基于PLC的飞机加油车系统本科毕业设计.docx

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基于PLC的飞机加油车系统本科毕业设计

基于PLC的飞机加油车系统

摘要

目前，我国飞机加油车液位、流量、压力等参数的监控系统均还以机械结构为主，结构复杂且手工操作，劳动强度大、效率低、误操作率高。

近年来，随着我国国民经济的发展，航空领域发生了巨大的变化。

飞机加油朝着快捷、方便的方向发展。

本文介绍了飞机加油车的现状及其发展趋势，设计了一种基于PLC的飞机加油车系统。

应用现代传感器技术，在保证完成飞机加油车各种作业功能的前提下，改进机械式加油系统存在的不足，简化系统结构，实现加油作业的自动化、智能化，提高加油车的技术性能水平。

该系统采用西门子PLC，设计了压力流量控制模块，利用压力和流量传感器对飞机加油进行实时监控保证加油顺利进行。

为了适应野外恶劣的环境温度，设置了温度传感器对油路温度进行监测，利用电加热的方法以及风扇来调节温度，确保油路温度保持在一个适宜的温度。

同时，飞机加油车罐内设置了液位传感器，当加油车罐内的燃油量达到下液位时系统就会报警停机。

关键词西门子PLC传感器压力流量控制温度控制液位控制

Abstract

Atpresent,aircraftrefuelingvehiclelevel,flow,pressureandotherparametersofthemonitoringsystemarealsothemainmechanicalstructure，Thestructureofcomplexandmanual，Labor-intensive,lowefficiency,highrateofmisoperation。

Inrecentyears,withChina'snationaleconomicdevelopment,aviationhaschangeddramatically.Refuelingaircrafttowardsthefastandconvenientway.

Inthisarticle,thestatusofaircraftrefuelingvehicleanditsdevelopmenttrend,thedesignofaPLC-basedsystemoftheaircraftrefuelingvehicles.Applicationofmodernsensortechnology,inensuringthecompletionofaircraftrefuelingvehiclefeaturesavarietyofoperatingunderthepremiseofimprovingthemechanicalshortcomingsrefuelingsystemtosimplifythesystemstructure,toachievetheautomationofrefuelingoperations,intelligence,improvethefuelleveloftechnicalperformancecars.ThesystemusesSiemensPLC,thedesignofthepressureflowcontrolmodule,theuseofpressureandflowsensorsforreal-timemonitoringofaircraftrefuelingtankertoensuresmoothimplementation.Inordertoadapttoharshenvironmentoffieldtemperature,setupatemperaturesensortomonitorthetemperatureofthecircuit,usingthemethodofelectricheatingandfantoregulatetemperature,toensurethatthecircuittemperaturemaintainedatasuitabletemperature.Atthesametime,aircraftrefuelingtanktruckssetupaliquidlevelsensor,whenthetankertruckfueltankcapacityofthesystemwillbeundertheliquidlevelalarmshutdown.

KeywordsSiemensPLCtransducerpressureflowcontroltemperaturecontrolliquidlevelcontrol

第1章绪论

1.1飞机加油车的发展

1.1.1国内外飞机加油车的发展情况

1．国内飞机加油车的发展历程

自1961年10月我国生产出自己第一辆飞机加油车至今，已经历了37年的历史，通过艰苦创业和对发达国家的技术引进，我国飞机加油车已发展到一个较高的水平，不仅在国内市场上占较大份额，而且有一定数量的出口。

建国初期，我国基础工业十分薄弱，飞机加油车完全依赖进口但随着我国民用航空事业和军用航空事业的发展，对飞机加油车的需求量越来越大，加上进口车维修及配件方面的困难，我国研制自己飞机加油车的工作日益显得迫切[1]。

