風洞油源控制系統的設計

賈召會，鄭 磊，郁文山，金志偉，宋 元

(1.北京航天測控技術有限公司，北京 100041；2.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

風洞是航空航天領域極為重要的地面試驗設施，油源系統是風洞的動力系統，為風洞所有閥門和執行機構提供液壓動力，用于實現試驗模型各種高難度狀態的自動驅動和控制，是十分重要的組成部分。文中風洞是國內主力生產型風洞，控制系統已非常老舊，故障頻發，另外隨著國內各新型裝備吹風試驗對風洞的運行性能及功能要求進一步提高，原控制系統已不能很好地滿足試驗需求。尤其是油源控制系統，長期處于高油高蝕的環境，各種部件和機構更易老化，而且各種元件、機構和油液大都封閉在殼體和管道內，出現故障時，故障尋找和排除工作都十分耗時和艱難。因此對風洞油源控制系統的重新設計尤為重要，以徹底解決油源控制系統的老化、功能缺陷和器件停產問題。

可編程控制器(PLC)專為工業環境應用而設計，能可靠穩定的完成極其復雜的控制任務，應用越來越廣泛[1]。PLC發展多年，已經形成了完整的工業產品系列，從功能及技術指標等各個方面，都達到了成熟的軟硬件水平。本文以風洞運行安全可靠為前提，基于GE PLC控制，成功研制風洞油源控制系統，實現油源啟?？刂啤毫o極調節、狀態監測等功能，安全可靠、配置靈活、可擴展能力強。

1 油源控制系統原理

油源控制系統包括油源控制系統硬件部分、油源控制系統PLC軟件和油源控制系統上位機軟件三大部分，其中油源控制系統硬件包括測控間主站、測控間從站1、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱等。整個油源控制系統基于PLC控制，采用主從式可編程邏輯控制器網絡，測控間主站作為整個系統的主站，測控間從站、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均作為從站，主站具有CPU模塊，從站提供與風洞現場設備的接口和主站的通迅，各從站之間相互獨立。測控間部署有PLC主站和從站1，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱作為5個從站布置在風洞現場。油源控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 風洞油源控制系統架構圖

如圖1所示，1#～4#油源控制柜的功能模塊包括電機啟停控制、壓力控制、狀態監測和安全連鎖等，氣密封控制箱的功能模塊包括密封控制、壓力監測和故障報警等，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均通過Profinet總線與測控間的PLC主站通信[2-3]，實現對整個油源狀態的監測以及對執行機構的遠程控制；PLC主站通過Genius總線模塊與風洞測控系統中的其他系統通信；PLC主站通過EGD總線模塊與試驗運行管理計算機通信，完成油源啟?？刂?、壓力調節、狀態監測等功能。油源控制系統是軟件與硬件相結合的綜合體，綜合部署在測控間和風洞現場，實現對風洞油源系統、氣密封系統的自動控制及各類狀態信息檢測等功能[4]。

2 油源控制系統硬件設計

油源控制系統硬件設備是整個控制系統的運行載體，主要包括測控間主站、1#～4#油源控制柜、氣密封控制箱和通訊網絡搭建等。油源分為4套(1#～4#油源)，每套油源的硬件控制系統分別布置在對應位置的4個機柜之中，即1#～4#油源控制柜，同理氣密封控制箱位于氣密封間，各系統均為獨立的子系統(PLC從站)。

2.1 測控間PLC主站設計

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。測控間主站和風洞現場的各從站之間使用PROFINET連接，通過圖形化組態的方式實現通訊配置，簡化了系統的配置及調試過程。EGD以太網模塊，基于UDP/IP協議，實現設備間簡單、高速、定周期的數據通信。GENIUS總線既是I/O總線又是通信網絡，非常適用于大量I/O處理和數據傳輸。

2.2 PLC從站設計

PLC從站主要由1#～4油源控制柜和氣密封控制箱組成，1#～4#油源控制柜作為PLC控制系統的從站，功能類似，主要實現油泵啟?？刂?、供油壓力調節、油源狀態監測等功能；氣密封控制箱主要實現各部件氣密封控制、氣密封狀態監測、壓力狀態監測等功能。油源控制柜和氣密封控制箱硬件組成類似，主要包括Profinet總線模塊、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、背板電源模塊、開關電源、線性電源等。以1#油源控制柜為例，控制柜硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 1#油源控制柜硬件設計框圖

如圖2所示，Profinet總線模塊用以實現和測控間PLC主站的通訊，接受主站的指令和輸送數據。DI模塊、DO模塊、AI模塊和AO模塊提供了從站與現場設備的接口，屬于主站CPU與現場設備之間的橋梁，此外，每個油源控制柜均安裝有觸摸屏(HMI人機界面)，用戶可以進行本地控制和狀態監測，從而實現了遠程/本地控制兩種控制方式。氣密封控制箱硬件設計原理與此一致，DI模塊主要接收的信號有供電狀態、門密封狀態、試驗段密封狀態和二元段密封狀態等，DO模塊輸出門密封控制指令、試驗段密封控制指令、二元段密封控制指令，以及異常故障報警等。

