移動肼站肼-70燃料保障自動監控系統的設計與實現

李 斌 朱忠華 路祥生 苗春存 錢 陳 于 文

(1. 空裝駐南京地區第四軍事代表室，江蘇 南京 210042；2. 空軍南京航空四站裝備修理廠，江蘇 南京 210042)

肼燃料是一種性能優良的液體推進劑[1]，在催化劑的作用下能迅速分解，提供能量，在國防和航空航天領域有廣泛應用。某型飛機的應急動力裝置中采用肼-70(70%肼和30%水的混合物)作為燃料[2]。但肼-70燃料是一種易燃、有類似氨臭味、劇毒的均勻透明液體，幾十克便能致人死亡，即使不慎聞到肼蒸氣也會頭暈、嘔吐，甚至呼吸困難。在貯存、使用時必須采取嚴格的安全保障措施，控制環境污染，保障操作人員安全[3]，并確保應急動力裝置能夠在緊急情況下正常啟動。移動肼站作為某型飛機應急動力裝置的保障裝備，主要用于肼-70燃料的貯存、轉注、加注、泄回等，由肼-70燃料貯存，肼-70燃料轉注、加注、泄回及廢氣處理，燃料氣體監控，視頻監控，中和噴淋，溫濕度控制和通風換氣，應急沖淋，廢水處理等分系統組成。自動監控系統具有網絡通訊、數據采集分析顯示、遠程控制、故障報警等功能，一般以PLC和網絡系統為控制系統主干，通過上位機用戶界面監控系統運行狀況。Modbus RTU采用主從應答方式工作，是一種在工業領域廣為應用的真正開放的標準網絡通信協議[4]。本文基于Modbus RTU通訊協議，采用由采用西門子CPU1215C型PLC為下位機，C#語言開發的基于Modbus RTU通訊協議的上位機界面軟件，利用以太網將網絡攝像頭的監控畫面傳輸至上位機組成自動監控系統，實現移動肼站的運行、遠程監控以及故障報警。采用自動監控系統實時檢測、采集、分析、顯示移動肼站的數據，通過網絡通訊實現移動肼站的遠程控制，不僅可以保證移動肼站各分系統之間的可靠、協調運行，還能夠確保操作人員遠程保障肼-70燃料，減少與肼-70燃料的直接接觸，并可保證周圍環境肼氣體濃度在可控范圍內。

1 控制系統總體設計

1.1 總體設計方案

控制系統采用上下機形式。下位機為西門子CPU1215C型PLC，通過Modbus RTU通訊協議采集溫度、濕度、pH、液位等16個模擬量信號。上位機選用研華科技的PPC-4211W工業計算機，利用RS-485串口通訊抗共模干擾能力強的特點，在Modbus RTU通訊協議的基礎上，完成上下位機之間的通訊。圖像采集功能利用以太網將網絡攝像頭的畫面傳輸至上位機[5]。具體控制系統如圖1所示。

圖1 肼站控制系統Fig. 1 Monitoring system for hydrazine station

1.2 硬件設計

PLC采用西門子CPU1215C型，外加CM1241通訊模塊、CB1241通訊模塊和I/O擴展模塊。系統中設計的輸入輸出點和模擬量見表1，模擬量為通訊中間變量。西門子1200系列PLC定位于“低端的離散自動化系統和獨立自動化系統中使用的小型控制器模塊”，充分考慮了系統、控制器、人機界面和軟件的無縫整合和高效協調的需求，特別是其面向小規模裝置的可編程控制器，具有符合不同用途的通信功能，如：與控制柜內的顯示器及變頻器的連接、遠程監控等[6]，尤其適合應用于移動肼站自動監控系統。

表1 PLC變量表

1.3 監控要求

移動肼站在進行肼-70燃料貯存、轉注、加注、泄回等過程中，主要有以下監控要求： 4個肼氣體傳感器實時監測肼-70燃料貯存系統內及周邊的肼氣體濃度，當任意1個肼氣體傳感器檢測到肼氣體濃度超過5 ppm時進行聲光報警同時啟動通風；當任意3個肼氣體傳感器同時檢測到肼氣體濃度超過50 ppm時啟動中和噴淋；控制肼-70燃料貯存系統內溫度(5～30 ℃)、相對濕度(35%～70%)；2個攝像頭實時視頻監控肼-70燃料貯存系統的狀態，并每隔1小時存儲為一個AVI格式文件，循環刪除30天以前存儲的AVI格式文件；監控清水溫度(40 ℃～50 ℃)以滿足操作人員應急沖淋需求；監控廢水處理系統水處理的溫度(60 ℃～70 ℃)、pH值(6.0～7.0)。工藝流程圖如圖2。