1960年2月，原第一机械工业部在充分论证的基础上向安东汽车配件厂下达了仿制原苏联4000L飞机加油车的研制任务[2]，从此我国飞机加油车开始起步。

该车主要用于小型歼击机的燃油运送及加注，运载的油料为汽油、煤油、柴油。

该车采用CA10二类汽车底盘改装，主要由油罐、操纵室、侧管箱、油泵及取力传动装置、过滤、计量、仪表、控制系统、油路系统等组成。

油罐为椭圆形，采用碳素钢板焊接，内部喷锌防锈处理。

在设备简陋，配套件缺乏的条件下，通过土法上马，自行研制，于1961年10月第一辆样车试制成功，通过试验，各项指标基本达到了原苏制油车标准，我国第一辆自行研制的飞机加油车宣告诞生。

为了提高质量，全面达到产品技术要求，于1962年完成第二辆样车试制，通过严格试验，各项指标均达到技术要求，并于同年4月通过当时第一机械工业部组织的鉴定。

1962年5月飞机加油车投入批量生产，也揭开了我国自己生产飞机加油车的序幕。

为提高加油效率，满足我国对较大飞机加油车的斋要，按总后勤部和原第一机械工业部指标，由总后装备研究院、西安锅炉厂、太原锅炉厂联合设计了JY480型8000L半挂飞机加油车，由西安锅总厂负责试制，通过艰苦努力，于1964年1月试制完成[3]，该车由牵引车和半挂拖车组成，牵引车采用解放CA10型汽车底盘改制，这也是我国飞机加油车研制史上第一辆半挂飞机加油车。

为了向海军航空兵、空军的轰炸机、运输机提供容量大、加油速度快的加油车辆，1970年9月，总后勤部和原第一机械工业部决定由西安锅炉总厂和总后技术装备研究院共同研制JY58o型800oL黄河飞机加油车，1971年10月第一辆样车试制完成，1973年12月车辆定型委员会批准该车设计定型。

该车采用JN150或JN151型载货汽车底盘改装，油罐为圆矩形断面，这也是我国油料车中第一个圆矩形油罐，罐内防锈采用环氧树脂漆，其工艺得到了简化，也避免了原喷锌而引起的油料污染。

加油枪开式加油时:

单枪为so0L/min，双枪为l000L/min;加油接嘴闭式加油:

单管为700L/min，双管为1200L/min。

该车不管从外观、性能、还是加工工艺和加工手段都得到了较大提高，成为我国当时自行研制的大容量、大流量飞机加油车，也是我国生产量最大的飞机加油车[4]。

在这一时期，我国汽车底盘品种单一，对国外先进技术和关键部件缺乏引进，飞机加油车基本处在军品民用和部分进口的状态，发展速度比较缓慢。

十一届三中全会后，随着改革开放和我国综合国力的增强，军用航空事业和民用航事业飞速发展，对飞机加油车需求越来越多，且性能要求越来越高，开发新一代飞机加油车日益紧迫。

另外汽车工业的发展，为飞机加油车开发也提供了多品种的汽车底盘，如重汽的斯泰尔、二汽的东风、内蒙一机的奔驰等。

为适应现代民航飞机过站时间短和载量大的特点，为确保飞行安全，对飞机加油车的主要要求是:

加油安全可靠且效率高，油品质量合格且计量准确。

由于多方面的原因，致使我国民航长期依赖进口大型飞机加油车，既耗费了大量外汇，又对维修和配件供应等造成很大困难。

我国空军、海军也急需装备大型飞机加油车，以提高对大型轰炸机和运输机的加油效率。

面对这种现状，原机械工业委员会军工司、中国民航总局、总后勤部将大型飞机加油车的研制列人“七五”计划，并委托总后车船研究所和西安锅炉总厂于1986年开始调研和方案准备工作，经过大量调研和反复论证，制定出适合我国国情的较佳的设计方案。

1987年4月邀请总后、民航总局、大专院校及有关机场的科研人员和专业技术人员对方案进行了充分论证，并于1989年底完成了全部设计工作，1991年4月完成样车试制。

