基于網(wǎng)絡(luò)化的某試驗(yàn)設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊海濱，熊 健，黃 輝，陳海峰，夏洪亞

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

某試驗(yàn)設(shè)備是開展風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪葉片相關(guān)試驗(yàn)研究、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的一種重要設(shè)施。作為試驗(yàn)設(shè)備的重要組成部分，測(cè)控系統(tǒng)承擔(dān)了所有設(shè)備的靜態(tài)調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集以及試驗(yàn)完成后的數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，其性能的好壞直接關(guān)系到設(shè)備能否安全、高效地運(yùn)行。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，其高效的通訊速度和靈活的組態(tài)方式使得網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。尤其是在分布式集散測(cè)控系統(tǒng)中，合理采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)可以使得布線簡(jiǎn)潔，而且系統(tǒng)組態(tài)靈活，便于擴(kuò)展，可以大大縮短測(cè)控系統(tǒng)的研制調(diào)試時(shí)間，并降低系統(tǒng)安裝與維護(hù)成本[1]。某試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)中，測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus等總線技術(shù)，將核心控制器、PLC和PXIe測(cè)量系統(tǒng)整合起來。從而實(shí)現(xiàn)了上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和各個(gè)測(cè)控分系統(tǒng)的高效通訊和有機(jī)統(tǒng)一，收到了較好的應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)設(shè)備總體介紹

圖1為試驗(yàn)設(shè)備總體輪廓圖[2]。包括：主氣流調(diào)壓系統(tǒng)、半柔壁噴管、穩(wěn)定段、試驗(yàn)艙、排氣收集段、引射系統(tǒng)、排氣消聲系統(tǒng)、抽吸次流系統(tǒng)等。

1)主氣流調(diào)壓系統(tǒng)：包括進(jìn)氣管路和閥門系統(tǒng)。

2)穩(wěn)定段：包括殼體、蜂窩整流器和阻尼網(wǎng)等。

3)試驗(yàn)艙：包括擴(kuò)壓葉柵試驗(yàn)艙和渦輪葉柵試驗(yàn)艙。

4)排氣收集段：包括收集器、方變園過渡段、膨脹節(jié)和排氣調(diào)壓閥等。

5)引射系統(tǒng)：包括三級(jí)引射器及其管路等。

6)抽吸次流系統(tǒng)：包括真空泵、電動(dòng)閘閥、氮?dú)夤?、加熱器、調(diào)壓閥、流量計(jì)及柔性補(bǔ)償段等。

測(cè)控系統(tǒng)主要完成對(duì)上述系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集，包括核心控制系統(tǒng)、進(jìn)氣控制系統(tǒng)、半柔壁噴管控制系統(tǒng)、試驗(yàn)艙控制系統(tǒng)、抽吸次流控制系統(tǒng)、引射控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備總體輪廓圖

2 技術(shù)要求及技術(shù)指標(biāo)

2.1 總體技術(shù)要求

1)充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2)驅(qū)動(dòng)器具備在線監(jiān)測(cè)及自校正功能。

3)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)試驗(yàn)設(shè)備閥門、半柔壁噴管、試驗(yàn)艙、引射系統(tǒng)、抽吸次流等子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集以及安全保護(hù)的功能。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)控系統(tǒng)研制的技術(shù)指標(biāo)要求如下：

1)馬赫數(shù)Ma≤1.0時(shí)，|△Ma|≤0.005；Ma>1.0時(shí)，總壓P0控制精度：0.3%。

2)引射壓力控制精度：0.5%。

3)抽吸壓力控制精度：0.3%。

4)次流流量控制精度：3%。

5)數(shù)據(jù)采集通道數(shù)：32，測(cè)量不確定度：0.01%FS。

6)電子掃描閥壓力測(cè)量通道數(shù)：320，測(cè)量不確定度：0.05%FS。

3 測(cè)控系統(tǒng)總體方案

測(cè)控系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線的三層結(jié)構(gòu),圖2為總體網(wǎng)絡(luò)框圖。第一層為管理監(jiān)控層。主要由負(fù)責(zé)試驗(yàn)調(diào)度管理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集處理、存儲(chǔ)服務(wù)等上位計(jì)算機(jī)組成;第二層為現(xiàn)場(chǎng)控制層。其功能為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)主氣流進(jìn)氣、半柔壁噴管型面、試驗(yàn)艙、引射、抽吸次流控制和數(shù)據(jù)采集等。主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制器(核心控制器、PLC控制器、采集機(jī)箱、壓力掃描閥等計(jì)算處理單元)、輸入輸出模塊與接口(包括AIO、DIO、基于數(shù)字傳送的通訊接口)、觸摸屏等現(xiàn)場(chǎng)信息顯示與操作單元;第三層為傳感器與執(zhí)行層。包括各類傳感元件(壓力、流量、溫度、位移、觸點(diǎn)、限位開關(guān)等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與動(dòng)作元件(電機(jī)、電動(dòng)缸、電磁閥、繼電器等)。

