在高压状态下焊接处出现渗油、滴油；c）焊接变形大，特别是焊接管径较大的连接时，出现变歪、变形等，而在安装时不顾管路的长短角度强行装配，导致管路强度下降；d)密封胶圈老化或破坏导致管路喷油。针对上述原因，为了在试验台工作过程中尽可能的减少漏油和及时发现漏油、喷油制定出以下几种预防和解决措施：a) 小通径管路采用进口卡套式连接接头保证接头加工精度。b) 工艺严格要求焊接方法，尽量减少焊接变形。c) 油源上安装监控摄像头，实时监控油源工作情况。d) 油源系统在运行平稳时，油箱液面在短时间里持续下降，计算机及时发出声光报警，提示管路漏油。e) 集流管路以氩弧焊连续焊接为主，减少漏油点；高压集流管路法兰接口处用有机玻璃制作的密封装置包裹起来并在底部连接一个涡轮流量计(见图3.4)，当集流接头处发生漏油现象时，流量计将流量信号发送计算机，计算机发出报警信号 图3.4 集流管密封罩示意图3.5 防爆安全措施本设备主要介质为rp-3航空煤油，其闪点：38，露天燃烧温度260315，因此必须绝对保证燃油油液的防爆安全。根据rp-3航空煤油闪点低、易燃易爆的特点，整个设备必须首先解决电弧和静电问题，防止火花源的产生，如电气元器件均采用防爆元器件或将电气元器件安装在防爆箱内、管路之间可靠防静电短接、使用放静电软管、设置多处接地、配备报警静电接地夹等；再者结构设计上要考虑足够安全的结构强度、降低油气的产生和聚集浓度、加装安全报警装置、配备灭火装置等，如设备油箱按压力容器设计并在顶部配备呼吸阀和防火通气帽、油箱内部进油管道切45斜口并使之朝下防止起雾、配备温度传感器和可燃气体浓度检测仪实时监测清洗油液温度和油气浓度、配备防爆排风扇、灭火器等。还有使用环境必须为符合防爆标准的安全环境（安装排风扇、煤油感应器，百叶窗等）。系统回油油液直接回油箱而是循环进入泵吸油口，这样高温油液完全在密闭管路中运行不但降低能耗还提高防爆性能。3.6 本章小结 本章首先介绍了燃油液压系统的原理，然后依次对常温燃油液压系统设计方案及组成、高温燃油液压系统设计方案及组成进行了介绍，并进行了详细的计算，最后对燃油液压系统的防漏设计和防爆措施进行了总结。第4章 基于网络化燃油试验系统电气部分设计4.1 燃油试验系统电气部分工作原理及结构4.1.1 燃油试验系统电气部分工作原理网络化燃油试验系统电气控制有两种控制模式，手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式下，系统的各泵组电机由配电柜上的各电机启动/停止按钮控、plc控制各泵组电机的启动、运行和停止，燃油压力由配电柜上的压力调节电位计控制，此模式仅用于检修维护。在自动控制模式下，燃油试验系统接收外部各试验台的“液压源准备”的指令信号，进行流量需求计算后自动启动流量匹配的1组或几组泵站电机，并将燃油压力自动调节至32mpa供外部各试验台使用。手动控制模式和自动控制模式由安装于控制柜面板上的 “手动-自动”旋钮开关进行切换。网络化燃油试验系统分为10单元（常温6单元，高温4单元），每单元配备1套泵组，共10套，采用abb公司pst系列软启动器控制电机的启动和运行，启动电流小，对电网及液压系统冲击小，启动平稳。加热器则采用固态继电器控制，以实现pwm工作模式，使得温度控制精度更高。网络化燃油试验系统设置有紧急状态停止接钮，其不受控制权限切换旋钮开关“手动-自动”控制，紧急情况时通过“紧急停止按钮”使设备中控制元器件断电停止工作。网络化燃油试验系统设置有状态指示：油液温度、油源压力、电源状态、泵组工作状态、开关状态、油箱液位状态、油滤污染指示器状态、异常状态声光报警；记录泵累计工作时间计时器。4.1.2 燃油试验系统电气部分结构：燃油试验系统电气部分结构组成上分为控制柜（图4.1）和配电柜（图4.2）。