基于PLC的無人機起落架綜合測試系統(tǒng)設(shè)計

中國航天空氣動力技術(shù)研究院測控技術(shù)事業(yè)部 梁鳳麒 嵇治剛 王麗雅 叢 暉 牛志朝

1 引言

無人機在國內(nèi)和國際得到了快速發(fā)展，由于其具有靈活機動、高時效性、低成本、低損耗及監(jiān)測能力強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，在軍事和民用方面的應(yīng)用日趨廣泛[2]。地面測試設(shè)備是無人機系統(tǒng)的重要組成部分。隨著“無人機系統(tǒng)”概念的不斷深入和“六性”設(shè)計被廣泛要求，地面測試設(shè)備不再是配套附屬地位，已經(jīng)成為衡量一套無人機系統(tǒng)保障性的重要部分[1]。無人機起落架系統(tǒng)是無人機的重要部分，在無人機地面支撐、滑跑、起飛以及降落等過程中扮演重要角色。因此，研制一套高可靠性、高集成性的起落架系統(tǒng)地面綜合測試設(shè)備對于無人機的發(fā)展具有重要的意義[8][10]。

可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強、工作可靠性高、體積小、編程方便、修改容易等特點[3]，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC由原來的簡單的邏輯控制，逐步具備了計算機控制系統(tǒng)的功能，在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用[3][4][5][6]。本文針對無人機起落架地面測試的需求，研制了一套基于歐姆龍CP1H系列PLC和NB7系列觸摸屏的起落架地面綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足無人機起落架系統(tǒng)的剎車測試、收放路徑測試、收放疲勞測試以及輪胎充氣等功能。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC及三個通訊模塊、剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、充氣泵、真空泵以及相應(yīng)的內(nèi)部照明等部分組成。常規(guī)操作時，通過外接220V AC為系統(tǒng)提供所需電源，應(yīng)急狀態(tài)時，蓄電池做為應(yīng)急電源為系統(tǒng)供電。直接操作觸摸屏，可以實現(xiàn)對PLC的控制。相應(yīng)的監(jiān)控界面可以通過狀態(tài)顯示開關(guān)，指示燈，以及數(shù)字顯示框等顯示各個操作系統(tǒng)的運行狀態(tài)。同時也在I/O口配有相應(yīng)的開關(guān)，可以通過對開關(guān)按鍵的操作完成相應(yīng)的功能，進(jìn)而形成雙余度備份[10]。

圖1 無人機起落架地面測試系統(tǒng)框圖

歐姆龍 CP1H系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊、外形精美，維護(hù)便捷：具有中斷輸入功能，憑借指令的高速處理，有助于整個裝置的高速化；串行通信功能，可以根據(jù)選項板任意選擇2個端口、RS-232C、RS-485；擴(kuò)展性超群，可以使用CP1W系列、CJ系列的單元。滿足本項目對于通信功能的需求。其中的CP1H-X40DT-D為晶體管漏型PLC，輸入24點，輸出16點，為本論文選定的機型。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計

由于該設(shè)備用于外場測試，工作環(huán)境相對惡劣，本設(shè)計中針對可能存在的供電不足等情況，采取應(yīng)急電源方案。具體的電源系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。該電源系統(tǒng)工作分為兩個狀態(tài)，常態(tài)情況下由220V AC市電提供系統(tǒng)所需電源。通過AC-DC模塊分別轉(zhuǎn)化成24V DC、28V DC的電源為PLC、觸摸屏的電源、輸入及輸出供電（注：該起落架剎車及收放控制器模塊的供電電壓為28V DC）。通過蓄電池為飛機輪胎的充氣泵提供所需12V直流電，為剎車管路抽真空的真空泵所需220V AC 直接由外供電。在應(yīng)急狀態(tài)下，系統(tǒng)采用容量為69Ah的12V 蓄電池為應(yīng)急電源，通過逆變器將12V DC轉(zhuǎn)變?yōu)?20V AC，從而為整個系統(tǒng)提供所需的220V AC電源。其中，220V AC與逆變器之間采用交流接觸器隔離。交流接觸器在外接220V AC時線包工作，將逆變器隔離，在220V AC突然斷電是自動切換到逆變器工作模式，從而外接電源與應(yīng)急電源之間的隔離和自動切換。

圖2 無人機起落架地面測試電源模塊框圖

2.2 PLC硬件設(shè)計

在本論文中，PLC的輸入輸出主要為開關(guān)量，針對一些開關(guān)，結(jié)合實際操作的需要，采用觸摸屏組態(tài)開關(guān)與I/O外接開關(guān)的雙余度設(shè)計。用戶既可以通過觸摸屏模式操作，也可以采用機械開關(guān)進(jìn)行控制。部分I/O接口輸入輸出分配如表1所示。