管理監(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)控制層的通訊站點(diǎn)多，傳輸速度快、可靠性要求較高，通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，Profinet通訊協(xié)議。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、壓力掃描閥、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的通訊則采用TCP/IP通訊協(xié)議。子系統(tǒng)PLC則通過其PN口或DP口與伺服控制器或觸摸屏通訊。

設(shè)備運(yùn)行前，由管理計(jì)算機(jī)編寫試驗(yàn)流程，下達(dá)試驗(yàn)指令；監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備各子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)同步讀取各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的集中處理、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器做為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢之用。

核心控制器完成控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的集中控制，包括進(jìn)氣調(diào)壓閥、進(jìn)氣快速閥、抽吸調(diào)節(jié)閥、次流調(diào)節(jié)閥、引射調(diào)壓閥、引射快速閥、排氣調(diào)壓閥等。通過實(shí)時(shí)采集壓力、流量等信號(hào)，核心控制器對(duì)各調(diào)節(jié)閥進(jìn)行閉環(huán)控制，消除各控制點(diǎn)的耦合影響，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)控制的快速性和精確性。

各子系統(tǒng)PLC與核心控制器進(jìn)行通訊，在試驗(yàn)過程中接收核心控制器的指令，完成各自系統(tǒng)的控制。手動(dòng)模式下，各子系統(tǒng)PLC獲得本系統(tǒng)所有設(shè)備的控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)完全本地控制。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)完成充氣密封、進(jìn)氣快速閥、引射快速閥等關(guān)鍵位置的聯(lián)鎖控制。

數(shù)采機(jī)箱進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，壓力掃描閥進(jìn)行噴管和試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)壓力數(shù)據(jù)的采集。另外，核心控制器在控制過程中采集到的壓力和流量數(shù)據(jù)、試驗(yàn)艙P(yáng)LC在控制過程中采集到的位移和角度數(shù)據(jù)，也作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。

伺服驅(qū)動(dòng)單元接受PLC的指令，控制伺服電機(jī)行走至相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)半柔壁噴管、試驗(yàn)段壁板、圓盤以及移動(dòng)測(cè)試機(jī)構(gòu)等的精確控制。

4 關(guān)鍵子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心控制系統(tǒng)選用NI公司PXI平臺(tái)，主要由PXIe機(jī)箱、PXIe實(shí)時(shí)控制器、輸入輸出模塊、信號(hào)隔離調(diào)理模塊，以及壓力、流量傳感器等組成。其中控制器選用PXIe-8840 RT，2.7GHz，dual-core Intel Core i5-4400E處理器，4GB內(nèi)存。電壓信號(hào)輸入卡選用18位分辨率的PXI-6289，電流信號(hào)輸入卡選用24位分辨率的PXIe-4303，電流電壓輸出卡選用16位分辨率的PXIe-4322。系統(tǒng)框圖見圖3。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

圖3 核心控制系統(tǒng)框圖

核心控制系統(tǒng)通過PXIe實(shí)時(shí)控制器上的以太網(wǎng)接口與現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)交換機(jī)連接，與上位計(jì)算機(jī)、各子系統(tǒng)PLC通過Profinet總線進(jìn)行通訊。每次試驗(yàn)前，核心控制器接收管理計(jì)算機(jī)下達(dá)的試驗(yàn)程序，開始試驗(yàn)控制。試驗(yàn)過程中，除了對(duì)各調(diào)節(jié)閥的閉環(huán)控制，核心控制器還通過開關(guān)量輸出卡，對(duì)進(jìn)氣快速閥和引射快速閥進(jìn)行控制。

4.2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、壓力掃描閥系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)等組成。其原理如圖4所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)原理圖

與控制相關(guān)的穩(wěn)態(tài)壓力信號(hào)已經(jīng)由核心控制器采集，不再接入穩(wěn)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。因此，穩(wěn)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要完成溫度信號(hào)的采集，包括試驗(yàn)間溫度、氣源溫度、次流溫度等，由熱電偶或PT100熱電阻采集后，經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)入采集系統(tǒng)的輸入模塊。

