摘" 要：B737客机作为世界范围内使用最多与最成功的商用民航客机，其供配电系统经过市场检验证明了可靠性。随着我国对于民航客机的研制越来越重视，B737客机的供配电系统的研究是十分有必要的。文章参照真实飞机系统构建了基于PLC的B737模拟供配电系统，结合LabVIEW构建相关供配电网络操控系统，并对供配电网络运行原理与故障处理原理进行了分析，根据故障处理原理分析B737飞机供配电系统故障情况下的电网重构过程。通过实验分析，展示了正常状态与故障状态下模拟供配电系统运行状况，为相关人员进行B737供配电系统网络研究提供理论与实际参考。
关键词：PLC；LabVIEW；故障处理；B737模拟供配电系统
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）21-0006-05
Design of B737 Simulated Power Supply and Distribution System Based on PLC and LabVIEW
HUANG Xianchun， AI Houlong， ZHAO Hao， LIU Xijun
（Civil Aviation Flight University of China， Deyang" 618307， China）
Abstract： As the most widely used and successful commercial civil aviation aircraft worldwide， the power supply and distribution system of the B737 airliner has proven reliable by market inspection. As China pays more and more attention to the development of civil aviation aircraft， it is necessary to study the power supply and distribution system of the B737 airliner. This paper constructs the B737 simulated power supply and distribution system based on PLC by referring to the real aircraft system， constructs relevant power supply and distribution network control system combined with LabVIEW， and analyzes the operation principle and fault handling principle of the power supply and distribution network. According to the principle of fault handling， the power grid reconstruction process in the event of a fault in the B737 aircraft power supply and distribution system is analyzed. Through experimental analysis， the simulated operation status of the power supply and distribution system under normal and fault conditions is demonstrated， providing theoretical and practical references for relevant personnel to conduct research on the B737 power supply and distribution system network.
Keywords： PLC; LabVIEW; fault handling; B737 simulated power supply and distribution system
0" 引" 言
B737作为目前世界范围使用最为广泛的民航客机之一，对于B737供配电系统的研究一直都是飞机研究领域的重点。目前，在国内缺乏一种全物理层面模拟B737供配电的实验系统。在飞机供配电系统领域，大多数已有的实验系统都是全仿真或者半物理的。这使得相关人员在学习时无法了解到真实的飞机供配电系统工作过程。通过构建全物理层面的模拟实验系统，使得研究人员在进行飞机供配电系统研究时能够将研究方法带入贴近飞机供配电系统的实验系统中，提升研究方法的准确性。
本文分析研究B737飞机供配电系统的硬件构成与工作过程，基于PLC与LabVIEW建立B737模拟供配电系统。并且分析B737飞机模拟供配电系统在正常工作状态与故障情况下的工作状态。
1" B737供配电系统介绍
