基于PROFINET和VXI總線的1.2 m風洞測控系統設計與實現

(中國空氣動力研究與發展中心 高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

1.2 m×1.2 m跨超聲速風洞是一座半回流暫沖式跨超聲速風洞，是我國先進飛行器研制重要地面試驗模擬平臺。在國家重點型號、重大工程研制中發揮了不可替代的重要作用，是我國戰斗機和戰略戰術導彈研制試驗的主力風洞[1]。原有的1.2 m風洞測控系統采用的是Client/Server體系結構和VXI總線技術、計算機與傳統的繼電器相結合的集中式控制系統。該系統以VXI總線為基本框架，將控制與測量合為一體。但近年來，由于試驗任務的增加，風洞設備運行頻繁，風洞的測控系統逐漸暴露出不足：部分設備老化嚴重，無法很好地滿足試驗發展的需求；控制系統結構不盡合理，可靠性低會導致一個環節或子系統出現故障從而使整個系統無法運行，自動化程度低給風洞安全運行帶來了隱患。

本次設計任務是重新構建測控系統。采用計算機與PLC控制技術，結合現場總線，形成基于現場總線、功能分散、指揮集中的開放式集散系統，形成信號采集傳輸可靠性高、便于實時監測和故障分析的可靠性系統。使1.2 m風洞整體能力得到大幅的提升。

1 測控系統總體設計

1.1 設計指標

1)提高1.2 m風洞可靠性和自動化水平，實現1.2 m風洞試驗吹風流程自動化；

2)實現柔壁型面各節點機構(定位螺母)位置控制精度為±0.01 mm。

1.2 總體設計

1.2 m風洞控制系統主要包括閥門控制系統、引射器控制系統、柔壁噴管控制系統、模型迎角控制系統、柵指控制系統、超擴段控制系統、安全聯鎖控制系統等。

本次設計主要包括閥門控制系統、柔壁噴管控制系統、模型迎角控制系統、測量系統適應性改造等。

采用PROFINET通訊和VXI總線搭建整個風洞測控系統框架。閥門、迎角、柔壁噴管控制系統作為子站點。考慮到網絡的可靠性，本系統采用環網結構，可確保在一條傳輸鏈路出現故障時，使用備用通信鏈路。系統布線采用光纜。在測控間可完全操作現場設備，監測其運行狀態，異常報警，并保證其數據傳輸的實時性。每個站均可手動/自動操作，操作站可通過觸摸屏現場控制，或者通過按鈕進行現場控制，以保證系統的安全性要求。新測控系統結構原理參見圖1。

圖1 測控系統結構圖

2 系統詳細設計

2.1 閥門控制系統

閥門控制系統包括閘閥系統、蝶閥系統和調壓閥系統。

閘閥系統包括閘閥和閘旁閥，由電機驅動。蝶閥系統由蝶閥和蝶旁閥組成。蝶閥由液壓油缸驅動，蝶旁閥是由電機驅動。

該系統保留原有驅動設備和執行機構不變，閥門控制系統作為子站點。通過PLC實現對閥門系統的遠程控制，通過HMI實現現場控制，并同時完成開關狀態采集和氣源壓力、圍帶壓力、蝶閥后壓力等模擬量采集。對調壓閥同樣是通過PLC和HMI實現本地/遠程開關控制。而調壓閥的位置伺服控制仍采用VXI系統和伺服驅動器相結合的控制方式。閥門控制原理圖參見圖2。

圖2 閥門控制PLC原理圖

為了保證設備人員的安全，保護蝶閥的密封圍帶。進行閥門系統操作時，在PLC程序上做了充分設計。在控制間進行打開蝶旁閥操作時，只有在安全聯鎖正常時方可進行。在每次試驗開車前先打開蝶旁閥，使蝶閥前后壓力兩平衡，再給蝶閥圍帶放氣，直到圍帶內壓力與蝶閥前后壓力實現“三平衡”才打開蝶閥。關車時，是先關蝶閥，給圍帶充氣，再關蝶旁閥。實現了閥門系統順序控制。

2.2 柔壁噴管控制系統

柔壁噴管是該風洞的核心部段，為二元多支點全柔壁噴管。主要由上下梁，左、右側壁，上下柔板，執行機構及框架組成。噴管上下柔板分別由15套執行機構通過液壓-電氣系統控制，使其在兩平行側壁之間改變型面并定位，以得到各M數下的柔板型面。執行機構是采用機械定位，液壓成型并鎖緊，對于確保型面的準確定位和定位的重復性精度起關鍵作用[2]。機構傳動原理圖如圖3。

