CN113341860B - 一种通用型电力加载装置及采用其的航空发动机试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通用型电力加载装置及采用其的航空发动机试验台，所述通用型电力加载装置通过采用2421BCD编码按一定的数字化规则映射到负载档位，并且可以有效地分离出小数位档、整数个位档、整数十位档和整数百位档，甚至整数千位档，档位设计规则合理，可扩展性和通用性强，可以有效解决各试验台电力加载装置不兼容的问题，推动了航空试车台的标准化进程。

Description

一种通用型电力加载装置及采用其的航空发动机试验台
技术领域
本发明涉及航空发动机试验台技术领域，特别地，涉及一种通用型电力加载装置，另外，还涉及一种采用上述通用型电力加载装置的航空发动机试验台。
背景技术
电力加载装置广泛应用于航空发动机的电功率测量，其用于吸收发电机输出功率。如图1所示，传统的电力加载装置主要由加载箱、控制面板、控制单元、测量单元、发电机及导线等组成。控制面板包括操作按钮及档位，用于操作人员通过按钮来选定相应某个档位或多个档位组合，以实现加载目标功率值的本地控制方式。控制单元包括可编程控制器的数字输入/输出模块，其中输入模块接口与按钮连接，输出模块接口与发电加载箱中接触器(KM)线圈连接，以实现相应功率档位接通与关断。加载箱中布置有电阻棒及其对应的接触器(KM)，各档位的电阻棒具有不同阻值(R)和不同根数(n)。每个档位包含三相电阻负载(U相、V相、W相)，每相负载阻值和根数相同且并联连接。测量单元包括传感器、变送器及仪表，用于发电电流和电压测量。发电机输出电功率通过电阻箱进行功率吸收和功率测量。
现有的航空发动机试验台电力加载装置，由于档位设计考虑不周到，使得发电加载系统的档位呈现随意性，如表1所示。由于档位设计差异，编写的软件程序不同，导致试车台的各个发电加载系统不能相互使用，一旦某个试车台的电力加载装置故障检修需要借用另一试车台的电力加载装置时，出现电力加载装置的硬件、软件与该试验台控制系统不兼容，通常要改造试验台控制系统使之匹配，这不仅耗费时间和人力，更重要是影响试验进度。另外，试车台需扩展功率时，由于无合理档位设计，也不能方便扩容，往往重新设计或订购，造成资源的浪费。因此，档位设计不合理既不满足试车台对负载系统的通用性要求，也不易于负载系统的扩展。
表1、现有电力加载装置的档位设计
Figure BDA0003071158810000021
另外，除了档位设计不合理外，传统的试验台发电加载装置在选择硬软件时存在着差异，比如控制器选择单片机开发或者PLC等，监控软件选择VB开发或组态软件等，这种差异导致了该装置在硬件和软件层面上就存在差异，其软件程序及硬件接口无法统一，不利于该装置在试验车台的通用化应用。
发明内容
本发明提供了一种通用型电力加载装置及采用其的航空发动机试验台，以解决传统的电力加载装置存在的通用性差、扩展性差的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种通用型电力加载装置，适用于航空发动机试验台，包括：
PLC控制器，基于2421BCD编码将目标功率值的档位设计为整数档和小数档，用于根据输入的目标功率值输出对应的档位信号；
控制单元，用于根据所述PLC控制器输出的档位信号输出对应的控制信号至加载箱；
加载箱，用于根据所述控制单元输出的控制信号进行目标功率值的加载。
进一步地，所述PLC控制器中设计有三个函数，分别为浮点数拆分函数、整数部分转化函数和小数部分转化函数，其中，所述浮点数拆分函数用于将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分，所述整数部分转化函数用于将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码后输出，所述小数部分转化函数用于将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码后输出。
进一步地，所述浮点数拆分函数将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分的具体过程为：
通过TRUNC函数从以浮点数形式表示的目标功率值中提取出整数部分，然后通过DI_R函数将该整数部分转变为浮点数，再利用SUB函数将目标功率值与转化为浮点数的整数部分作差，从而拆分出小数部分。
进一步地，所述整数部分转化函数将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将整数部分通过DIV_R函数缩小10倍后储存为中间变量，若该中间变量小于1，则整数部分的最高权位为个位，直接输出个位字节QB1，而十位字节QB2和百位字节QB3均为0，否则通过TRUNC函数将中间变量转化为双整形数值，并通过DI_R函数将双整形数值转化为浮点型数值，与中间变量相减后取其绝对值，以分离出个位，同时储存剩余整数部分，然后将该绝对值通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，并利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在该8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码，否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，然后将2421BCD码输出至个位字节QB1；
