基于PLC的飞机地面空调机组控制系统设计

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April 2020基于PLC的飞机地面空调机组控制系统设计
Design of PLC-based Control System of Airplane Pre-conditioning Air Unit
• 深圳中集天达吉荣航空制冷有限公司 孙映辉 Sun Yinghui 党秦豪 Dang Qinhao 林运龄 Lin Yunling
摘 要：介绍一种基于PLC的飞机地面空调机组智能控制系统，阐述了控制流程、配置选型、软件设计和触摸屏的画面状态，满足机组高可靠性、智能化、节能高效、维护方便的要求。

关键词：飞机地面空调机组 可编程控制器 节能
Abstract: This paper introduced an PLC-based intelligent control system of the airplane pre-conditioning air unit, describing machine process, control system configuration, software design and HMI graph configuration. which meets the requirements of high reliability, intelligence, energy saving and efficiency, and convenient maintenance. Key words: PCA PLC energy-saving
【中图分类号】V323.1 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2020）04-0065-03
1 引言
飞机地面空调机组（简称PCA），是一种能向停靠机场的飞机输送新鲜冷、热空气的空调设备。

当飞机停靠机场时，飞机地面空调机组与飞机地面电源配合，可以替代飞机内置辅助动力单元（简称APU），停止APU使用，有效减低飞机的废气排放，具有环保、节省航空燃油、降低运行费用等优点。

近几年，国家陆续出台了相关政策，将桥载设备替代飞机APU作为民航系统的一项主要的节能减排措施大力推广。

2 飞机地面空调机组
飞机地面空调机组原理参见图1所示。

图1 飞机地面空调机组原理图
飞机地面空调机组采用多个（2～8个）独立制冷系统，
将室外的高温高湿空气处理到0℃左右的低温空气。

送风系统采用变频高静压离心风机，满足不同的风量风压调节需求。

基于机场特殊的使用环境，对机组的智能化、可靠性、安全性、可维护性等有很高要求：作为放置在室外环境的全新风空调机组，机组需要满足全天候使用的要求，并具备变风量、变出风温度功能，能够满足不同飞机、不同气候环境时负荷变化的需求。

大部分过站飞机停靠时间短，机组需要具备快速调温功能，以便能迅速营造舒适的机舱环境。

3 控制系统组成
机组的控制系统需要实时监控机组的运行状态，维持机组安全、高效运行情况下，调整机组的送风量和出风温度达到设定值，从而维持舒适的机舱环境。

3.1 系统I/O变量
（1）机组采集的数字量包括制冷系统高压压力过高保护、低压压力过低保护、机温过高保护、风机过载保护、压缩机过载保护、风量风压选择、风管选择、机组启停信号等故障点和控制信号。

（2）机组的控制输出点包括送风机、冷凝风机、压缩机、电加热器、能量调节装置、排水泵、阀门、故障灯等的控
制。

（3）模拟量输入包括环境温度、机组出风温度、机舱温
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度、机组送风量、出风静压、制冷系统蒸发压力、蒸发温度、高压压力、排气温度、机组电压、机组电流等机组的主要性能参数。

（4）模拟量输出包括变频器和电加热调功器。

3.2 西门子S7-1200 PLC电控系统
西门子S7-1200 PLC有各种功能齐全的功能模块，产品配置灵活，充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调需求，CPU支持PROFIBUS主从站通信，RS485和RS232通信模块为点对点的串行通信提供连接及I/O连接主站。

对通信的组态和编程采用了扩展指令或库功能、USS驱动协议、Modbus RTU主站和从站协议【1】，在其工程组态系统SIMATIC STEP 7 Basic中可以方便调用，满足机组控制及通讯需求，参见图2所示。

图2 飞机地面空调机组监控系统示意图
3.3 SMART LINE触摸屏界面
机组同时配有SMART LINE高分辨精彩系列面板作为人机接口，面板集成有以太网口和串口，方便与PLC进行通讯，支持数据和报警记录归档功能，实现趋势曲线、报警处理、故障诊断等功能，可以方便查看机组运行信息、故障信息、趋势曲线、参数设定等，操作方便，参见图3所示。

图3 飞机地面空调机组操作面板画面
4 控制软件设计
软件主要功能包括：制冷控制、制热控制和故障处理等功能模块。

4.1 制冷功能模块
制冷功能：常规机组配置有2～8个压缩机及能量调节装置，自动调节压缩机开启台数使出风温度达到设定值，制冷模式控制流程参见图4所示。

图4 飞机地面空调机组制冷模式控制流程
4.2 制热功能模块
制热功能：调节调功器和电加热启动组数使出风温度达到设定值，通过软件自带的PID回路向导功能可以很方便的生成加热PID控制子程序如下所示：
实际使用效果表明，机组的控制效果能够达到快速升温、超调小的要求，图5为实际运行时的制热模式出风温度曲线。

图5 制热模块出风温度曲线
4.3 故障处理
故障分为严重故障（如送风机故障需停机处理）、一般故障（如制冷系统故障，不影响整机运行）、预警功能（如数据异常但不影响使用、制冷压力异常及时预警，提醒维护
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April 2020人员及时处理），多级故障处理方便故障统计分析，如下所
示：
5 结束语
实际使用表明，采用基于PLC的智能控制系统，能满足飞机地面空调机组的控制要求，可靠性高、故障率低、维护方便、智能化程度高特点。

参考文献
[1] 西门子（中国）有限公司. S7-1200可编程控制器[Z].
作者简介
孙映辉（1971-） 男 工学学士 电气自动化工程师 研究方向：人工环境系统电控装备研发工程
（上接53页）
（3）通过组急停的触发从而控制相应区域段电源接触器的断开与吸合，参见图15所示。

图15 段电源接触器触发控制
5 结束语
在本应用案例中，通过使用西门子S7-1500系列的1517F-3PN/DP ，以及包括IM 151-3 PN HF高性能故障安全耦合器和Profisafe故障安全IO模块，可以更好更高效的实现对系统的故障安全处理，并且对可以防止并减小人员事故的发生。

再结合TIA Portal V14编程软件作为系统的开发平台，这样客户可以根据现场实际情况，灵活合理的选择，既节约成本，又简化编程、维护的难度。

所谓安全控制系统，指的是能提供一种高度可靠的安全保护手段的系统，可以最大限度地避免相关设备的不安全状态，防止恶性事故的发生或在事故发生后尽可能地减少损失，保护生产装置及最重要的人身安全。

安全控制系统能在生产装置开车、停车、出现工艺扰动等状况和正常维护操作期间对设备提供安全保护，一旦设备出现危险情况，安全控制系统能够立即做出反应并输出正确信号，使得设备处于安全状态或停机。

参考文献（略）作者简介
程嘉骥 男 工学学士 工程师 研究方向：工业自动化系统集
成工程。