0.6米跨超聲速風洞安全聯鎖控制系統(tǒng)研制

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽 621000；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計與測試技術研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

目前，國內外跨超聲速風洞，安全聯鎖控制系統(tǒng)(以下簡稱聯鎖系統(tǒng))往往與風洞主控系統(tǒng)融合在一起，聯鎖系統(tǒng)的主要作用是風洞啟動條件判斷與狀態(tài)監(jiān)控[1]，系統(tǒng)本身不參與風洞控制。隨著科技的發(fā)展，自動化水平的提高，風洞運行對主控系統(tǒng)高度依賴，該系統(tǒng)一旦產生故障，可能對風洞設備和參試人員造成嚴重危害。因此，風洞聯鎖系統(tǒng)除了啟動條件判斷與狀態(tài)監(jiān)控之外，還須在主控系統(tǒng)故障時，啟動控制功能，控制風洞各設備在安全狀態(tài)下關車。

0.6米跨超聲速風洞(以下簡稱0.6米風洞)，是中國空氣動力研究與發(fā)展中心在2014年建成通氣的一座直流暫沖式三音速風洞，該風洞采用引射下吹式運行方式，試驗馬赫數范圍M=0.3～4.5，總壓和馬赫數控制精度分別優(yōu)于0.2%和0.002[2]。該風洞控制系統(tǒng)采用基于現場總線和網絡的開放式集散系統(tǒng)，功能分散，指揮集中[3]；具有運行控制子系統(tǒng)多、自動化程度高、各系統(tǒng)間信息交互多、邏輯關系復雜的特點；聯鎖系統(tǒng)能夠檢測與控制所有與風洞運行安全相關的信息和設備，從技術上保證風洞的安全運行。

1 研制技術要求

0.6米風洞控制系統(tǒng)從功能布局上分為應用層、中間層、執(zhí)行層三層，其中，面向操作的應用層包括主控系統(tǒng)及聯鎖系統(tǒng)兩個獨立的子系統(tǒng)[4-5]，二者共同組成了風洞控制系統(tǒng)。主控系統(tǒng)主要功能是負責提供好的流場品質和模型姿態(tài)；聯鎖系統(tǒng)主要負責風洞運行安全，系統(tǒng)拓撲圖見圖1。

圖1 風洞控制系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)研制功能及技術要求很多，從檢測和控制專業(yè)角度上將其歸納為安全聯鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能、三級冗余安全關車功能兩部分技術要求[6]。

1.1 安全聯鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能技術要求

1)風洞啟動條件聯鎖。風洞啟動前，聯鎖系統(tǒng)需完成啟動條件檢查，只有各系統(tǒng)狀態(tài)信息正常，聯鎖系統(tǒng)才給主控系統(tǒng)發(fā)送允許啟動信號，風洞方能啟動。

2)狀態(tài)監(jiān)控功能。系統(tǒng)對整個風洞的關鍵參數進行監(jiān)控，完成預警報警，使風洞參試人員可以隨時掌握風洞狀態(tài)，該功能貫穿風洞運行全過程。

3)指令下達及轉發(fā)功能。系統(tǒng)通過網絡通信實現控制指令的下達及狀態(tài)信息的轉發(fā)。

1.2 三級冗余安全關車功能技術要求

風洞運行過程中，當設備出現故障報警，聯鎖系統(tǒng)能夠根據故障報警嚴重程度，自動啟動三級冗余安全關車功能[7]，以保證風洞各運行設備回到安全位置后，在安全狀態(tài)下關車。

2 系統(tǒng)硬件結構及組成

聯鎖系統(tǒng)由PLC、上位機、測控間控制臺、網絡、各系統(tǒng)狀態(tài)信息、各執(zhí)行機構、風洞洞體上布置的傳感器及各狀態(tài)量組成，其中PLC 是系統(tǒng)的核心[8]，PLC選用西門子的S7-300系列，CPU為319-3PN/DP。該CPU模塊集成了ProfiNet、MPI/DP、Profibus-DP共3個通信端口。為滿足狀態(tài)監(jiān)控和控制功能，PLC配置了6個16路的DI模塊、4個16路的DO模塊、2個8路的AI模塊和2個8路的AO模塊。

聯鎖系統(tǒng)組成圖見圖2，系統(tǒng)對風洞各設備的狀態(tài)信息和控制指令通過ProfiNet和硬件電路連接兩種途徑聯合實現：

1)系統(tǒng)通過ProfiNet工業(yè)實時以太網與測控間上位機、氣密封控制系統(tǒng)、拉緊機構控制系統(tǒng)、噴管側壁控制系統(tǒng)、噴管型面控制系統(tǒng)之間實現通信，讀取各系統(tǒng)的狀態(tài)信息并下發(fā)控制指令；