除核心控制器采集的壓力信號(hào)外，其余穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)均位于噴管和試驗(yàn)段，測(cè)點(diǎn)位置集中且數(shù)量大，按320個(gè)通道設(shè)計(jì)，全部采用9116壓力掃描閥測(cè)量。噴管和試驗(yàn)段靜壓通過靜壓孔采集，經(jīng)引壓管接入壓力掃描閥。試驗(yàn)段移動(dòng)通過一只五孔探針和一只單點(diǎn)附面層探針采集，經(jīng)引壓管接入壓力掃描閥。壓力掃描閥具備以太網(wǎng)通訊接口，支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP議，通過90DB分布器可將壓力測(cè)量數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊傳遞到數(shù)采計(jì)算機(jī)。

考慮到動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)方便、獨(dú)立性強(qiáng)的需求，該系統(tǒng)不使用NI PXI機(jī)箱，而選用一臺(tái)奧地利德維創(chuàng)(DEWETRON)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配備64個(gè)模擬量同步采集通道，每通道采樣率不低于500 kHz。傳感器選用動(dòng)態(tài)壓力傳感器，頻率響應(yīng)不低于200 kHz。

4.3 進(jìn)氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)主要由主輔截止閥、主輔快速閥、主輔調(diào)壓閥組成。其控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、閥門驅(qū)動(dòng)器等組成。其系統(tǒng)框圖見圖5。

圖5 進(jìn)氣控制系統(tǒng)框圖

進(jìn)氣系統(tǒng)PLC與核心控制器通過交換機(jī)組成Profinet網(wǎng)絡(luò)，與進(jìn)氣控制觸摸屏通過DP通訊電纜組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，與主調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)器組成Profinet網(wǎng)絡(luò)[3]。

本地控制時(shí)，通過觸摸屏的操作，由PLC對(duì)進(jìn)氣截止主輔閥、進(jìn)氣快速主輔閥、進(jìn)氣調(diào)壓主輔閥進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制時(shí)，由PXI核心控制器對(duì)各閥進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)切斷進(jìn)氣快速閥。

4.4 試驗(yàn)艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)艙有兩個(gè)。其中擴(kuò)壓葉柵試驗(yàn)艙包括試驗(yàn)段殼體、試驗(yàn)圓盤、上下壁板等。渦輪葉柵試驗(yàn)艙的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括攻角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下壁板角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。移動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)盤、4個(gè)滾珠絲杠以及支撐架組成。兩個(gè)試驗(yàn)艙各配置一套獨(dú)立的移動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)。

試驗(yàn)艙控制系統(tǒng)框圖見圖6。采用西門子伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能多軸同步定位控制。通過PLC的DP口連接觸摸屏，一個(gè)PN口連接交換機(jī)，另一PN口連接伺服控制器CU320和CU310。

本地操作模式時(shí)，由觸摸屏實(shí)現(xiàn)操作。PLC向CU320和CU310控制器發(fā)送指令，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)圈數(shù)和角度，將被控單元控制在指定位置。

圖6 試驗(yàn)艙控制系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)過程中，PLC接受核心控制器的控制指令。核心控制器將試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整至穩(wěn)定后，即向試驗(yàn)艙P(yáng)LC發(fā)送測(cè)量指令，由PLC通過Profinet傳送指令至CU310，控制伺服電機(jī)，使探針移測(cè)機(jī)構(gòu)按既定路線進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)過程中，編碼器模塊采集到的位置反饋到上位機(jī)，與壓力數(shù)據(jù)結(jié)合，繪制出壓力分布圖像。

4.5 半柔壁噴管控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半柔壁噴管由框架、上下半柔壁組件、側(cè)壁及其附件組成。采用電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)和定位，可實(shí)現(xiàn)M1.0～M1.8九個(gè)氣動(dòng)型面。控制系統(tǒng)采用西門子交流伺服系統(tǒng)，PLC通過DP口連接觸摸屏，一個(gè)PN口連接Profinet交換機(jī)，另一個(gè)PN口連接伺服控制器CU320，系統(tǒng)采用共直流母線方式，每個(gè)推桿通過位移傳感器構(gòu)成閉環(huán)位置反饋，分別實(shí)現(xiàn)兩組各5套推桿的位置同步協(xié)調(diào)控制。