作为现代民航客机的代表，B737的供配电系统经过长期的市场可行性验证后证明有效。B737飞机供配电系统的主要电源由两台整体驱动发电机（Integrated Drive Generator， IDG）提供，每台IDG能提供115 V，400 Hz的交流电，并且每台IDG能产生90 kVA的电能供飞机使用。除了两台IDG可以为B737飞机供电以外，当飞机在地面等待的时候可以使用外部电源对整架飞机进行供电。外部电源与IDG类似能提供115 V，400 Hz的交流电，发电功率为90 kVA。B737飞机上还有一台辅助动力发电机（Auxiliary Power Unit， APU），这台APU能为B737飞机稳定地提供55 kVA的可用电能。飞机供配电系统中所有的负载都是接在汇流条上的，因此B737供配电系统中存在着功能不同的汇流条，如搭载交流负载的厨房汇流条、交流备用汇流条以及搭载着直流负载的直流主汇流条、直流备用汇流条等。这些汇流条上搭载的负载对于飞行安全具有不同的作用，因此在飞机供配电系统中不同的汇流条有不同的重要度。
飞机供配电系统中用于隔离左右配电网络以及进行电网重构功能的电气元件是汇流条连接断路器（Bus Tie Breaker， BTB）。B737的配电系统有变压整流器（Transfer Rectifier Unit， TRU）与静变流机（Invertor-INV）两种电能转换装置。其中TRU能将发电机产生的115 V交流电转换为28 V直流电供给直流汇流条使用。INV使用在非正常供电的情况下，当左右IDG均进入不正常工作状态而被系统隔离以后，飞机上的蓄电池将会通过INV将24 V直流电转化为115 V交流电传输给飞机上的关键飞行负载使用。这两种电能转换装置都不直接产生电能，因此也称为二次电源。由于蓄电池在正常工作模式下只会处于充电状态，只有在所有的可用供电方案全部失效以后才接入系统使用，进入放电状态。蓄电池接在热电瓶汇流条（HOT BAT BUS）上，当IDG1、APU、IDG2全部被隔离出系统以后，RCCB1以及STBY DC ALTN RLY闭合，热电瓶汇流条接入系统为交流备用汇流条以及直流备用汇流条提供电能，这两根汇流条是飞机上最重要的汇流条，这两根汇流条上搭载的都是诸如导航、飞控系统等关键飞行负载。
因此，当蓄电池接入电网后飞机只保留极少数电气负载，只有交流备用汇流条与直流备用汇流条上的负载会保持工作，其他所有汇流条将会失去供电。通过LabVIEW程序构建B737飞机供配电模拟实验系统如图1所示[1-2]。
2" 模拟供配电系统硬件与软件设计
B737模拟供配电系统将从供电、配电、负载3个方面进行设计。为了最大程度贴近于真实的飞机供配电系统工作情况。模拟系统内部集成了B737飞机供配电网络的所有部件，包括汇流条、传感器、蓄电池、TRU、静变流机、遥控跳开关（Romote Control Circuit Breaker， RCCB）等。模拟供配电系统中的IDG与外部电源系统由于电压与功率均一致，并且在B737供配电系统中IDG与外部电源不会同时接入系统进行供电。因此，在系统设计时可以采用同一种的电源分时进行供电，节约系统构建成本[3]。
B737客机中的汇流条是不可见并且隐藏在飞机的机体结构中的。在模拟实验系统中通过使用铜排的方式将汇流条直观的具现化，铜排上至少可以通过200 A的电流、宽度25 mm、厚度2 mm，方便相关人员进行研究。蓄电池在模拟实验系统中承担着备用电源的作用，模拟供配电系统选择定制的航空级蓄电池承担B737供配电系统中航空蓄电池的功能，模拟系统中的蓄电池按照24 VDC/30 Ah的标准选取，充电器具备过流、过充保护功能。定制相关参数满足GJB 4871-2003《军用航空蓄电池通用规范》中对于电池充放电参数的要求，以此满足B737客机系统中对于蓄电池的需求。
模拟供配电系统中IDG与APU是系统的电能来源并且各个电参数都需要能够被调节，以此来模拟实现IDG与APU在系统供配电过程中的各种控制需求。因此采用AN61701型工业电源，输出电压为三相115 VAC/400 Hz，额定功率3 kVA。AN61701电源的输出电压、电流、功率等参数均可以实现人为调节，从而实现模拟真实B737飞机的IDG功能，并且可以模拟飞行任务过程中遇到的发电机异常问题。配电系统中各断路器和接触器均按照IEC60947-4-1、GB14048.4等相关标准选择性能和安全参数符合标准的元器件，其中各个BTB的最大工作电流不超过50 A。二次电源由各个TRU与INV构成，飞机供配电系统中的115 V交流电通过TRU转换为28 V直流电为各级直流汇流条提供电能。TRU根据相关标准选择带载能力为28 VDC/10 A的变压整流器。模拟配电系统硬件设计如图2所示[4-6]。
系统负载部分通过在供配电系统柜外接两个负载柜来实现功能。负载柜使用工业以太网与配电系统柜和上位机控制台相连，实现负载管理与人工设置。负载柜中设置了100路负载，模拟实现各种飞行阶段和电源情况下负载管理功能[7]。系统控制台是B737模拟供配电系统的上位机，通过控制更改PLC程序与LabVIEW控制程序可以实现对于设备的操控。模拟系统使用电压电流变送器采集电参数，并传输给PLC进行数据处理，通过在PLC控制程序中设置部件互锁以及模拟量转换函数来保证模拟供配电系统的安全与数据传输的准确。
由于配电系统需采集大量的电参数与温度数据以及需要采集电网各处的状态信息。传统串口如RS232、RS485等通信手段无法正确处理大量的串口信息。因此，采用LabVIEW软件的OPC服务器通信来满足系统庞大的数据通信需求与通信速度要求。首先建立OPC服务器并且获得所有的PLC硬件的端口信息，然后在OPC服务器中按照对应的IP地址与端口信息依次建立PLC中的点位，并且在LabVIEW中新建OPCclient读取OPC服务器中的点位，将LabVIEW的控件与OPCclient中的点位绑定，完成LabVIEW程序与实际控件间的数据通信。