经过大量试验，1993年底通过了原机械部组织的鉴定。

该车各项指标均达到设计要求，我国研制最早的第一辆大型飞机油车宣告诞生。

该车由主车和挂车组成，主车采用斯泰尔043/6x4二类汽车底盘改装，包括车身油路、操纵室油路、平台油路、油罐、操纵室、气、液、电及仪表控制系统[5]。

挂车主要由全挂油罐、牵引装置、车轿总成、管路和电、气控制系统组成。

主车油罐额定容量为20000L，挂车额定容量为27000L，油罐用不锈钢制作，在国内第一次采用变截面罐，从而增强了油料的自洁性。

纹盘采用液压驱动，从而减轻了劳动强度，提高了工作效率。

流量计、高液位自动关闭阀、气动底阀、压力自动调节阀、无人断流阀等均从德国进口，从而提高了整车的性能。

采用了气动逻辑控制，防止了误操作。

该车使用纹盘或平台加油时:

单管流量为1200L/min，双管为2400L/min。

抽回油时:

单管300L/min，双管500L/min。

该车根据验收技术条件进行了严格试验，各项指标均达到设计要求，达到了国外先进国家80年代末90年代初的水平。

在这期间，四川专用汽车厂、南京晨光机械厂也先后研制出了用斯泰尔043/6x4二类汽车底盘改装的大型飞机加油车。

随着民航和军航的需要，飞机加油车的品种越来越多，西安锅炉总厂开发了13000L红岩飞机加油车，13000L延安飞机加油车、10000L黄河飞机加油车、s000L东风飞机加油车、20000L斯泰尔飞机加油车、5000OL奔驰半挂飞机加油车。

四川专用汽车厂也开发了14000L红岩飞机加油车、20000L斯泰尔飞机加油车。

南京晨光机械厂的14000L斯泰尔飞机加油车、20000L斯泰尔飞机加油车相继研制或生产，使飞机加油车进入了一个快速发展的新阶段。

现行的飞机加油车的加油系统是以机械式为主，该系统主要由油泵、压力控制阀、流量计、高低液位控制阀、手油门等部件组成，完成各种作业时主要是以人工控制为主。

传统的机械式加油系统虽然基本上能满足使用要求，但其存在的问题同样不可忽视：

（1）很多关键性部件（如压力控制阀、流量计、高低液位控制装置等）均以机械结构为主，需从国外进口，价格昂贵，供货周期长，更不利于战备。

（2）为满足不断提高的用户使用要求，其结构日趋复杂，操作部件越来越多，操纵舱的布置越来越困难，操作人员的劳动强度进一步加大，增加了误操作的可能性。

同时，对进一步提高其技术性能水平的难度越来越大。

（3）出现特殊情况时（如油路堵塞等），人工处理变得越来越困难，操作人员不经专门培训很难做出合理判断，造成误操作。

（4）加油作业正在向智能化和自动化方向发展，而单靠机械结构很难实现。

综上所述，要进一步提高飞机加油车的技术性能水平，加油系统的电脑控制势在必行。

2.国外飞机加油车的发展情况

在国外，飞机加油车早先于我国的加油车技术20多年，有关资料显示，国外无论是军用还是民用飞机加油车的燃油加注系统都开始采用电子计算机控制和测量技术。

随着技术的发展与交流，我国在飞机加油技术方面有了很大的发展，已经与国际接轨。

国外的飞机加油系统在很大程度上已经民用化，便捷化，在流量、功能等方面都形成了统一的标准。

在军事方面，由于技术的保密性，各国的发展都不同，但在加油技术上都各有特色，为了更快捷、更迅速的完成加油任务，加油车的类别也会有所不同。

1.1.2飞机加油车的发展趋势

近年来，随着国民经济的迅速发展，我国的航空事业发生了巨大变化，国内各机场都配备了许多大型客机，从而带动了地面设备的发展，专为飞机供运燃科的各种油罐槽车就是其中之一。

70年代，由于当时社会需求和当时的技术水平，主要产品是小型运油车、加油车和半拖挂加油车，甚至在街上还看到好多油、货两用汽车即运油时加上油罐，运货时取掉油罐体。

其特点是容量小，性能差，半拖挂车转弯不灵活。

年代以来，国内的专家和专业技术人员，根据市场需要，大力开发新产品，设计出容量大、功能多、设备齐全的新型罐车现在我国已能够自行设计和生产各种型号及规格的罐车满足用户的需求