推桿采用同步交流伺服電機(jī)，帶絕對(duì)值編碼器和電機(jī)抱閘，每根推桿安裝一個(gè)SSI位移傳感器以及行程開關(guān)。

伺服控制器、電機(jī)模塊、電機(jī)編碼器反饋、SSI位移反饋等采用Drive_CLiQ方式聯(lián)接[4]。系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 半柔壁控制系統(tǒng)框圖

4.6 引射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引射系統(tǒng)通過抽吸作用，為試驗(yàn)段提供低壓條件，滿足低雷諾數(shù)試驗(yàn)?zāi)M需求。其進(jìn)氣管路上配置了電動(dòng)閘閥、氣動(dòng)快速閥和三臺(tái)電動(dòng)調(diào)壓閥。

引射控制系統(tǒng)見圖8，以PLC 為控制核心，通過工業(yè)以太網(wǎng)和核心控制器以及試驗(yàn)管理上位機(jī)進(jìn)行通訊。同時(shí)引射控制系統(tǒng)觸摸屏和CPU之間通過Profinet總線進(jìn)行通信。伺服驅(qū)動(dòng)控制器選用CU310-2PN，引射控制系統(tǒng)共包括3 套單軸伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備，控制單元CU310 通過PN 口和PLC 進(jìn)行級(jí)聯(lián)[5]。CU310伺服驅(qū)動(dòng)器在試驗(yàn)過程中接收核心控制器給定的模擬量信號(hào)，而試驗(yàn)中如果核心控制器出現(xiàn)故障，接收引射系統(tǒng)PLC通過總線給定的數(shù)字量信號(hào)，由本地PLC實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)車。

圖8 引射控制系統(tǒng)框圖

4.7 抽吸次流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽吸系統(tǒng)包括駐室抽吸和附面層抽吸。同時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備還配備空氣次流和氮?dú)獯瘟飨到y(tǒng)，并具備壓力調(diào)節(jié)和加溫功能。

抽吸次流控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、閥門驅(qū)動(dòng)器等組成，其控制系統(tǒng)框圖見圖9。

圖9 抽吸次流系統(tǒng)框圖

抽吸次流系統(tǒng)PLC、上位管理計(jì)算機(jī)與核心控制器通過交換機(jī)組成Profinet網(wǎng)絡(luò)，PLC與抽吸次流的觸摸屏通過DP通訊電纜組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，與真空泵控制器、次流加熱控制器通過TCP/IP協(xié)議通訊。

本地控制時(shí)，通過觸摸屏的操作，由PLC對(duì)各閥門、控制器進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制時(shí)，由核心控制器對(duì)各閥、控制器進(jìn)行控制。

4.8 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)采用了一系列軟件進(jìn)行了設(shè)備程序編制和上位計(jì)算機(jī)的界面組態(tài)。其中核心控制系統(tǒng)程序開發(fā)和調(diào)試使用LabVIEW RT開發(fā)軟件。PLC程序開發(fā)和調(diào)試采用西門子編程軟件博途V15專業(yè)版，因梯形圖語言具有直觀易懂的特點(diǎn)，因此主要采用梯形圖語言開發(fā)。上位計(jì)算機(jī)的界面組態(tài)均采用NI的編程軟件LabVIEW 2018專業(yè)版[6]，圖10為其中的進(jìn)氣系統(tǒng)的操作界面圖。另外，進(jìn)氣主調(diào)壓閥的倫茨驅(qū)動(dòng)器還采用了倫茨的專業(yè)驅(qū)動(dòng)軟件Engineer對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能進(jìn)行整定，西門子S120驅(qū)動(dòng)器采用了starter對(duì)其電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖10 進(jìn)氣系統(tǒng)操作界面

根據(jù)試驗(yàn)工況，設(shè)備共有六種運(yùn)行模式，即渦輪葉柵下吹試驗(yàn)，渦輪葉柵下吹引射試驗(yàn)，擴(kuò)壓葉柵亞跨下吹試驗(yàn)，擴(kuò)壓葉柵超聲速下吹試驗(yàn)，擴(kuò)壓葉柵亞跨下吹引射試驗(yàn)和擴(kuò)壓葉柵超聲速下吹引射試驗(yàn)。主控程序分別針對(duì)這六種運(yùn)行模式進(jìn)行了軟件編程。圖11為渦輪葉柵下吹試驗(yàn)的流程圖[7]。