剩余整数部分中包含十位和/或百位，则将剩余整数部分作为输入，并重复调用整数部分转化函数以重复执行上述过程，即可输出十位字节的2421BCD编码和/或百位字节的2421BCD编码。
进一步地，所述小数部分转化函数将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将小数部分通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码，否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，最后将2421BCD码输出至小数位字节QB0。
进一步地，所述三个函数被配置为模块化函数块，并预留输出地址参数和接口，在使用时从所述PLC控制器的OB1中直接调用即可完成2421BCD编码方式下的档位控制。
进一步地，还包括WinCC工控机，作为监控软件，用于组态人机交互界面和进行远程控制，所述PLC控制器负责处理逻辑控制程序，所述WinCC工控机与所述PLC控制器之间通讯的物理接口为工业以太网，采用Profinet协议进行连接。
进一步地，当需要进行负载功率扩展时，只需通过Profinet接口直接调用模块化函数块和输出地址参数，即可在原有档位基础上进行扩展。
进一步地，还包括电流互感器和电压互感器，用于对发电回路进行电流和电压测量，测量的模拟量信号经PLC控制器的PLC模拟量模块进行采集。
另外，本发明还提供一种航空发动机试验台，采用如上所述的通用型电力加载装置。
本发明具有以下效果：
本发明的通用型电力加载装置，通过采用2421BCD编码按一定的数字化规则映射到负载档位，并且可以有效地分离出小数位档、整数个位档、整数十位档和整数百位档，甚至整数千位档，档位设计规则合理，可扩展性和通用性强，可以有效解决各试验台电力加载装置不兼容的问题，推动了航空试车台的标准化进程。
另外，本发明的航空发动机试验台同样具有上述优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是传统电力加载装置的组成结构示意图。
图2是本发明优选实施例的通用型电力加载装置的模块结构示意图。
图3是本发明优选实施例的浮点数拆分函数的逻辑处理流程示意图。
图4是本发明优选实施例的整数部分转化函数的逻辑处理流程示意图。
图5是本发明优选实施例的小数部分转化函数的逻辑处理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图2所示，本发明的优选实施例提供一种通用型电力加载装置，适用于航空发动机试验台，包括：
PLC控制器，基于2421BCD编码将目标功率值的档位设计为整数档和小数档，用于根据输入的目标功率值输出对应的档位信号；
控制单元，用于根据所述PLC控制器输出的档位信号输出对应的控制信号至加载箱；
加载箱，用于根据所述控制单元输出的控制信号进行目标功率值的加载。
可以理解，本实施例的通用型电力加载装置，通过采用2421BCD编码按一定的数字化规则映射到负载档位，并且可以有效地分离出小数位档、整数个位档、整数十位档和整数百位档，甚至整数千位档，档位设计规则合理，可扩展性和通用性强，可以有效解决各试验台电力加载装置不兼容的问题，推动了航空试车台的标准化进程。
可以理解，2421BCD转换表如表2所示：
表2、2421BCD码转化表
十进制 2421BCD码 十进制 2421BCD码
0 0000 5 1011
1 0001 6 1100
2 0010 7 1101
3 0011 8 1110
4 0100 9 1111
如表3所示，基于2421BCD编码的档位设计中，首先是将需要加载的目标功率值(浮点型数据)划分为整数部分和小数部分，然后分别进行编码。关于整数部分，则可以进一步拆分为个位、十位、百位等，分别利用2421BCD码进行编码。而关于小数部分，一般的加载精度要求0.1kW，故仅保留一位小数，并对其进行2421BCD编码。
表3、基于2421BCD编码的档位设计
Figure BDA0003071158810000061
根据表2可知：PLC控制器对应驱动控制单元的数字量输出模块的通道置1或0，进而导通或关断加载箱中的接触器(每个接触器后连接对应功率的电阻棒，例如Q0.0对应0.1kW、Q1.2对应4kW)，即可加载目标功率值。
具体地，所述PLC控制器中设计有三个函数，分别为浮点数拆分函数FC1、整数部分转化函数FC3和小数部分转化函数FC2。其中，所述浮点数拆分函数用于将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分，另外，浮点数拆分函数还配置有传递小数部分的接口和传递整数部分的接口。所述整数部分转化函数FC3用于将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码后输出，还可以按权位提取整数部分的数值，并传递整数部分剩余权位。所述小数部分转化函数FC2则用于将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码后输出。其中，上述三个函数被分别配置为模块化函数块，并预留输出地址参数和接口，在使用时从所述PLC控制器的OB1中直接调用即可完成2421BCD编码方式下的档位控制。
可以理解，如图3所示，所述浮点数拆分函数FC1将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分的具体过程为：
通过TRUNC函数从以浮点数形式表示的目标功率值中提取出整数部分，然后通过DI_R函数将该整数部分转变为浮点数，再利用SUB函数将目标功率值与转化为浮点数的整数部分作差，从而拆分出小数部分。最后，分别将拆分后的整数部分和小数部分通过整数部分接口地址和小数部分接口地址输出。