圖3 執行機構傳動原理圖

1.2 m風洞柔壁噴管型面驅動電機均為三相異步交流電動機，上下各15個節點。電機功率0.55 kW，額定轉速1380 r/min，帶電磁制動。

整個驅動執行系統包括柔壁型面定位控制系統共有電機(含電磁制動)30臺，交流變頻器30臺，選用了臺達MV300系列，帶通訊DP卡。30臺電磁換向閥、1臺柔壁低壓油源電機、1臺柔壁高壓油源電機及其他外圍設備構成。反饋系統由30個多圈旋轉絕對式編碼器、30個拉線絕對式編碼器、120個微動開關、60個壓力變送器及其他外圍設備構成。控制系統總體結構如圖4。

圖4 控制系統結構圖

主要由柔壁型面控制管理計算機(上位機)、柔壁型面控制PLC(下位機)、驅動執行系統與反饋系統組成。柔壁型面控制PLC由1臺觸摸屏、1臺CX5130嵌入式控制器、2個EtherCAT總線耦合器、18個8通道數字量輸入模塊、13個8通道數字量輸出模塊、8個8通道模擬量輸入模塊、4個DP模塊和3個末端端子模塊組成。

柔壁型面控制管理計算機、觸摸屏與CX5130嵌入式控制器通過TCP/IP通訊，CX5130嵌入式控制器與分布在柔壁上下的PLC功能模塊通過EtherCAT總線通訊，柔壁型面控制PLC與多圈旋轉絕對式編碼器、拉線絕對式編碼器、交流變頻器通過Profibus-DP總線通訊。

圖6 迎角控制PLC原理圖

圖5 軟件功能圖

多圈旋轉絕對式編碼器的選擇，定位螺母行走距離最長的節點為750 mm，編碼器旋轉一圈對應定位螺母距離為0.1 mm，因此編碼器需要的總圈數為7 500圈。該方案中選取的編碼器總圈數為8 192，旋轉編碼器單圈精度為4 096，編碼器每個數對應0.000 024 4 mm，在零點時編碼器讀數最大。倍福PLC讀取的旋轉編碼器值與旋轉編碼器實際值存在高低八位的轉化問題，所以需先對旋轉編碼器值進行轉換，比如：旋轉編碼器值為00FF865A，而PLC讀取值為FF005A86，所以需要使用PLC內部ROL指令(循環移位)將PLC讀取值轉換為旋轉編碼器實際值。電機實現定位螺母精確定位的控制方法為：PLC控制電機行走到目標位置，通過旋轉編碼器反饋的實時位置，形成閉環控制。

壓力變送器量程：0～16 MPa，信號輸出形式：4～20 mA。倍福PLC模擬量采集模塊(4～20 mA)對應數字量：0～32 767，油壓傳感器壓力值(MPa)=模塊數字量/32 767×16。

該子系統安全聯鎖內容如下：所有執行機構均通過多圈絕對式旋轉編碼器位置反饋設置軟限位，保證機構運行在可控行程范圍內；定位螺母調節過程中，柔壁型面控制PLC對多圈絕對式旋轉編碼器實時進行位置檢測，當對應變頻器工作狀態為運行而位置反饋值無變化時，立刻停止電機運動，并向柔壁型面控制管理計算機和安全聯鎖系統發出“噴管故障”信號。

柔壁型面控制系統主要實現的功能如圖5：控制驅動電機運轉，實現定位螺母精確定位，協調油源系統實現油缸回零、低壓成型，高壓鎖緊等操作；柔壁定位螺母位置的顯示；柔壁每組執行機構移動套筒到位情況、柔壁油缸油壓、柔壁喉道監測點油缸運行行程的監視。實現了對柔壁噴管系統螺母的精確定位，柔板的成型、鎖死，關鍵環節的監測。

2.3 迎角控制系統

模型迎角控制系統分為全模迎角控制和半模迎角控制兩部分，均包含自動和手動控制功能，通過控制臺選擇開關切換。

自動控制部分保留原有VXI系統和伺服驅動器相結合的控制方式，對試驗過程中的模型迎角進行控制；保留控制臺手動控制功能，由轉換開關實現全模/半模、手動/自動切換；通過PLC實現模型迎角手動控制和油源系統啟停控制；新增迎角油源系統軟啟動；現場控制有控制箱和手操器兩種控制功能，手操器方便在更換迎角機構時使用；遠程由上位機控制，通過TCP/IP協議向模型迎角PLC發送指令實現。迎角控制原理圖參見圖6。

2.4 風洞流場調節和數據采集系統

該系統是在原有的VXI系統基礎上改造而成的。主要完成風洞的流場調節和數據的采集。VXI系統控制原理圖如圖7。

圖7 VXI系統原理圖

計算機通過E1413C A/D模塊采集由總壓和靜壓傳感器測量得前室總壓和駐室靜壓，計算出實際的M數值與給定值進行比較。若馬赫數偏差在要求范圍內，通過采集卡采集該M數下各氣動參數，否則按PID算法輸出新的控制量，經E1418A-D/A轉換由伺服驅動器變換為電流信號驅動電液伺服閥控制調壓閥開度，從而達到控制馬赫數和總壓目的[3]。