圖2 肼站工藝流程Fig. 2 Technological process for hydrazine station

1.4 PLC作為主站采集模擬量參數

PLC的程序編寫軟件為TIA PORTAL V14，通訊測試軟件為串口助手。在整個控制系統中，控制要求由傳感器采集的參數來判斷。在移動肼站自動監控系統中，參數的采集以PLC做Modbus RTU主站，輪詢16個傳感器，運行程序如圖3。輪詢是由PLC按照Modbus RTU協議定時發送03功能碼查詢，收到或報錯均發送下個地址位的查詢指令，直到查詢完全部傳感器，返回第一個地址，周而復始，以實現參數的實時采集[7]。程序的跳轉采用步序控制方式觸發查詢指令的發送，采集的參數存入寄存器。

圖3 運行程序Fig. 3 Operational procedure

1.5 界面軟件作為主站實現數據顯示

西門子公司沒有公開通信協議，本文通過編程語言自行開發上位機程序，要求開發者具有較高編程水平，開發周期長，但具有靈活、成本低的優點[8-9]。上位機界面軟件采用C#作為開發語言，數據庫采用ACCESS數據庫，應用Visual Studio 2010為開發環境實現。為保證系統安全，登錄系統時需用戶輸入用戶名和密碼，而且需保留每個傳感器的參數曲線以及手動操作，因此需要一個數據庫來記錄。

本系統上位機界面軟件與下位機PLC采用Modbus RTU通訊協議，物理層使用USB-RS485串行通訊接口，以上位機界面軟件為主站，下位機PLC為從站，主站根據Modbus RTU協議發送03功能碼讀取保持寄存器DB1數據塊中的前20個字(采集到的16個傳感器和手自切換、通風啟動、肼艙通風、制冷啟動等開關量信號參數信息)，發送06寫入功能碼設置通風啟動、制冷啟動、制熱啟動、廢水溫度設定、應急沖淋溫度設定等參數。為保證數據傳輸的正確性，RTU模式采用CRC校驗[10]，錯誤率能夠小于1/10億。界面軟件通訊指令見表2。

表2 界面軟件通訊指令

2. 設計結果

將PLC程序通過網線下載，連接好PLC與工控機之間的USB轉485通訊電纜。設置攝像頭IP地址與工控機為同一網關。啟動運行軟件，PLC與視頻通訊均正常，實際運行畫面如圖4。該界面軟件具備運行監控、歷史數據、故障查詢、操作手冊等四項功能，能夠記錄故障時間節點，一段時間內的傳感器參數以及翻閱操作指南。運行監控畫面可將移動肼站各分系統的運行狀態集中顯現出來，并能夠實現手動控制。將攝像頭的采集畫面內嵌在整個界面中，并進行通訊檢查。

圖4 運行畫面Fig. 4 Running screen

3. 結論

本文基于Modbus RTU通訊協議，以下位機PLC做Modbus RTU主站，實時采集移動肼站內部16個傳感器數據以實現所需參數監控，利用以太網將網絡

攝像頭的畫面傳輸至上位機界面軟件，利用自主開發的上位機界面軟件集中實時顯示和監測移動肼站各分系統的運行狀態，并可以進行手動、自動控制以及控制參數的設置。移動肼站肼-70燃料保障自動監控系統選用西門子CPU1215C型PLC，通過編程語言自行開發界面軟件，采用輪詢方式進行控制參數的實時采集，RTU模式采用CRC校驗，具有系統參數采集及時、數據傳輸準確、運行穩定可靠、性價比高、維護成本低等優點。經實踐證明，移動肼站肼-70燃料保障自動監控系統運行界面友好，能夠確保移動肼站各分系統的正常運行和遠程監控，可以保證操作人員進行肼-70燃料貯存、轉注、加注、泄回等操作時的環境安全，應用效果良好。