高溫高壓進排氣管路控制系統設計

王曉宇 陶國云 周易 高楊

摘要：航空發動機地面試車臺的高溫高壓進排氣管路系統為試驗件提供一定溫度、壓力的工藝氣體，保證試驗件入口氣流的性能參數能滿足試驗件不同試驗狀態的需要。基于西門子公司的PLC和WinCC產品，設計了一套遠程控制系統并在實際工作中得到了應用。該控制系統作為“神經系統”貫穿于進排氣管路系統始終，通過對各監控點信號的采集分析和對調節閥門的實時控制，實現進排氣管路系統各參數的監控以及進排氣流量、壓力和溫度的調節。

關鍵詞：進排氣管路系統;PLC;WinCC;控制系統

1 引言

本文所提到的航空發動機地面試車臺或部件試驗器的進排氣系統是通過管路系統供氣的方式為發動機或試驗件提供一定溫度、壓力的壓縮氣體，用來模擬發動機在不同狀態時的工作環境。為了保證試驗的有效性，對進排氣管路系統的供氣溫度、流量、壓力以及各個閥門的隨動能力都提出了非常嚴苛的要求[1-2]。

本文針對高溫高壓進排氣管路系統設計了一套基于西門子PLC-WinCC的控制系統。控制系統使用可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心進行控制系統的下位機控制設計，使用視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）設計人機交互界面作為上位機控制。

2 高溫高壓進排氣管路結構

進排氣管路系統是由氣源供氣調節系統、進氣流量調節系統、進氣壓力調節系統、氣體加溫系統、發動機進氣調壓系統等組成，依次實現進氣壓力、流量調節，管路氣體溫度、壓力調節，整流穩壓，參數監控等功能。高溫高壓進排氣管路結構如圖1所示。

3 控制系統技術要求

供氣壓力采用同時調節軸流閥前壓力和穩壓箱出口壓力的調節方案，即采取主路截流，旁路放氣的方法。試驗中，在保持旁路前的主氣路上已調好溫度的空氣總質量不變的情況下，使混合氣出口的總供氣量不受發動機試驗件狀態改變的影響，保持發動機試驗件進口恒定的模擬壓力穩定和確保發動機試驗件在不同工作下所需要的空氣流量。供氣溫度由進氣加溫裝置調節，根據試驗所需氣體的溫度計算出所需投放的功率，調節進氣加溫裝置給氣體加溫[3]。

該系統由許多非線性設備組成，在溫度、壓力的調節與控制中相互干擾影響的因素較多，遵循以下兩個調節原則：

1）盡可能地將參加調節的非線性設備固定為常數;

2）各氣壓容腔單一控制調節，以減少各系統的相互干擾對調節所帶來的影響。

為實現進排氣管路控制系統的功能，概要控制要求為：

（1）控制系統采用上位計算機監控系統進行操作，通過對進排氣系統各設備的控制，實現系統壓力、溫度、流量等參數的調節與控制;

（2）當發生超溫、超壓等異常情況時，產生報警提示，具有自保護功能。

4 控制系統設計

進排氣控制系統結構圖如圖2所示。

4.1 PLC選型

PLC是進排氣控制系統的核心，在選擇PLC時，應重點考慮CPU的性能、指令系統的可靠性和安全性、輸入/輸出點數、物理結構的類型等。經過對比，選擇了西門子公司的S7-300作為控制核心。這款PLC運行速度快、抗干擾能力強、可操作性好，能夠滿足進排氣控制系統的設計要求。PLC選型列表如表1所示。

4.2 系統軟件設計

4.2.1 模塊化編程思想

模塊化編程思想是將PLC控制程序根據控制功能劃分為不同的功能塊來實現，不同于以往線性化編程，每個功能塊之間相互獨立，這樣不僅可降低編程的工作量，而且可以提高程序的效率。此外，采用模塊化思想編程可將控制系統劃分為不同層級結構的程序，可根據需要直接調用相關的功能塊，進而縮短控制系統的響應時間;可根據用戶的需求對不同的功能塊進行適應性修改和調試，提高控制系統的可維護性;通過對控制程序的模塊化結構設計，克服了傳統線性化編程方法中對所有程序全部循環掃描的弊端，減少調用程序的冗余，提高了CPU的利用率。

4.2.2 軟件程序設計

根據模塊化編程思想，設計了設備啟停控制模塊、報警與消音控制模塊、急停控制模塊和故障檢測模塊。

設備啟停控制模塊一般運用在電機、泵和閥門等設備的啟動停止控制當中，可以選擇控制地點是本地控制還是遠程控制，給予啟停指令的同時可以反饋設備當前運行狀態，接收到“急停”信號時可以使正在運行的設備停止運行。

報警與消音控制模塊一般用于指示現場傳感器反饋的模擬量發生了超限現象。進排氣管路系統設計的管路壓力上限為1MPa，排氣塔能承受的溫度上限是380℃，管路流量上限是120kg/s 。當壓力、溫度、流量超過進排氣系統設計的限值時，報警與消音控制模塊會給出報警信號，以便現場工作人員采取相應的解決措施。該模塊也具有報警信號復位與報警蜂鳴器消音功能，嚴重故障會直接觸發急停功能。

急停控制模塊在發生緊急狀況需要停止試驗時使用，急停信號可以分為即時和延時兩種，控制地點也有本地急停信號和遠程急停信號之分，同時提供急停復位信號來消除急停指示。

故障檢測模塊一般用于現場執行器的故障讀取與反饋，分為即時和延時兩種。部分閥門會出現受到干擾而誤報故障的情況，這時根據故障來源的不同選擇延時故障報警功能。故障反饋信號可以起到一定的提示作用，對試驗件的安全運行提供了保障。

4.2.3 上位機人機界面設計

上位機人機界面使用西門子公司的WinCC軟件，主要功能可以從PLC和現場數據采集卡等設備中實時采集試驗數據，發出控制指令并監控系統是否正常運行。使用S7協議中的工業以太網（TCP/IP）與下位機通訊連接。

人機界面上包括了進排氣管路的布局和氣路走向、閥門的位置和工作狀態、現場傳感器的數值反饋、一些數值設定輸入框、批處理快捷鍵、故障報警顯示等，具體畫面如圖3所示。可以供試驗操作人員遠程操作各個執行器，并且讀取試驗相關的溫度、壓力、流量等數據，并且能夠及時獲取試驗過程中產生的故障報警信號。

5 結束語

本文介紹了高溫高壓進排氣管路的布局與其控制系統設計，從硬件部分PLC模塊的組態到軟件部分的上位機與下位機的程序編寫都給出了詳細的設計。目前，該控制系統已經運用到了實際的科研試驗中，使用方便高效，運行情況良好，達到了設計目的。

參考文獻：

[1] 張松，郭迎清，侯敏杰，等.復合控制技術在高空臺進排氣調壓系統中的技術研究[J].測控技術，2009，28（11）：29-33.

[2] 喬彥平，黃單.基于遺傳算法的高空臺進排氣控制仿真研究[J].測控技術，2012，31（6）：83-86.

[3] 趙涌，侯敏杰，黃振南，等.航空發動機高空模擬試驗進氣壓力復合控制研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2010，23（1）：37-41.

【通聯編輯：代影】