壓力調節算法采用增量式PID控制算法，由比例、積分、微分控制的增量式PID控制算法為[4]：

Δu(k)=KpΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

為保證系統穩定性，跨聲速M數控制采用分段調節即先調總壓后調M數的控制方式。啟動段采用的是比例-微分調節器，而在變迎角階梯是采用純比例調節器。M數的名義控制精度為0.005。超聲速試驗時啟動段采用比例-微分調節器，而變迎角階梯時采用比例-積分調節器。總壓的控制精度為0.003。

2.5 上位機系統

上位機實現的功能是完成各子系統的監控和VXI系統進行通訊完成風洞吹風流程。主程序設計采用多線程設計思想進行構建，其中主要包括通訊及數據處理線程、操作線程、事件及報警記錄線程等。上位機和PLC采用TCP通訊方式，其中PLC做TCP服務器，上位機做客戶端，上位機運行軟件后，自動與PLC建立TCP通訊鏈接，完成數據的收發功能。上位機采用通訊VI：建立通訊鏈接VI CONNECT；接收VI RETCP；發送VI SENDTCP。上位機和VXI系統通過TCP/IP通訊，通過命令字完成兩系統的交互。

3 關鍵技術

3.1 柔壁定位螺母變頻控制定位精度問題

實現定位螺母精確定位的控制方法為：PLC控制電機行走到目標位置，通過旋轉編碼器反饋的實時位置，計算比率決定電機運行速度，待電機低速走到接近目標位置時停止電機，然后判斷旋轉編碼器實際值與目標值差值是否在0.01mm內，若在則變頻器停止并抱閘。各節點根據行程的不同采用了不同的控制策略[5]。

三段速的判定方式為：比率=(目標位置-實際位置)/總距離。電機控制速度=輸入值/100。

應用于行走距離較長的站點，三段速的臨界點為：高速：比率>0.05;中速：0.005<比率≤0.05;低速：0.000 5<比率≤0.005。比率≤0.000 5后，先停止，然后判斷旋轉編碼器實際值與目標值差值是否在0.01 mm內，若在則變頻器停止并抱閘，若不在則繼續運行直到差值在0.01 mm內。

應用于行走距離較短的站點，三段速的臨界點為：高速：比率>0.15；中速：0.1<比率≤0.15；低速：0.005<比率≤0.1。比率≤0.005后，先停止，然后判斷旋轉編碼器實際值與目標值差值是否在0.01 mm內，若在則變頻器停止并抱閘，若不在則繼續運行直到差值在0.01 mm內。通過優化控制策略，實現了電機精確定位。

3.2 網絡通訊可靠性問題

本系統采用PROFINET將PLC連接到環網控制交換機，而PROFINE交換機選用具有管理和診斷功能的模塊[6]。同時，還做以下考慮：所有網絡接插件及電纜均選用西門子原裝產品，最大限度保證通訊硬件平臺的兼容性和可靠性；另外，硬件上采用環網結構，保障了通訊的可靠性；軟件組態及編程中均考慮對網絡狀況的監視與診斷，并利用網絡交換機的故障信號觸點。

4 調試結果及實際應用情況

筆者對整個系統進行了調試。經過對系統各模塊逐步測試，硬件正常，軟件邏輯滿足設計要求，實現了開車流程自動化。柔壁噴管控制系統中柔壁型面各節點機構(定位螺母)位置經過調試，最終目標值和實際值的差值始終在0.01 mm以內。表1為其中一次從1#噴管定位到0#噴管的情況。

測控系統動態調試完成后，進行了標模試驗，選取2016年維修月后試驗流校數據和本期試驗數據進行比較，數據重復性良好，數據結果達到了國軍標要求。

表1 機構定位參數表

注：機械計數器100個數=1 mm。

5 主要結論

1)新系統達到了預期實現的技術指標。控制精度高。柔壁型面各節點機構(定位螺母)位置控制精度為±0.01 mm。柔壁型面各節點機構(定位螺母)位置由當前位置到目標位置最長調節時間由大于25分鐘縮短到11分鐘，操作人員由2人減為1人。

2)實現了1.2 m風洞試驗吹風流程自動化，提高了試驗效率。

3)地面調試和風洞試驗驗證表明，新設計的集散式測控系統運行穩定可靠，操作方便，維護簡便，試驗結果合理可靠，表明測控系統改造項目取得了圓滿成功。

測控系統改造項目的成功，不僅提高了風洞試驗自動化水平，而且提高了1.2 m風洞安全性、運行效率，風洞試驗能力得到整體提升，具有一定的應用和推廣價值[7-8]。