控制柜安装工控机和数据采集卡、监视器、信号调理箱、打印机等弱电元器件，控制柜外形尺寸(mm)：高宽深： 20001200650mm。配电柜安装有各类控制负载所需求的软启动器、接触器、热继电器、空开等强电器件，配电柜面板上安装指示灯，控制按钮、蜂鸣器、数显仪表等器件，配电柜外形尺寸(mm)：高宽深： 20002000650mm。图4.1 控制柜图4.2 配电柜4.2 燃油试验系统测控部分工作原理电气测控系统如图4.3所示。测量控制系统以测量控制系统工控机作为总控制单元，安装实时系统的工控机为执行单元。测量控制系统工控机主要功能：将整个系统启动、停止等控制信号通过ethernet/ip发送到安装实时系统的工控机，将从安装实时系统的工控机接收的数据编码（arinc429格式）实现数据共享。测量控制系统工控机具体功能为：运行用户操作界面程序，进行试验操作，进行试验流程和试验参数、曲线的设定；提供手动和自动两种操作界面；为用户操作提供指示信息；为下位机调试提供显示界面；建立用户试验程序和参数数据库，允许用户对历史试验程序和参数进行记录、调用和编辑等操作；连接数据采集系统，根据用户要求的采样参数、采样频率、采样时间等要求实时记录采集数据；对采集数据进行滤波、分析、绘制曲线等后处理；对历史试验数据库进行管理，对历史数据进行查询、统计分析等操作等。安装实时系统的工控机主要功能：控制各泵组电机的启动、运行和停止；控制泵源燃油压力、温度；将液压源泵组各种状态和参数通过ethernet/ip上传给测量控制系统工控机。安装实时系统的工控机具体功能为：根据按钮与主令开关的指令信号、上位机控制指令和设定状态，控制驱动液压源、加载液压源、燃油液压源的启停，控制试验系统压力、流量、扭矩和温度。监控各关键状态变量，在系统过载、控制参数超出设定报警范围、电器系统故障、液压系统故障时关闭各动力源，给出报警信号和故障代码；与上位机通讯，提供下位机状态参数，完成相应的控制功能。图4.3 电气测控系统框图4.2.1 数据采集系统总体硬件框图整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，将信号送至数据采集卡进行采集，然后用软件进行处理。在采集过程中将数据保存到数据库里，实现了历史数据的访问。具体框图见图4.4。图4.4数据采集系统硬件结构图 工控机选择：工控机选择台湾研华工控机ipc-610，其具体的性能指标如下所述。cpu： 3.0g；内存： 4g；硬盘： 1tb；光驱： dvd；pci插槽：6槽；显示器： 19寸液晶；4.3 自动控制逻辑关系及实现方法燃油试验系统涉及的用油设备较多，且相互有关联，因此系统的启动、关闭必须有严格的逻辑关系，保证不误动作、升降压平滑。具体要求如下：（1）当前没有一个泵组启动，有启动信号时，第一次优先启动使用时间短的泵组，如果时间短的泵组故障则启动下一个（时间相同默认启动泵组1）,泵组启动时，系统卸荷阀通电，除对应泵组电磁阀，其余电磁阀通电，比例溢流阀电压按曲线从最低至最高，之后对应泵组电磁阀通电，比例溢流阀电压从最高至最低。（2）如果有需求信号时，根据需求流量和以启动泵组流量进行比对，当油源泵组启动流量大于需求流量总和时，不启动其他泵组：当油源泵组启动小于需求流量总和时，只需一个启动泵组时，逻辑关系同（1）。当需启动一个以上时，需要按照泵组使用的时间顺序启动（第一个泵组启动压力平稳后，启动下一个泵组）。（3）关闭泵组，当需求减少时，根据需求流量和以启动泵组流量进行比对，当油源泵组启动小于需求流量总和时，只需一个启动泵组时，比例溢流阀直接通最高电压，对应的泵组电磁阀断电，比例溢流阀电压按曲线从最高至最低。（4）当关闭多个泵组时，不能同时关闭，要先关闭使用时间长的泵组后，再关闭下一个。当所有泵组全部关闭后，系统卸荷阀断电。具体逻辑顺序（部分）见下表：其中表示接通，空白表示断开。