可以理解，如图4所示，所述整数部分转化函数FC3将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将整数部分通过DIV_R函数缩小10倍后储存为中间变量，若该中间变量小于1，则整数部分的最高权位为个位，则按照2421BCD编码直接输出个位字节QB1，而十位字节QB2和百位字节QB3均为0；否则通过TRUNC函数将中间变量转化为双整形数值，并通过DI_R函数将双整形数值转化为浮点型数值，与中间变量相减后取其绝对值，以分离出个位，同时储存剩余整数部分。然后将该绝对值通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，并利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在该8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码；否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，然后将2421BCD码输出至个位字节QB1，即可驱动个位对应的接触器动作。
另外，剩余整数部分中包含十位和/或百位，则将剩余整数部分作为输入，并重复调用整数部分转化函数FC3以重复执行上述过程，即可输出十位字节QB2的2421BCD编码和/或百位字节QB3的2421BCD编码。同理，千位档位也按照上述方式进行处理。
可以理解，如图5所示，所述小数部分转化函数FC2将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将小数部分通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码，否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，最后将2421BCD码输出至小数位字节QB0即可按位驱动接触器动作，完成小数位。
在本发明中，基于2421BCD编码的档位设计是按一定的数字化规则映射到负载档位，并能有效的分离出小数位档、整数个位档、整数十位档、整数百位档，有利于提高试验台的通用性和可扩展性。而传统的电力加载装置的档位并没有考虑这些，只是凑数，往往出现随意性。
另外，在本发明的另一实施例中，所述电力加载装置还包括WinCC工控机，作为监控软件，用于组态人机交互界面和进行远程控制，所述PLC控制器负责处理逻辑控制程序，所述WinCC工控机与所述PLC控制器之间通讯的物理接口为工业以太网，采用Profinet协议进行连接。
可以理解，本实施例的电力加载装置在控制上采取PLC控制器与WinCC工控机组合的方式，其中，PLC负责处理逻辑控制程序，WinCC负责配置人机交互界面和实现远程控制，两者协同工作，控制可靠，制定了统一的系统架构，便于实现电力加载装置在控制上的通用性和便利性，不仅实现电力加载装置的标准化，而且保证了系统的可扩展性。
而且，由于PLC控制器中的三个函数形成了通用的模块化函数块，并且预留了参数和接口，在使用时从PLC的OB1中直接调用即可完成2421编码方式下的档位控制。另外，2421BCD编码下的档位设计进行负载功率扩展时很方便，它不需要进行硬件改动，只需要通过Profinet接口在原有基础上进行档位扩展，软件程序可以直接调用PLC中存储的通用的模块化函数块和输出地址参数即可，大幅提升了可扩展性。
另外，在本发明的另一实施例中，所述电力加载装置还包括电流互感器和电压互感器，用于对发电回路进行电流和电压测量，测量的模拟量信号经PLC控制器的PLC模拟量模块进行采集。
具体地，为了数据接口通用化，本发明的电力加载装置采集参数的方式进行了如下设计：
针对模拟量信号，采用电流互感器和电压互感器对发电回路进行测量，并变送至标准信号4mA-20mA，再通过PLC模拟量模块进行采集。PLC处理信号则是通过函数FC105和FC106将其归一化处理后，一方面将实时值显示于WinCC工控机并存储在数据库中，另一方面则是通过PLC逻辑判断用于故障诊断，包括过载、过流、过压、欠压、缺相等。
针对数字量信号，通过PLC数字量模块采集加载箱内各个接触器和中间继电器等元器件的开关状态，PLC通过逻辑处理后将各个元器件当前状态显示于WinCC工控机并存储在数据库中，一方面实时监测元器件的工作状态，另一方面可以对元器件进行故障定位。
接下来，以设计一台最大加载功率为180kW的负载系统为例进行说明。
首先，具体的档位设计如表4所示；
表4、最大加载功率为180kW的档位设计
Figure BDA0003071158810000091
其次，在软件中编写基于2421BCD编码的档位。
例如，在试验台上需要加载176.6kW的目标功率时，则首先通过调用浮点数拆分函数FC1分离出整数部分和小数部分，分别为176和0.6，对于整数部分176，则通过调用整数部分转化函数FC3分离出个位、十位、百位，分别为6、70、100，以及个位、十位和百位分别对应的2421BCD编码，对于小数部分则通过调用小数部分转化函数FC2将小数部分0.6转化为对应的2421BCD编码，具体的编码结果如表5所示。
表5、加载功率为176.6kW对应的2421BCD编码结果
Q3.0 Q2.3 Q2.2 Q2.1 Q2.0 Q1.3 Q1.2 Q1.1 Q1.0 Q0.2 Q0.2 Q0.1 Q0.0
1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0