随着航空事业的发展和我军现代化的需要对飞机加油车要求越来越高。

（1）对油料过滤质量的要求更加严格，其必须与国际接轨，油品质量必须达到美国石油协会的APll581规范中l组C级的规定。

（2）安全性需进一步提高。

由于飞机加油车所运载的航空油料属危险物品，并要靠近飞机、油库等重要场所，所以必须特别重视其安全性。

现代飞机加油车除设有防静电起火、保证油料过滤质量等装置外，还应设置防止误操作或防止由误操作引起事故的装置、故障—安全装置、应急操纵装置等，使安全性大为提高。

（3）多品种、多容量并存，以满足不同需要。

（4）大量采用气动操纵装置，以使操纵省力化、联动化、并减少操纵次数，降低误操作的可能性。

（5）采用微机系统，对加油进行全方位控制。

如对加油流量、加油时间、加油量、泵出口压力、过滤器压差、泵出口真空度、油罐容量等进行跟踪反馈。

目前我国飞机加油车的燃油加注系统和液位、流量、压力等参数的监控系统均还以机械结构为主，结构复杂且手工操作，劳动强度大、效率低、误操作率高，国内飞机加油车的加油系统的自动化仍然是个空白。

应用现代传感器技术，在保证完成飞机加油车各种作业功能的前提下，改进机械式加油系统存在的不足，简化系统结构，实现加油等作业的自动化、智能化，提高加油车的技术性能水平，是飞机加油车的发展方向[6]。

现今，飞机加油方式有数种，一种是集中加油，这是机场上使用特制的集中加油管线系统。

另一种是管道加油，在大型机场修筑地下管道，用管道车加油。

再一种就是加油车加油。

加油车一个突出的优点是它的机动性强，它可以移动到任何一处，具有很强的灵活性。

因此，当前国外很多厂商都在生产这种大型加油车。

总的来说，飞机加油车系统在国内外的发展趋势都更倾向于灵活性、便捷性。

随着机械、电子、化工、仪表工业的飞速发展，随着我国改革开放的进一步深入，我国对飞机加油车研制的投人越来越大，飞机加油车的发展日新月异，赶超世界先进水平已指日可待。

1.2本设计的主要研究目的和意义

飞机加油系统是飞机燃油系统与地面维护设备之间的一个重要环节,它决定飞机的使用特性、经济特性及动力装置的工作可靠性。

飞机加油系统有两种方式：

重力加油和压力加油。

重力加油即燃料靠重力进入油箱，速度慢，燃料和油箱易受污染。

压力加油即燃料靠压力压入油箱。

20世纪50年代逐步开给采用。

这种加油方式速度快，燃料和油箱都不受污染。

压力加油与重力加油相比，自动化程度高、加油时间短、防止油液污染、保证加油人员安全等优点。

随着改革开放和我国综合国力的增强，军用航空事业和民用航空事业飞速发展，对飞机加油车需求越来越多，且性能要求越来越高，由于压力加油的加油时间短，加油安全可靠且效率高，缩短了飞机的地面准备时间，油品质量合格且计量准确。

所以研究此项目具有重要的意义。

1.3本设计的研究目标

飞机加油车系统设计主要是对直升飞机进行野外加油。

通过传感器采集压力值、环境温度以及流量，将模拟量通过A/D模块转换成数字量，并送入PLC中，通过PLC进行数据处理，通过对压力和流量的测量来调节离心泵，将燃油抽送到10m的高度，并保持流量在5L/s。