当系统出现电气元件故障的情况时，系统会通过LabVIEW控制策略控制电源的接通、断开及电源间转换，以此来恢复系统功能。接触器的控制信号直接通过PLC系统的I/O模块给出。控制过程将由LabVIEW程序实现，并且在LabVIEW的电网状态监控与飞行员控制界面中通过监测配电系统中各处的电参数，实现对控制程序效果的监控。供配电网络元器件监控界面如图3所示[8]。
在飞行员面板上显示大量的监控数据会造成飞行员额外的工作负担，不便于飞行安全。通过LabVIEW程序设计飞行面板，使飞行员通过操作飞行面板的旋钮来监控供配电系统中主要部件的电参数。其中左边的荧光屏与旋钮监视直流部分，右边的荧光屏与旋钮监视交流部分。当左边旋钮选择到TR1，右边旋钮选择到GEN1时，荧光屏显示对应供配电系统元器件的当前直流电压为28 V，电流为5 A；交流频率为400 Hz，电压为115 V，符合B737供配电系统实际情况。飞行员数据监控面板设计如图4所示。
B737模拟供配电系统的软件设计分为PLC控制程序设计和LabVIEW上位机监控与数据采集程序两个部分。PLC组态与控制程序使用博图（TIA）V14进行编译，主要功能是编写硬件保护程序，如各个断路器之间的自锁与互锁，防止来自LabVIEW程序的错误控制指令损坏硬件设备，并且在程序的控制优先级中PLC程序的优先级高于LabVIEW程序的优先级。例如当GCB1与GCB2同时处于闭合状态时，辅助电源断电器（Auxiliary Power Breaker， APB）与EPC无论从LabVIEW控制程序中接到何种控制指令均不能闭合，否则会造成系统出现并联供电的情况，严重情况会使得供电电源之间互为负载从而损坏供电电源[9-10]。
3" 模拟供配电系统功能验证
在正常工作情况下B737供配电系统可以看作左右两个独立的供配电系统，并且两个交流转换汇流条与APU互为备份电源，为飞机供配电系统提供冗余电源。由于B737供电电源的特殊性，不能出现两个供电电源为同一根汇流条供电的情况。如果出现并联供电的情况，那么两个供电电源有可能互相成为负载，从而损坏电源，这是B737客机的基础供电逻辑。通过在LabVIEW的前面板程序中设置供电构型与故障构型，模拟飞机供配电系统中出现的各种故障情况，如图5的IDG1与APU供电，模拟IDG2故障的情况，还有IDG2单独供电，模拟IDG1与APU故障的情况。
在B737供配电系统正常工作时，BTB1与BTB2会将左右两部分配电网络隔离开，防止同一根汇流条被两个电源并联供电的情况产生，并且APB会断开，将APU隔离在供配电网络以外，但APU作为备用电源在正常运行，并且会在左右IDG任何一方出现故障后接入系统，恢复故障部分的供电。左右IDG产生的电能通过GCB到达交流转换汇流条，通过交流转换汇流条到达厨房汇流条以及主汇流条进行供电。通过在模拟供配电系统中先设置左右双发供电状态，实现模拟供配电网络的正常工作状态，模拟供配电系统正常供配电状态如图6所示[11]。
B737供配电网络中有两条供电优先级最高的汇流条，分别是直流备用汇流条与交流备用汇流条。这两根汇流条上搭载的均为关键飞行负载，这些负载对于飞航安全十分重要。交流备用汇流条在正常工作状态下由IDG1通过交流转换汇流条1为其提供电能。当IDG1发生过压或者欠压故障时，系统会将IDG1隔离到供配电网络之外，防止不符合要求的电能损坏更多的用电设备。当IDG1被隔离以后，交流备用汇流条以及搭载的负载会失电。为了恢复负载的供电，系统会将为闭合APB，将APU作为备用电源接入供配电系统，并且闭合BTB1使APU为交流转换汇流条1供电，从而恢复交流备用汇流条的电能供应。但是APU的发电功率为55 kVA，不足以维持交流转换汇流条上搭载的所有负载的用电需求，系统会根据预设的负载优先级逻辑，将对飞机飞行安全不重要的负载进行切除处理，其中厨房汇流条上搭载的微波炉，烤箱等负载设备优先级最低，因此系统会将厨房汇流条上的负载全部切除，以保证交流主汇流条和交流备用汇流条上负载的用电需求。模拟实验系统中在供电构型选择中选择GEN2与APU供电模式后，系统将把GCB1断开将IDG1隔离出供配电系统，并且闭合APB将APU接入供配电系统代替IDG1为系统供能，然后闭合BTB1，使得APU产生的电能通过APB与BTB1重新为交流转换汇流条1供电恢复，同时BTB2继续保持断开状态，防止APU与IDG2同时为交流转换汇流条2供电，并且因为APU的发电量不及IDG1，所以系统断开GB1_LSR将厨房汇流条隔离出供配电系统，以此保障系统中其他重要负载的电能需求。故障处理流程符合B737供配电系统对于IDG1故障时的处理过程。模拟供配电系统IDG1故障处理过程如图7所示。
4nbsp; 结" 论
B737系列客机作为目前民航航线使用最多的飞机，对于该型飞机的供配电系统研究十分必要。本文分析了B737供配电系统的组成和功能，并且从硬件和软件两部分建立了B737模拟供配电系统，通过对比真实B737飞机供配电系统与模拟供配电系统在正常工作模式与故障处理模式的供配电过程，证明了模拟供配电系统的有效性，为分析研究B737供配电实验系统奠定了基础。
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作者简介：黄显淳（1999—），男，汉族，四川宜宾人，硕士研究生在读，研究方向：航空电子电气系统。
基金项目：四川省教育厅科技一般项目（18ZB0687）；中央高校研究生创新基金项目（24CAFUC10172