又例如，在试验台上需要加载80.5kW的目标功率时，首先也是分离出整数部分80和小数部分0.5，对于整数部分，分离出个位、十位、百位分别为0、80、0，然后分别通过调用对应的转化函数进行2421BCD编码转化，具体的编码结果如表6所示。
表6、加载功率为80.5kW对应的2421BCD编码结果
Q3.0 Q2.3 Q2.2 Q2.1 Q2.0 Q1.3 Q1.2 Q1.1 Q1.0 Q0.2 Q0.2 Q0.1 Q0.0
0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1
如果在实际应用中需要将最大加载功率从180kW扩展为800kW时，可以直接通过Profinet接口在表4对应的档位设计上进行扩展即可，扩展后的档位设计结果如表7所示，只需要在原有的基础上扩展电阻箱，即扩展百位中的400和200所对应的接触器和电阻等元器件即可。由于试验台采用了统一的档位设计，且设计合理且明了清晰，有利于档位的不断扩展，大大提高了通用性。
表7、最大加载功率为800kW的档位设计
Figure BDA0003071158810000101
另外，本发明的另一实施例还提供一种航空发动机试验台，采用如上所述的通用型电力加载装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通用型电力加载装置，适用于航空发动机试验台，其特征在于，包括：
PLC控制器，基于2421BCD编码将目标功率值的档位设计为整数档和小数档，用于根据输入的目标功率值输出对应的档位信号；
控制单元，用于根据所述PLC控制器输出的档位信号输出对应的控制信号至加载箱；
加载箱，用于根据所述控制单元输出的控制信号进行目标功率值的加载；
所述PLC控制器中设计有三个函数，分别为浮点数拆分函数、整数部分转化函数和小数部分转化函数，其中，所述浮点数拆分函数用于将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分，所述整数部分转化函数用于将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码后输出，所述小数部分转化函数用于将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码后输出；
所述小数部分转化函数将拆分出来的小数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将小数部分通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码，否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，最后将2421BCD码输出至小数位字节QB0。
2.如权利要求1所述的通用型电力加载装置，其特征在于，所述浮点数拆分函数将输入的目标功率值拆分成整数部分和小数部分的具体过程为：
通过TRUNC函数从以浮点数形式表示的目标功率值中提取出整数部分，然后通过DI_R函数将该整数部分转变为浮点数，再利用SUB函数将目标功率值与转化为浮点数的整数部分作差，从而拆分出小数部分。
3.如权利要求1所述的通用型电力加载装置，其特征在于，所述整数部分转化函数将拆分出来的整数部分转化为2421BCD编码的具体过程为：
将整数部分通过DIV_R函数缩小10倍后储存为中间变量，若该中间变量小于1，则整数部分的最高权位为个位，直接输出个位字节QB1，而十位字节QB2和百位字节QB3均为0，否则通过TRUNC函数将中间变量转化为双整形数值，并通过DI_R函数将双整形数值转化为浮点型数值，与中间变量相减后取其绝对值，以分离出个位，同时储存剩余整数部分，然后将该绝对值通过MUL_R函数扩大10倍后去掉小数点，再通过ROUND函数转换成双整形数，并利用MOVE函数提取双整形数的高字节，再使用I_BCD函数转成8421BCD码，若该8421BCD码大于或等于十进制8，则在该8421BCD码的基础上加上十进制6，即可变成对应的2421BCD码，否则，该8421BCD码与2421BCD码等价，然后将2421BCD码输出至个位字节QB1；
剩余整数部分中包含十位和/或百位，则将剩余整数部分作为输入，并重复调用整数部分转化函数以重复执行上述过程，即可输出十位字节的2421BCD编码和/或百位字节的2421BCD编码。
4.如权利要求1所述的通用型电力加载装置，其特征在于，所述三个函数被配置为模块化函数块，并预留输出地址参数和接口，在使用时从所述PLC控制器的OB1中直接调用即可完成2421BCD编码方式下的档位控制。
5.如权利要求4所述的通用型电力加载装置，其特征在于，还包括WinCC工控机，作为监控软件，用于组态人机交互界面和进行远程控制，所述PLC控制器负责处理逻辑控制程序，所述WinCC工控机与所述PLC控制器之间通讯的物理接口为工业以太网，采用Profinet协议进行连接。
6.如权利要求5所述的通用型电力加载装置，其特征在于，当需要进行负载功率扩展时，只需通过Profinet接口直接调用模块化函数块和输出地址参数，即可在原有档位基础上进行扩展。
7.如权利要求1所述的通用型电力加载装置，其特征在于，还包括电流互感器和电压互感器，用于对发电回路进行电流和电压测量，测量的模拟量信号经PLC控制器的PLC模拟量模块进行采集。
8.一种航空发动机试验台，其特征在于，采用如权利要求1～7任一项所述的通用型电力加载装置。
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