油源控制柜內電氣、線路設計方案如圖3所示。

圖3 控制柜內電氣、線路設計方案

油源控制柜中主要有6種電纜，分別為380 V交流電源線、220 V交流電源線、profinet光纖、以太網線、24 V開關電源線、24 V線性電源線和信號屏蔽線，1#油源控制柜與外部電纜連接包括1#配電柜、高壓低壓循環驅動電機、壓力表、人機界面、比例溢流閥等。1#～4#油源控制柜中資源配置和電氣設計類似，不做贅述。油源控制柜設計完成之后，需要對每個IO模塊的資源通道進行配置，主要包括分配地址、PLC程序中對應變量名，以及通道物理含義等，資源通道配置完畢后方可進行PLC軟件設計。

2.3 通信網絡搭建

油源控制系統具有通信設備數量多、通信方式種類多(觸摸屏采用以太網、Genius，PLC主站與從站采用Profinet)的特點，且油源現場距測控間距離較遠(線纜敷設長度最長近百米)，如采用純網絡電纜敷設的方式極易出現信號傳輸干擾的問題。且Profinet總線協議[5]與標準以太網總線協議兼容性較差，如將使用同一網絡傳輸上述兩種總線協議信息，極易出現網絡阻塞及設備掉線的情況。為保證系統各設備間通信穩定、可靠，油源控制系統通信網絡架構采用光纖環網(通過Profinet總線協議傳輸控制指令及油源狀態信息)+星型網絡(通過以太網協議完成觸摸屏、PLC主站CPU、試驗管理運行計算機間通信[4])相結合的方式搭建。使Profinet總線通信網絡與標準以太網總線通信網絡隔離，保證油源控制系統網絡穩定、可靠。油源控制系統網絡通信架構圖如圖4所示。

此次論壇的宗旨是：以引導和促進燕麥蕎麥青年工作者積極投身科技創新，提高自身科技水平和素養為目標，以“綠色產業與鄉村振興”為主題，圍繞種質資源、遺傳育種、栽培生理、植物保護、食品加工、旅游開發等產業發展中的關鍵問題開展學術交流，助推燕麥蕎麥青年科技創新工作又好又快地發展。

圖4 油源控制系統網絡通信架構圖

2.4 油液溫度監控和供電壓力控制

為實現溫度監測功能，在1#～4#油源控制柜各安裝一只久貿電流輸出型(4 mA～20 mA)902120/10-402型溫度變送器完成溫度采集。溫度變送器使用油源控制柜內配置的24 V線性電源供電，輸出信號通過屏蔽電纜接至控制柜內AI模塊接線端。系統內其余壓力、液位傳感器采用同樣方式接入系統中。油源系統溫度監測同時具備本地和遠程監測功能，故溫度傳感器信號由AI模塊采集并數字化，然后采用在油箱顯示面板去安裝雙指針型圓盤形溫度表實現溫度本地顯示功能，采用油源系統控制柜內的觸摸屏軟件及測控間實驗運行管理及上位機軟件實現溫度遠程監控功能。

油源系統調壓采用電控比例溢流閥完成，按輸入電信號連續、按比例控制液壓系統液流量，以避免存在“升壓/卸荷”過程沖擊較大的缺點，保證油源“升壓/卸荷”的無級精確調節。設計選用力士樂DBEME20-7X/315XYG24K31A1M型電控比例溢流閥作為調壓核心部件。

2.5 系統供電

油源控制系統外部供電電源包括：測控間電源屏(220 VAC)及油源現場配電柜電源(380 VAC)，其中測控間電源屏提供的電源為220 VAC不間斷電源。為避免油源控制系統各控制柜(箱)中PLC設備意外掉電，采用測控間電源屏提供的220 VAC不間斷電源為PLC主站及各從站供電。各控制柜中其他設備采用風洞現場配電柜供電，油源風洞現場配電柜僅提供380 VAC電源，控制柜中控制電源由380 VAC轉220 VAC隔離變壓器(施耐德ABL6TS25U)進行電壓轉換后提供。圖5所示為系統供電方案原理框圖。

3 油源控制系統軟件設計

油源控制系統軟件包括基于LabView的上位機軟件、PLC軟件及HMI軟件。主要功能為結合PLC等相關硬件設備，實現對油源機泵組的啟?？刂啤毫φ{節控制、油液冷卻控制，同時完成對液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等信號進行監測，相關數據和圖表曲線顯示等功能。具體軟件功能如下：

