燃氣發生器通用監測和控制系統的設計和應用

　何晶晶

（1.綿陽職業技術學院，四川綿陽621000；2.西南交通大學，四川成都610000）

燃氣發生器通用監測和控制系統的設計和應用

何晶晶1，2

（1.綿陽職業技術學院，四川綿陽621000；2.西南交通大學，四川成都610000）

針對現有燃氣發生器的監測和控制系統大多通用性、擴展性和可維護性不足的現狀，采用抽象化和分層設計思想建立了燃氣發生器通用控制模型，完成了硬件系統和軟件系統設計，將設計的系統應用于某型燃氣發生器研制現場，結果表明，該系統具備良好的通用性和擴展性，能適應研制人員快速修改控制時序、增減控制對象等需要，具有顯著的工程應用價值。

燃氣發生器；柔性；控制

燃氣發生器是一種利用助燃劑（氧氣、空氣或其他氧化物）及燃料（煤油、酒精、天然氣等）燃燒后產生成預訂壓力、流量和溫度的高溫燃氣的專門裝置，燃氣發生器適合短時間內輸出大功率熱能動力，工業上常見的燃氣輪機、火箭沖壓、高超聲速推進地面試驗系統、高空試驗臺真空系統、軟著陸氣囊充氣裝置等都使用到了燃氣發生器裝置，在軍事和民用領域得到了廣泛應用［1-3］。

燃氣發生器的關鍵技術在于測控，現代測控技術向著標準化、開放化趨勢發展，而在某一具體領域中使用的監測和控制系統，現代測控理念則較為強調整體系統的通用性、可維護性及擴展性等［4］。從目前國內外研究情況來看，各類燃氣發生器雖然應用廣泛，但是由于各個研究單位技術傳承和技術壁壘等原因，監測和控制系統的開發大多處于各自為政的狀態，一般在設計燃氣發生器時主要著眼于解決當時當地急需，而較少考慮整體系統的通用性、擴展性和可維護性。即便在同一研究單位內也常發生當對燃氣發生器進行調整或改進后，整個監測和控制系統則必須作出重大修改才可重新使用，這樣的設計在實際生產生活中耗費了大量的人力、財力，嚴重的還會影響整體工程進度。

在實際生產中，針對不同類型燃氣發生裝置或者同一類型燃氣發生器在不同情況下采用的控制和測量對象的數量及特性、控制時序、緊急關車要求都可能大為不同，傳統的監測與控制系統難以簡單修改后直接應用，其通用性和適應性不足的弊端在日益激烈的科研和生產競爭中愈加顯現。因此，提高監測與控制系統的可移植性、通用性和擴展性，即使其具備良好的“柔性”，對于縮短新型燃氣發生裝置研制周期和費用、提高運行可靠性和適應性都具有重要意義。本文擬構建一種適用性和擴展性良好，即具備一定“柔性”的監測和控制系統。以便根據不同需要，僅需更換設備少部分硬件（例如測量傳感器、控制閥門等），結合控制軟件的簡單配置，即可應用于不同類型或在不同工況下調整燃氣發生器實時監測和運行控制。其適應性和可靠性高、操作靈活，便于非專業人員的使用和維護。

1　通用控制模型分析

燃氣發生器通用監測和控制系統整體設計主要思想為抽象化及分層設計，監測模型和控制模型設計為三大部分，分別為試驗行為底層模型、硬件中間模型（與I/O硬件接口無關）、頂層軟件模型（硬件無關），如圖1所示。

圖1　通用控制模型

在這三部分中，硬件中間模型包含由監測和控制系統的硬件抽象出來的檢測和控制對象層、信號傳輸層和信號控制層，這是整個燃氣發生器通用監測和控制系統中最主要的部分，主要實現以下功能：

（1）檢測和控制對象層主要包含控制閥門或傳感器等前端硬件的各類基礎參數定義，如：控制電壓、控制電流、供電電壓、傳感器輸出信號（電壓或電流）、信號傳輸線制等，通用性體現在可根據實際情況需要僅通過快速更換滿足上述定義標準的閥門或傳感器等來達到要求；

（2）信號傳輸層包含的硬件部分有信號傳輸電纜、信號轉接板等，在這一層定義了信號傳輸形式、通道數、信號調理形式及接插件接口標準等；

（3）信號控制層的主要硬件部分是I/O模塊，通過I/O模塊提供控制信號，同時采集監測值。

頂層軟件模型與硬件無關的設計主要通過以虛擬通道映射來控制物理通道來實現。

2　系統設計

2.1硬件系統設計

燃氣發生器通用監測和控制系統設計要求系統工作穩定、安全并可靠，且需具備較強的邏輯控制和數據處理能力，燃氣發生器遠程監測和控制系統采用PLC系統結合遠程控制機的組成模式，系統硬件主要由遠程控制計算機、PLC系統、閥門控制器、傳感器等組成。在此情況下，遠程控制機主要實現頂層軟件模型定義的功能，PLC系統則實現硬件中間模型和行為底層模型定義的功能。如圖2所示。