控制温度保持在一个合适的范围之内。

加油车还设有液位传感器，当车内油量过低时会启动报警装置。

从而达到给飞机加油的目的。

研究的主要内容：

1.加油流量的精确测量和控制。

2.管路压力的动态测量和控制。

3.油罐液面测量和控制。

4.油路的温度测量和控制

4.根据加油速度和管路压力,发动机油门自动控制。

第2章基于PLC的飞机加油车系统原理

2.1PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。

PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务[7]。

1.CPU模块中的存储器

存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。

系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。

用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要求的特定功能。

用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。

PLC使用以下几种物理存储器：

（1）随机存取存储器（RAM）

用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序程序写入RAM。

它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。

RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。

在关断PLC的外部电源后，可以用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。

现在部分PLC仍然用RAM来储存用户程序。

（2）只读存储器（ROM）

ROM的内容只能读出，不能写入。

它是非易失性的，它的电源消失后仍能保存储存的内容。

ROM用来存放PLC的系统程序。

（3）可以电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）

EEPROM是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入所需的时间比RAM长得多。

2.I/O模块

各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般采用接线端子。

（1）输入模块

输入电路中没有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。

S7-200的输入滤波电路的延迟时间可以用编程软件中的系统块设置[8]。

交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

S7-200有AC120V/230V输入模块。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

（2）输出模块

S7-200的CPU模块的数字量输出电路的功率器件有驱动直流负载的场效应晶体管和小型继电器，后者既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载，负载电源由外部提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关。

输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。

对于继电器输出电路，继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。

与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧.

对于使用场效应晶体管的输出电路。

输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。

电路中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应晶体管，场效应晶体管输出电路的工作频率可达20～100kHz。

继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度缓慢，寿命（动作次数）有一定的限制。

如果系统输出量频繁，建议优先选用继电器型的输出模块。

场效应晶体管型输出模块用于直流负载，它的反应速度快、寿命长，过载能力稍差。

2.2PLC与变频器的通讯应用

在工业自动化控制系统中，最为常见的是变频器和PLC的组合应用[9]，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，构成了不同类型的变频PLC控制系统。

一个变频PLC控制系统通常由三部分组成，即变频器本体、可编程控制器PLC部分、变频器与PLC的接口部分。

变频PLC控制系统硬件结构中最重要的就是接口部分。

根据不同的信号连接，其接口部分也相应改变。

接口部分主要有以下几种类型。

（1）开关指令信号的输入

变频器的输入信号包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。

变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC相连，得到运行状态或者获取运行指令。

在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，从而保证系统的可靠性。

在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时，有时也会造成变频器的误动作。

当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。

当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。

正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC

（2）模拟数值信号的输入

变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。

数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20mA的电流信号输入。

由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。

当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC一侧的输出信号电压范围为0～10V，而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。

此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路中。

通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。

电信号的范围通常为0～10V/5V及0/4～20mA。

无论是哪种情况都应注意：

PLC一侧输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。

另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向变频器厂家咨询。

2.3系统的压力流量控制原理

2.3.1对压力流量控制的分析

给飞机加油时，要求加油时间尽可能短，因此飞机加油车泵油系统工作压力应尽可能大，以便加大流量。

但是飞机油箱及其内部供油系统能承受的压力值是一定的，过高的压力会导致飞机油箱及飞机内部供油系统的损坏。

这就要求飞机加油车设置压力控制系统，自动控制飞机油箱人口处燃油的压力，使其不超过允许值。

系统需要一台油泵，一个压力传感器，一个涡轮流量传感器，一台变频器以及主控器PLC。

可以保证恒压加油。

系统的控制对象是油泵，由于加油压力要尽可能保持恒定，要采用变频器来控制和调节油泵，才能达到恒压的目的。

要充分利用压力传感器这个信号。

油管路的密闭性良好，因此采用压力差来控制油泵的启动和停止。

泵在静态运行时，泵速、油压、流量是恒定的，在泵速不变的情况下，流量与油压成反比。

油压的变化可以由压力传感器反映出来，我们可以根据这个变化量来控制泵速的增加或减少以及启动和停止。

与机械式加油系统结构相比,主要在以下几方面作了变动:

1.用压力传感器代替压力控制阀。

2.流量计增加信号发讯功能。

系统启动后，加油管路上的阀门开启