2)系統(tǒng)通過硬件電路連接方式與測控間控制臺、主控系統(tǒng)RT、模型迎角控制系統(tǒng)、主進氣管路閥門控制系統(tǒng)、主旁路進氣管路閥門控制系統(tǒng)、引射管路閥門控制系統(tǒng)、氣密封控制系統(tǒng)、拉緊機構控制系統(tǒng)、噴管型面控制系統(tǒng)、風洞各部段傳感器、等狀態(tài)信息和控制設備之間進行連接，對各設備進行狀態(tài)監(jiān)控和下達控制指令。

硬件電路連接可以保證在網絡出現異常時，聯鎖系統(tǒng)仍然可以通過硬件電路對風洞進行安全控制，確保風洞在安全狀態(tài)下進行關車。

圖2 聯鎖系統(tǒng)組成圖

3 系統(tǒng)軟件設計及實現

3.1 軟件通信方式

聯鎖系統(tǒng)軟件包括上位機軟件和下位機軟件兩個部分。系統(tǒng)上下位機之間及與其它系統(tǒng)之間的軟件數據通信方式見圖3。數據通信包括三種方式：

1)控制軟件之間(主要指上位機間)信息交互，采用網絡共享變量服務器SVE來統(tǒng)一管理通信變量，基于PSP協議自動進行數據發(fā)布更新[9]；

2)控制軟件(安全聯鎖上位機)與設備(安全聯鎖PLC)的通信，采用基于OPC技術的訪問機制；

3)安全聯鎖PLC對其它PLC的通信采用組態(tài)映射方式。

圖3 軟件數據通信方式圖

3.2 系統(tǒng)上位機軟件

聯鎖系統(tǒng)上位機軟件是該系統(tǒng)的人機交互界面，是信息顯示、指令發(fā)送中心，通過該軟件，系統(tǒng)可以實時獲取和掌握風洞現場設備運行狀態(tài)，可以發(fā)送控制指令，可以對風洞安全運行進行管理，上位機軟件采用圖形化開發(fā)工具LabVIEW 2012進行開發(fā)，軟件采用模塊化設計，主要包括的模塊見圖4。

圖4 聯鎖系統(tǒng)上位機軟件的模塊組成

3.3 系統(tǒng)下位機軟件

聯鎖系統(tǒng)下位機PLC軟件采用西門子公司的SIMATIC Manager Step7 v5.5進行組態(tài)編程。通過ProfiNet工業(yè)實時以太網與上位機實現通信，完成測控系統(tǒng)狀態(tài)檢測與監(jiān)視、吹風條件檢查、指令轉發(fā)、異常報警、壓力閉環(huán)控制、緊急停車等功能。軟件層次結構及功能模塊見圖5。

圖5 聯鎖系統(tǒng)程序功能模塊圖

PLC軟件模塊及功能實現描述見表1，包括與上位機通信處理部分、暖啟動初始化OB100模塊、定時中斷OB35模塊、循環(huán)中斷OB1模塊四個大的模塊；其中，定時中斷OB35模塊包括模擬量處理功能塊FC3、壓力PID控制功能塊FC40兩個功能塊，循環(huán)中斷OB1模塊包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控功能塊FC70、通信轉發(fā)處理功能塊FC20、數字量處理功能塊FC1、異常報警功能塊FC30、吹風條件檢查功能塊FC10、安全關車保護功能塊FC50七個功能塊。

4 關鍵技術

4.1 三級冗余安全關車策略

系統(tǒng)冗余安全關車策略共分三級：

1)一級關車保護功能。聯鎖系統(tǒng)通知主控系統(tǒng)故障類型，提示主控系統(tǒng)按照預先設定的關車時序，完成一級安全關車保護功能。

表1 聯鎖系統(tǒng)PLC軟件功能模塊

2)二級關車保護功能。二級關車保護功能由安全聯鎖PLC實現。當主控系統(tǒng)不能正常關車或故障已經超過主控系統(tǒng)關車設定閾值時，安全聯鎖PLC搶占控制權限，由PLC控制風洞按照關車時序完成安全關車操作。

3)三級緊急停車功能。若關鍵環(huán)節(jié)發(fā)生嚴重故障時，聯鎖系統(tǒng)能夠通過硬件電路直接快速切斷氣源，以保證在任何情況下對風洞進行緊急停車操作，保護風洞洞體。

4.2 電接點壓力表的安裝

穩(wěn)定段總壓電接點壓力表、引射集氣室壓力電接點壓力表是針對風洞超壓最高級別的安全保護。從理論分析，如果主控系統(tǒng)、安全聯鎖PLC兩者沒有同時故障，壓力是可控的，即不會出現電接點壓力表超高壓的情況；假如出現壓力超壓不可控的極端情況，必須迅速切斷氣源，避免氣體超壓爆炸對風洞及參試人員造成傷害。因此，電接點壓力表必須可靠，不能有誤動作。