圖2　控制系統硬件模型

簡單來說，整體試驗參數的設置、調度和運行等的操作由遠程控制計算機負責，試驗過程中參數的實時顯示、試驗數據的后期分析處理等也由遠程計算機完成。通過這種方式，試驗操作人員能夠形象地查看到試驗狀態和數據，并能夠實時存儲數據，而試驗原始數據的采集與保存則為后期查詢、分析、處理、報表、出圖等提供基本依據。燃氣發生器的核心控制系統是PLC系統，PLC系統配置有CPU模塊和I/O模塊，構成試驗行為底層模型。PLC系統的主要功能是完成燃氣發生器中主要參數如溫度、壓力等以及時序控制和過程參數測量處理，同時將數據發送至遠程控制計算機。

2.2軟件系統設計

軟件方面，采用美國國家儀器公司推出的圖形化虛擬儀器開發平臺LabVIEW開發軟件系統，Lab－VIEW系統編程高效、靈活、采用面對對象設計，具有強大的圖形編程能力和可視化編程環境。通過OPC技術可實現遠程計算機與現場PLC的數據傳輸，讓現場試驗設備與遠程控制系統的連接更為簡單、方便和靈活，具體如圖3所示。

圖3　控制系統軟件模型

OPC技術是建立在OLE規范之上，為工業控制領域設計的一種標準的數據訪問機制。為實現數據訪問由OPC服務器和OPC客戶端兩個部分構成。OPC客戶端與OPC服務器的數據交互包括兩個方面：一是讀取數據（客戶端從服務器）；二是寫入數據（客戶端向服務器）。遠程控制計算機和現場試驗系統之間的通信建立在OPC與PLC系統上，設備壓力、溫度等由PLC系統通過傳感器進行采集，采集到的數據則通過OPC提供給遠程控制計算機，遠程控制計算機可對PLC系統傳上來的數據進行實時處理，從而實現對燃氣發生器的遠程監控。

3　系統應用

采用以上設計思想的遠程監視和控制系統硬件已經應用于某型燃氣發生器研制現場。實際應用結果表明，該系統能快速方便地進行增加控制閥門并快速完成配置或修改控制時序等功能，極大克服了傳統監測與控制系統不具“柔性”的缺點，具備良好的通用性與擴展性，滿足了現場燃氣發生器研制人員根據調試情況，快速方便地修改控制時序、增減控制對象等的需要。

4　結束語

（1）燃氣發生器通用監測和控制系統整體設計主要思想為抽象化及分層設計，監測模型和控制模型設計為三大部分，分別為試驗行為底層模型、硬件中間模型（與I/O硬件接口無關）、頂層軟件模型（硬件無關），能極大程度上實現監測與控制系統設計與具體控制對象無關。

（2）柔性監測與控制系統應用于燃氣發生器調試和研制現場，解決了傳統系統難以根據調試情況適時修改控制系統的困難，具有顯著的工程應用價值。

［1］于功敬.VXI通用測試軟件框架結構的研究［J］.計算機自動測量與控制，1999，7（3）：6-8.

［2］盧志剛.非線性自適應逆控制及其應用［M］.北京：國防工業出版社，2004：98-125.

［3］郭宵峰.液體火箭發動機試驗［M］.北京:宇航出版社，1990：65-180.

［4］李小兵.三相專用電源屏的監測與控制系統設計.電子科技大學學報［J］.2001，30（3）：259-262.

Design and Application of UniversalMonitoring and ControlSystem for Gas Generators

HE Jing-jing1，2
（1.Mianyang Vocational and Technical College，Mianyang Sichuan 621000，China；2.Southwest Jiao Tong University，Chengdu Sichuan 610000，China）

Aiming at deficiency of universality，mobility and maintainability ofmonitoring and control systems for gas generators，an universal control model for gas generators was proposed by using abstraction and delamination design method.Based on this universal control model，the hardware and software of a monitoring and control system were accomplished.The results of applying this system to a gas generator show that the system canmeet the requirements of quick modifying control objects or time sequences，demonstrating universality and expansibility. Therefore，the universalmonitoring and control system has bright prospect for engineering application.

TP273

A

1672-545X（2016）06-0021-02

2016-03-26

四川省教育廳市廳及科研項目（編號：14ZB0398）

何晶晶（1982-），女，四川瀘州人，講師，主要從事測控與通信技術研究。