燃氣發生裝置柔性監測和控制系統設計*

摘 要：傳統的燃氣發生裝置監測與控制系統針對某一特殊類型燃氣發生裝置進行專門設計，存在通用性差、維護修改困難等缺點。如何提高監測與控制系統的可移植性、通用性和擴展性，即如何使其具備良好的“柔性”，對于縮短燃氣發生裝置研制周期和調試費用、提高運行可靠性和適應性都具有重要意義。文章擬構建一種可移植性、通用性和擴展性良好，即具備“柔性”的監測和控制系統，可應用于不同類型、不同型號試驗的燃氣發生裝置的實時監測和運行控制，其適應性寬、可靠性高、操作靈活，便于非專業測控人員使用和維護，可視作裝備級的監測和控制系統。

關鍵詞：燃氣發生裝置；柔性；監測；控制

燃氣發生裝置是一種采用氧化劑（氧、空氣或其他氧化劑）及燃料（酒精、煤油、天然氣等）燃燒生成預定流量、壓力和溫度的高溫燃氣的專門裝置，它適合短時輸出大功率熱能動力，在工業用燃氣輪機、火箭沖壓、高超聲速推進地面試驗系統、氣動激光器及化學激光器壓力恢復系統等軍事和民用領域得到廣泛應用。燃氣發生裝置類型眾多、運行特點不盡相同，監測與控制系統需要完成燃氣發生裝置的狀態檢測、運行控制、安全聯鎖和保護性停車等，是燃氣發生裝置實現可靠、安全運行的關鍵系統。監測與控制系統研制周期長，特別是其調試往往是燃氣發生裝置研制和運行中最為耗費時間和人力的環節。測量和控制技術是現代工業技術的重要支柱，在尖端研究領域，重大成果的取得往往依賴于測控技術的良好應用。現代測控技術發展趨勢是標準化、開放化，對于某一類具體應用的監測與控制系統，現代測控理念則強調系統的通用性、擴展性和可維護性等。從國內外研究情況來看，各研究單位開發時均以解決當時當地急需為著眼點，不注重系統的通用性、擴展性和可維護性，在同一研究單位常發生燃氣發生裝置作調整或改進后，往往需要對監測和控制系統作重大修改才可重新使用，浪費大量的人力物力并嚴重影響進度。因此，針對燃氣發生裝置這一重要科研和生產用設備，提出柔性化設計監測和控制系統可謂正當其時，能更好滿足目前科研和生產的需要。

1 研究方法

1.1 燃氣發生裝置柔性監測和控制模型研究

采用抽象化和分層設計思想，將監測和控制模型分為三層模型：試驗行為底層模型、I/O硬件接口無關的硬件中間模型、硬件無關的頂層軟件模型。試驗控制行為一般可以抽象為控制時序，控制時序由多個時序步驟組成，每個時序步驟包括時間點、閥門對象、閥門動作三個基本元素，該時序步驟是否實現由監測對象值（如壓力或閥門復位信號值）判定。硬件中間模型將硬件組成元素抽象為監測和控制對象層、信號傳輸層和信號控制層：監測和控制對象層定義了閥門或傳感器等前端硬件的控制電壓和電流、供電電壓、傳感器輸出信號，信號傳輸線制等，可根據需要快速更換滿足上述定義標準的閥門或傳感器等；信號傳輸層定義了信號傳輸形式、信號調理形式、通道數及接插件接口標準等；信號控制層由I/O模塊組成，提供控制信號，并采集監測值。頂層軟件模型則通過虛擬通道映射來控制物理通道，實現與硬件無關。

1.2 采用PLC技術完成硬件設計

采用PLC為核心構建硬件系統，包括上位計算機、PLC系統和檢測執行設備，所有的硬件均保證可通用性和可互換性。上位計算機是系統的管理計算機，負責試驗參數的設置調度、運行工況的操作，過程參數的實時顯示、試驗數據的分析處理等；PLC系統是燃氣發生裝置的核心控制系統，它配置有CPU模塊和若干I/O模塊，負責完成整個系統的壓力、溫度、時序控制和過程參數測量處理等，并將數據通過TCP/IP協議發送至上位計算機。PLC系統工作穩定、安全可靠、邏輯控制和數據處理能力都很強。

1.3 基于OPC技術的PLC與PC通訊模式

OPC 建立在OLE 規范之上，它為工業控制領域提供了一種標準的數據訪問機制。OPC規范包括OPC 服務器和OPC 客戶端兩個部分。監控計算機通過OPC與PLC 進行通信，利用傳感器對各管道設備壓力、溫度等信息進行采集，然后將采集到的數據通過OPC 提供給PC 機，由現場操作人員針對PLC傳上來的數據進行實時處理，實現對燃氣發生裝置的遠程監控。

1.4 以LabVIEW為平臺開發系統軟件

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的圖形化虛擬儀器開發平臺，通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標，可方便迅速地建立高水平應用程序。LabVIEW提供了虛擬儀器面板上所必需的大量顯示或控制對象，并用圖標表示功能模塊，使用圖標間連線表示各種功能模塊間傳遞的數據流，使用數據流程圖式的圖形化語言編寫代碼。完成后，用戶直接面對的是系統軟件，在軟件的可視化窗口中通過一系列簡單操作，即可完成燃氣發生裝置的監測和控制運行。

2 技術路線

在充分理解各型燃氣發生裝置監測和控制需求的基礎上，完成柔性化模型研究，通過初步設計、修改并最終確立總體方案，完成軟件框架和硬件框架設計，最后調試系統達到預期目標。具體技術路線如圖1所示。

國內僅科研用的燃氣發生裝置種類就達20種以上，數量以千計，這些燃氣發生裝置采用傳統的監控和控制系統設計，系統的調試周期一般在3～6個月，若采用柔性監測和控制系統設計，僅需簡單更換前端硬件（如控制閥門、測量傳感器等）和進行軟件配置即可應用到不同類型的燃氣發生裝置上，將大大縮短系統調試和維護時間。并且柔性設計的監控和控制系統經過多輪優化和調試后，可靠性會更高，將極大減小燃氣發生裝置運行和調試風險，提高產品競爭力。預計國內民用的燃氣輪機動力裝置超過100萬臺，若這種柔性設計思想進一步推廣至該領域，其產生的經濟效益和社會效益將更為顯著。

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作者簡介：何晶晶（1982，4-），女，講師，籍貫四川省富順縣，講師，研究方向：電子控制技術。