1)本地/遠程切換、電機狀態、油液液位、油液溫度、油液壓力、過濾器阻塞發訊器等狀態監測；

2)根據本地/遠程開關實現油源系統控制的本地與遠程切換功能，方便系統的調試與維護；

3)實時監測軟啟動器的輸出狀態、油泵泵狀態，當出現異常時，發出報警信息和信號通知相關人員處理故障，并采取相應的操作；

4)實時監測油源系統的溫度和液位，當出現溫度過高時啟動循環冷卻系統，可對油源的溫度進行冷卻處理，當出現液位過低時發送報警信號，出現非常低時可停泵關閥，保證系統的安全；

5)實時監測油源的壓力和過濾器狀態，當油源壓力超出設定的正常值時，發出報警信號通知相關人員及時處理故障，當出現過濾器阻塞狀態時，發出報警信號并通知相關人員應及時更換新的過濾器；

6)油源系統主要控制的對象有比例溢流閥、報警燈、氣閥、輸出至連鎖系統的本系統工作狀態信號；

7)根據系統啟動和關閉信號實現油泵的啟動和停止動作；

8)根據設定的油源工作壓力值來調節比例溢流閥以達到預定的油壓值；

9)根據相應的報警狀態啟動報警燈通知操作員系統產生了故障；

10)根據每個油源子系統的工作狀態產生相應的輸出至報警系統。

3.1 PLC軟件

系統PLC軟件包括PLC主站控制程序、1#～4#油源PLC控制軟件和密封系統PLC控制軟件。設計者采用并行化、模塊化的軟件開發思路完成PLC軟件開發，以保證PLC軟件高效穩定運行[6]。下面以1#油源為例簡述PLC控制軟件的設計思路。

1#油源控制對象包括：1#電機、2#電機、3#電機、溫控泵、電磁水閥、比例溢流閥等。1#油源監測對象包括：1#油泵油壓、2#油泵油壓、3#油泵油壓、油液液位、油液溫度等。結合風洞運行模式綜合考慮，有操作臺遠程、上位機軟件遠程和觸摸屏軟件本地控制3種控制方式，每種控制方式下又對應多種運行模式，比如，1#油源啟動(停止)可分為：單臺電機啟動、升壓、停止單獨控制和單臺電機或2臺電機(1#和2#、1#和3#)1鍵啟動并升壓(降壓并停止)兩種方式。最終1#油源運行、控制模式多達38種，每種模式對應一套控制工藝流程。下面以1#油源1#電機啟動控制為例，對相應的控制工藝流程進行描述。篇幅有限，其部分PLC控制軟件不再進行贅述。

1#油源1#電機單獨啟動操作方式為：1#油源控制柜切換至遠程模式，點擊觸摸屏軟件中的啟動1#電機按鈕。因循環泵及電磁水閥控制較為簡單，無需單獨配置控制工藝流程，故將其與1#電機啟動控制工藝流程合并，1#油源2#電機、1#油源3#電機單獨啟動控制工藝流程與1#油源1#電機相同。其他如1鍵啟動并升壓等，不做贅述。

圖5 油源控制系統供電方案原理框圖

圖6 1#油源1#電機啟動控制工藝流程

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用LabView2015軟件平臺開發，通過LabView軟件附帶的DSC軟件模塊建立OPC服務器并綁定PLC中的監測點，實現上下位機通訊。上位機功能主要包含操作與顯示畫面、參數設置與存儲、參數狀態顯現，歷史數據記錄，實時報警功能等內容。

1)系統權限管理：設置賬戶和密碼，分別實現控制參數修改的的操作管理權限。

2)操作與顯示畫面：以現場油源使用方式為模版，設計等效的結構布局和動作運行過程顯示畫面，參數狀態、數值和動作過程與畫面相應機構信號關聯，直觀形象的顯示現場的關注對象和運行過程。根據每種對象的動作控制在畫面上設置相應的操作按鈕，之間關聯下位機PLC程序中的動作控制。

3)參數設置與存儲：包含油源控制系統的控制執行指令、輔助參數等的設置功能，可實現參數在本地上位機和下位PLC內部的雙重存儲；

4)歷史數據記錄：油源控制系統的控制指令參數、監控狀態參數、控制輔助參數、運行畫面參數等記錄到歷史數據庫；

5)實時報警功能：實時顯示油源控制系統下位PLC發送來的報警信號。

本系統所研制的上位機軟件操作界面圖如圖7所示(以1#油源為例)。

圖7 上位機操作界面-1#油源

4 結束語

采用GE PLC作為油源控制系統的控制模塊，同時采用LabView2015軟件平臺開發上位機軟件，設計了一套風洞油源控制系統，實現了風洞油源系統的機泵組啟?？刂啤⒂蛪簾o級調節、油液冷卻控制、油源系統狀態監測、本地/遠程控制等功能。該控制系統已投入使用，運行可靠，安全性高、擴展性強，完全能夠滿足在風洞油源控制中的應用需求。