表1 部分I/O接口分配

圖3 PLC與觸摸屏連接示意圖

如圖3所示，本論文所采用的NB7W-TW00B具有COM1和COM2兩個串口，供電電壓為24V DC，功耗為7W。這里采用COM1端口與PLC連接，實現(xiàn)通訊。

PLC的通訊模式可以設(shè)定為：Host Link，NT Li nk（1：N），RS232C，Tool Bus和串口網(wǎng)關(guān)等多種模式。本論文中主要用到Host Link模式和RS 232C模式。Host Li nk通信是一種對話型的通信協(xié)議[7]，在這種協(xié)議模式下，PLC對由觸摸屏發(fā)送來的命令發(fā)送應(yīng)答信號，PLC可以對觸摸屏中的數(shù)據(jù)區(qū)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。在這里我們選用歐姆龍PLC配套的通訊模塊CP1W-CIF01，安裝在PLC的COM1端口，通過RS232串口實現(xiàn)通訊。通信設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置（波特率9600,7位數(shù)據(jù)位，2位停止位，偶校驗）。

PLC與起落架系統(tǒng)的收放控制器，剎車控制器之間的通訊采用RS422串口實現(xiàn)。無協(xié)議通信中，可以利用TXD（236）和RXD（235）以及TXDU（256）和RXDU（255）與串行設(shè)備，如條形碼讀入器等交換數(shù)據(jù)。CP1H系列PLC本體預(yù)留的通信串口有COM1和COM2兩個接口。要完成與更多設(shè)備的通信功能，可以選用CJ1W-SCU系列的通信單元做外部擴(kuò)展。本論文中，PLC要與觸摸屏，收放控制器、剎車控制器實現(xiàn)通信，因此選用外擴(kuò)模塊CJ1WSCU31-V1. 該模塊可以直接與CP1H實現(xiàn)連接，具有PORT1和PORT2兩個端口。這里，與剎車控制器相連的端口采用PLC上的COM2口，連接通信模塊CP1W-CIF11，其背后的撥碼開關(guān)1置ON（有終端電阻），其余位置OFF。波特率設(shè)置分別為19200，格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。通信模式為RS-232C。收放控制器與 CJ1W-SCU31-V1相連，這里使用PORT1，PORT2做備份，通信模式設(shè)置為No-Pr ot ocol，波特率為38400，格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，與PLC通信的三個設(shè)備的通信格式如表2所示。

表2 通信格式

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件功能設(shè)計

起落架地面測試系統(tǒng)軟件以實時控制和監(jiān)測起落架狀態(tài)為中心，具有功能完善，操作方便，可視性好等特點。下面將具體介紹各個功能。

（1）系統(tǒng)狀態(tài)顯示及參數(shù)監(jiān)視

起落架地面測試系統(tǒng)可以控制，顯示起落架地面測試的參數(shù)和運行狀態(tài)，集中顯示在監(jiān)控界面中，方便工作人員對起落架的狀態(tài)的查看。

（2）起落架收放路徑測試功能

起落架收放系統(tǒng)是飛機的重要組成部分，該系統(tǒng)的工作性能直接影響到飛機的安全性和機動性。在地面對飛機收放功能的驗證是飛機設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)[9]。起落架收放路徑測試目的是用來檢測起落架作動筒的收放工作狀態(tài)是否正常，是起落架在地面安裝后必不可少的操作步驟。通過若干開關(guān)按鈕實現(xiàn)對收放路徑的測試，并通過相應(yīng)的指示燈顯示收放測試的狀態(tài)。整個測試過程通過PLC與收放控制器通信實現(xiàn)。

（3）起落架自動收放測試功能

自動收放測試是在收放路徑的基礎(chǔ)上，通過軟件編程實現(xiàn)，目的是用來做飛機起落架的疲勞試驗和驗證起落架系統(tǒng)的可靠性。該測試要求能夠手動輸入被測試的收放次數(shù)，然后自動完成該測試功能。

（4）起落架剎車系統(tǒng)測試功能

起落架剎車系統(tǒng)在起落架著陸滑行過程中起著重要的作用，因此在起飛前對剎車系統(tǒng)的調(diào)試有很重要的意義。在測試之前，首先需要對剎車油路進(jìn)行抽真空處理，保持管路一定的真空度。剎車系統(tǒng)測試流程如圖4所示。真空泵與剎車測試交替進(jìn)行。當(dāng)剎車測試滿足需求時，剎車系統(tǒng)停止工作。