启动条件高温泵组常温泵组1常温泵组2常温泵组3继电器ka2.1继电器ka2.2继电器ka2.3继电器ka2.4继电器ka2.5继电器ka2.6继电器ka2.7继电器ka2.8继电器ka2.9继电器ka2.10继电器ka2.11继电器ka2.12继电器ka2.13泵组升压过程中电磁阀dt2电磁阀dt3电磁阀dt4电磁阀dt10电磁阀dt11电磁阀dt12比例阀blt2010v比例阀blt3010v010v010v泵组升压结束比例阀blt2保持电压电磁阀dt2电磁阀dt3电磁阀dt4电磁阀dt10电磁阀dt11电磁阀dt12比例阀blt3100v100v100v运行中比例阀blt2保持电压比例阀blt30v0v0v电磁阀dt2电磁阀dt3电磁阀dt4电磁阀dt10电磁阀dt11电磁阀dt12泵组降压时比例阀blt310v10v10v电磁阀dt2电磁阀dt3电磁阀dt4电磁阀dt10电磁阀dt11电磁阀dt12比例阀blt2保持电压0v比例阀blt3100v100v100v降压结束恢复到运行中泵组全部停止，全部电磁阀断电4.4 燃油压力闭环控制实现方式采用压力闭环控制压力的原理如图4.5所示，手动控制电位计或计算机输入指令信号i1 ，当大流量通过伺服阀系统压力下降时，压力传感器反馈信号给判断模块，判断模块控制比例溢流阀输入信号增大，提高系统压力，如压力传感器压力过高，同理，反馈信号至判断模块，降低系统压力。图4.5 压力闭环控制压力原理4.5 燃油温度pid控制设计高温燃油试验系统对于温度控制精度要求较高（150时温度误差1.5），很多试验项目需做温度曲线试验，见图4.6，而且对于温度数据需存储、分析、查询等。基于实时系统pc机的开发平台实现pid控制，不但能实现pid控制，还兼顾数据采集、存储以及其他控制，使用一套pc系统即可实现多路pid控制。图4.6 温度曲线4.5.1 pid控制原理pid是比例(p)、积分(i)、微分(d)控制算法，它通过对偏差值的比例、积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象，图4.7为pid控制系统框图。图中：r-设定的目标值。y-控制变量，s-实际输出值，e-控制偏差（e=r-s）。图4.7 pid控制系统框图pid调节器按其调节规律可分为比例调节、比例积分调节和比例积分微分调节等。不是所有物理量的闭环控制必须同时具备这三种算法，也可以是pd,pi,甚至只有p算法控制。例如在hs762试验设备中对位移的控制只用了比例（p）调节，力控制的实现使用比例积分微分调节。比例积分微分调节的公式如下：y= (e+)式中：为比例常数，为积分常数,为微分常数比例(p)、积分(i)、微分(d)控制算法的作用比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。积分，反应系统的累计偏差e(t)e(t)+ e(t-1)+e(t-2)+e(1)，使系统消除稳态误差，提高无差度，由于积分调节对偏差有累积作用，所以只要有偏差e存在积分的调节作用就会不断增强，直至消除比例调节器无法消除的静差值。微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。4.5.2 实时系统（real time operating system）简介在一般情况下，一个操作系统（os）是负责管理的计算机的硬件资源和主机计算机上运行的应用程序。一个实时系统（rtos）执行这些任务，但是还特别设计运行具有非常精确的定时和高度的可靠性的应用。操作系统必须有一个已知的最大时间为每个关键操作的，它执行（或至少能够保证最大的大部分时间）。其中的一些操作包括操作系统调用和中断处理。可以绝对保证对这些操作的最大时间的操作系统一般被称为“硬实时”