考慮到機械壓力表的特性，易受環(huán)境震動干擾。通過靜態(tài)實驗，我們發(fā)現在震動時，壓力表容易出現誤動作。為避免出現誤動作的情況，一是選用抗震動能力較強的壓力表，安裝時選擇震動相對較弱的位置并且進行減震處理；二是將震動引起的誤動作信號進行濾波。經以上兩步措施，在震動最強的工況下，電接點壓力表表現可靠，沒有誤動作。

5 系統(tǒng)調試及應用情況

5.1 系統(tǒng)功能調試

在風洞進行綜合性能調試之前，聯鎖系統(tǒng)須具備安全關車保護功能，以保證風洞能夠安全關車。因此，必須對聯鎖系統(tǒng)進行功能調試。調試內容除對供電模塊功能、通信功能、PLC輸入輸出功能、迎角機構緊急回零功能、控制臺功能、吹風條件聯鎖等6個基本功能進行測試之外，主要對二級關車保護及三級緊急停車兩部分功能進行了測試；其中一級關車保護功能由主控系統(tǒng)實現，安全聯鎖只需完成通知提示功能。

5.1.1 二級安全關車保護功能調試

安全聯鎖PLC通過調節(jié)主進氣管路、引射進氣管路閥門系統(tǒng)控制風洞穩(wěn)定段總壓和引射集氣室壓力，等待風洞各運行設備回到安全位置后，完成安全關車。相比主控系統(tǒng)，PLC的壓力控制精度不需要達到0.2%，只需達到0.5%即可；但一旦接管權限，必須邏輯正確，動作可靠。根據風洞不同運行工況，匹配歸納出安全聯鎖二級關車方式包括下吹式、總壓負壓運行、開關車引射、全程引射四種，經仿真和帶壓力調試，各關車工況壓力控制精度全部優(yōu)于0.5%，時序正確。

在下吹運行工況下，二級安全關車壓力曲線和時序見圖6，當PLC接管權限后，繼續(xù)調節(jié)穩(wěn)定段總壓至目標值，等待風洞各運行設備回到安全位置后，關閉主進氣閥門系統(tǒng)。

圖6 下吹運行工況二級關車壓力曲線和時序

在穩(wěn)定段總壓為負壓運行工況下，二級安全關車壓力曲線和時序見圖7，當PLC接管權限后，繼續(xù)調節(jié)引射集氣室壓力至目標值，并開啟主進氣閥門系統(tǒng)，把穩(wěn)定段總壓調節(jié)到目標壓力值(稍高于大氣壓)時，等待風洞各運行設備回到安全位置后，同時關閉主進氣及引射進氣閥門系統(tǒng)，以防止穩(wěn)定段總壓為負壓時，激波返回時沖擊載荷對模型及燒結絲網造成損害[10]。

圖7 總壓負壓運行工況二級關車壓力曲線和時序

在開關車引射運行、全程引射運行工況下，二級安全關車壓力曲線和時序分別見圖8、圖9，當PLC接管權限后，繼續(xù)調節(jié)穩(wěn)定段總壓至目標值，并開啟或調節(jié)引射進氣閥門系統(tǒng)，引射集氣室壓力到達安全關車壓力時，等待風洞各運行設備回到安全位置后，首先關閉主進氣管路閥門系統(tǒng)，待穩(wěn)定段總壓降至設定值時，立即關閉引射進氣閥門系統(tǒng)，以降低激波返回時沖擊載荷對模型及燒結絲網造成損害。

圖9 全程引射工況二級關車壓力曲線和時序

5.1.2 三級緊急停車功能測試

吹風過程中，如果穩(wěn)定段總壓、引射集氣室壓力超出電接點壓力表設定值，為了保證風洞洞體的安全，聯鎖系統(tǒng)通過硬件電路觸發(fā)進行三級緊急停車操作。三級緊急停車觸發(fā)時，聯鎖系統(tǒng)通過硬件電路直接關閉快速閥，同時硬件電路給調壓閥和風洞關鍵運行設備發(fā)送回零信號。

5.2 應用情況

通過調試，聯鎖系統(tǒng)邏輯正確、功能可靠，聯鎖系統(tǒng)的大屏顯示界面及計算機操作顯示界面見圖10、圖11。

圖10 安全聯鎖大屏顯示狀態(tài)監(jiān)控圖

圖11 安全聯鎖計算機操作顯示界面

在后續(xù)的風洞綜合性能調試、流校、標模試驗及近幾年的型號試驗中，聯鎖系統(tǒng)已經發(fā)揮出了其在技術上的保護作用，能夠避免設備不具備條件而啟動；當風洞在運行過程中狀態(tài)超出預設條件，發(fā)生報警和故障時，安全聯鎖能夠自動采取安全保護措施，完成安全聯鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能、三級冗余安全關車功能，從而保證風洞的安全運行。

6 結束語

用PLC為核心的0.6米風洞聯鎖系統(tǒng)在設計、研制時結合了較為先進的控制自動化技術、故障報警診斷技術和軟件技術，系統(tǒng)保護功能完備、動作準確可靠、操作簡單、顯示形象，確保了風洞安全運行，達到了預期的目的。