圖4 剎車測試流程圖

（5）輪胎充氣及輔助功能

本論文中，將起落架相關(guān)的功能采取了集成設(shè)計，在起落架下放落地之前，需要對起落架的飛機輪胎進(jìn)行充氣，因此本系統(tǒng)將起落架充氣功能進(jìn)行集成，在本設(shè)計中輪胎氣壓顯示采用機械儀表，進(jìn)一步的設(shè)計中可以將輪胎氣壓顯示功能集成到PLC中，在觸摸屏中顯示。

3.2 軟件程序設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件分為PLC控制軟件和觸摸屏人機界面軟件兩部分。PLC控制軟件程序主要用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制執(zhí)行與下位機通信等功能；觸摸屏軟件程序主要用來通過網(wǎng)絡(luò)訪問和修改PLC的變量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等的輸出，將一些數(shù)據(jù)在其界面上顯示。本論文中PLC程序采用CX-Pr ogr ammer 7.0編輯，觸摸屏人機界面在NB-Designer中完成，兩者通過USB串口下載。

圖5 剎車模塊工作流程

圖5 所示為剎車模塊的工作流程，首先程序先按照通信的指令格式將通信指令存放在指定的存儲單元中。按照發(fā)送的要求進(jìn)行定時（這里的發(fā)送周期為0.1s），定時結(jié)束用TXD（236）將指令按照控制字指定的方式發(fā)送，剎車控制器接受到指令后自動反饋回數(shù)據(jù)，然后用RXD（235）指令接受反饋數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)存放在指定的存儲單元。接著對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。圖6為部分程序代碼。

圖6 部分程序代碼

圖7 收放模塊工作流程

起落架收放的工作流程跟圖5所示的剎車模塊工作流程相類似。由于采用的是擴(kuò)展模塊CJ1W-SCU31-V1，發(fā)送和接受的指令分別為TXDU（256）和RXDU（255）。自動測試的流程圖如圖7所示。首先對起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行初始化，使其處于下放狀態(tài)，然后設(shè)置其收放的次數(shù)，接著發(fā)送收起指令，判斷是否已經(jīng)收起，如果已經(jīng)收起那么發(fā)送放下指令，否則接著發(fā)送收起指令直至處于收起狀態(tài)。接著發(fā)送放下指令，判斷是否已經(jīng)放下，如果已經(jīng)放下那么收放次數(shù)減1，否則接著發(fā)送下放指令直至處于下放狀態(tài)。接著判斷次數(shù)是否為0，如果已經(jīng)為0，停止收放測試，如果不為0，接著進(jìn)行上述循環(huán)直至為0。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用歐姆龍的NB-Designer軟件設(shè)計，可以使用這款軟件為人機界面創(chuàng)建操作員面板并配置參數(shù)。本論文設(shè)計了剎車測試界面、收放路徑測試界面、自動收放測試界面以及輔助功能界面等。部分界面如圖8～10所示。

圖8 剎車模塊界面

圖9 收放路徑界面

圖10 自動收放測試界面

4 結(jié)論

無人機起落架地面綜合測試系統(tǒng)，采用基于觸摸屏和PLC的集成化設(shè)計，人性化的人機交互界面，方便了操作人員集中控制操作和觀察起落架測試系統(tǒng)。本論文集成了無人機起落架地面剎車系統(tǒng)測試、收放路徑測試、自動收放測試以及輪胎充氣等功能。具備應(yīng)急狀態(tài)自動切換蓄電池工作的能力，滿足某型號無人機外場測試的需求。

[1]薛艷峰.基于Windows+RTX的便攜式無人機測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報,2015(2):91-94.

[2]周偉,宋軍,成旭.無人機在海事監(jiān)管救助中的應(yīng)用與選型[J].水運管理,2012(4):23-25.

[3]李海鳳,于麗.基于PLC 的機艙延伸報警系統(tǒng)設(shè)計[J].船艦電子工程,2013(10):64-65.

[4]蔣曉峰,施偉峰,劉以建,桂如裕,楊錦濱.基于觸摸屏和PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備,2011:31(1).

[5]趙衛(wèi)東,辛宏,王元,劉和平.PLC在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報,2001(zl).

[6]李建榮.西門子802D SL系統(tǒng)在飛機起落架專用磨床中的應(yīng)用[J].新技術(shù)探討,2011.

[7]黃潤,龍偉,張志.歐姆龍PLC無協(xié)議通訊在生產(chǎn)呼叫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(2).

[8]楊厚川,高昆,陳勇.起落架收放作動筒液壓測試系統(tǒng)的PLC設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,21(2).

[9]王洪憲,薛彩軍,聶宏.飛機起落架收放疲勞實驗系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].實驗力學(xué),2010,25(2):173-179.

[10]李麟.無人機起落架雙余度電動收放系統(tǒng)研究[碩士學(xué)位論文].南京:南京航空航天大學(xué),2013.

[11]CP1H CPU單元編程手冊[M].2015.