圖11 渦輪葉柵下吹試驗(yàn)流程

5 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

5.1 馬赫數(shù)控制

在早期的設(shè)計(jì)中，通過單獨(dú)調(diào)節(jié)主氣流調(diào)壓閥即可實(shí)現(xiàn)亞跨聲速條件下的馬赫數(shù)控制，但由于總靜壓之間存在較強(qiáng)的耦合，控制精度相對(duì)較低，且穩(wěn)定時(shí)間較長。

本系統(tǒng)中，采取了以下三點(diǎn)措施解決馬赫數(shù)控制的精度和調(diào)節(jié)速度：

1)總靜壓解耦控制策略[8]。設(shè)獨(dú)立的靜壓與總壓控制回路，即抽吸引射控制和主氣流進(jìn)氣控制。

2)主氣流進(jìn)氣采取主輔兩個(gè)調(diào)壓閥，滿足大流量比條件下，不同流量時(shí)的精確控制要求。

3)采用不同量程高精度壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)大壓力比范圍內(nèi)，不同壓力值的精確測(cè)量。

采取以上措施后，馬赫數(shù)控制精度和速度問題得以解決，圖12為馬赫數(shù)控制原理圖。

圖12 馬赫數(shù)控制原理圖

5.2 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

因測(cè)控系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)比較多，各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)繁瑣，因而如何作好聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，保障整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的安全運(yùn)行也是一個(gè)難點(diǎn)[9]。設(shè)計(jì)中采取了以下措施以保障設(shè)備和人員安全：

1)試驗(yàn)開車的允許條件中檢測(cè)如下一些必要條件：充氣密封、子系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器、核心控制器、PLC運(yùn)行、數(shù)采系統(tǒng)，如有異常則不能開車。

2)故障情況設(shè)置三級(jí)聯(lián)鎖保護(hù)。一級(jí)為一般故障，不影響試驗(yàn)運(yùn)行；二級(jí)為待處理故障，試驗(yàn)可以繼續(xù)，但需采取一定措施；三級(jí)為嚴(yán)重故障，必須馬上停止試驗(yàn)。

3)試驗(yàn)停止有3種方式：正常情況下由核心控制器關(guān)車；如核心控制器故障則切換到PLC實(shí)現(xiàn)各閥門關(guān)閉；如PLC也無法停止試驗(yàn)，則由急停按鈕直接從電路上切斷主氣流快速閥和引射快速閥控制回路供電，從而保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備。

6 調(diào)試結(jié)果

測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)過集成后，完成了各個(gè)子系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了各個(gè)狀態(tài)下試驗(yàn)設(shè)備的綜合性能調(diào)試。參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)采取的控制策略為分兩段調(diào)節(jié)，即首先根據(jù)氣源壓力、總壓、靜壓摸索閥門的開度或機(jī)構(gòu)位置，直接快開到接近閥門的目標(biāo)位置。然后再根據(jù)馬赫數(shù)或總壓的計(jì)算公式進(jìn)行PID運(yùn)算，閉環(huán)調(diào)節(jié)[10]。這樣既保證了調(diào)節(jié)的快速性，又保證了調(diào)節(jié)精度[11]。經(jīng)調(diào)試證明：設(shè)備運(yùn)行性能達(dá)到甚至超過了預(yù)期的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

本文列出了兩個(gè)典型的試驗(yàn)狀態(tài)。圖13為馬赫數(shù)0.6的調(diào)試曲線。采用渦輪葉柵試驗(yàn)艙，下吹試驗(yàn)，主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，馬赫數(shù)穩(wěn)定時(shí)間約16秒，控制精度達(dá)到了|△Ma|≤0.002。

圖13 馬赫數(shù)Ma=0.6曲線

圖14為馬赫數(shù)為1.5時(shí)的總壓曲線。采用擴(kuò)壓葉柵試驗(yàn)艙，超聲速下吹引射試驗(yàn)，主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，總壓穩(wěn)定時(shí)間約50 s，精度滿足0.3%的要求。

圖14 馬赫數(shù)Ma=1.5時(shí)總壓曲線

7 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用NI的PXIe核心控制器、倫茨及西門子電機(jī)、S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、1500系列PLC、PXIe數(shù)采系統(tǒng)等一系列先進(jìn)的設(shè)備構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)化的試驗(yàn)設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)，確保實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的本地及遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)、緊急故障處理等。本測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度及測(cè)控精度高，設(shè)計(jì)先進(jìn)，經(jīng)過實(shí)踐證明達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠優(yōu)質(zhì)高效地保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。