某亞跨超聲速風洞安全聯鎖控制系統研制

馬列波，高 鵬，陳海峰，閻 成，唐子奇

(中國空氣動力研究與發展中心 高速所，四川 綿陽 621000)

安全聯鎖控制系統是關系到整個風洞運行安全的重要系統，其完備性直接影響整個風洞控制系統的可靠性。安全聯鎖控制系統主要進行風洞啟動條件判斷及狀態監控[1]，緊急情況下自動停止風洞運行，保證風洞運行過程中的人員和設備安全，防止由設備準備條件不足或風洞洞體、試驗模型及測控系統設備狀態異常等引發的不安全因素對風洞試驗和參試人員造成損失和傷害。

某亞跨超聲速風洞為1 m量級半回流暫沖式亞跨超聲速風洞，噴管出口尺寸為1.2 m×1.2 m，試驗馬赫數范圍為0.3～4.5，風洞設備主要包括：氣源系統、進氣管路和閥門系統、風洞主體、測量系統、監測與控制系統和輔助設施。進氣管路和閥門系統包括主進氣路管路系統和引射進氣管路系統，兩條氣路分別配置有閘閥、快速閥和調壓閥；風洞主體包括穩定段、噴管段、試驗段(2個)、支架段、超擴段、吸入引射器、增量引射器等。

通過主進氣路管路系統、引射進氣管路系統以及增量引射器的組合使用，形成5種運行方式，分別為增量引射式、下吹式、下吹吸入引射式、增量+吸入引射式，增量+下吹吸入引射式，滿足了0.3～4.5Ma的寬試驗馬赫數范圍，但同時也導致運行工況復雜、高馬赫數運行風險高等問題。運行方式組合示意圖如圖1所示。

圖1 運行方式組合示意圖

為了保證風洞運行安全，需要研制一套狀態數據采集處理全面準確、通信實時性高、可根據運行工況自動配置安全控制策略、具備多種安全關車手段的安全聯鎖控制系統。

1 總體方案

安全聯鎖控制系統由安全監控計算機(上位機)、安全聯鎖PLC(下位機)以及控制臺組成。由于安全聯鎖控制系統監測設備安裝地點分散，監控信息點多，為了減少施工量，系統布置基于分布式測控技術[2-5]，采用基于現場總線和網絡化的開放式集散系統，功能分散，指揮集中[6-7]。安全聯鎖PLC(下位機)部署在風洞現場地下室，安全監控計算機(上位機)和控制臺部署在風洞測控間。安全聯鎖控制系統功能主要包括：風洞現場各控制分系統及關鍵部段狀態參數的監測及存儲功能，安全聯鎖控制策略自動配置功能，系統實時通信功能，風洞各控制分系統的控制功能，復雜運行工況下的自動回零、手動和緊急3種安全關車功能。

安全聯鎖控制系統功能實現方式包括軟件控制和手動控制。手動控制部分通過操作測控間控制臺實現手動安全關車功能；軟件控制部分通過安全監控計算機以及PLC共同實現狀態監測存儲、參數處理、自動回零安全關車等功能。

2 硬件組成

安全聯鎖控制系統安全監控計算機(上位機)選用聯想ThinkCentre系列計算機，下位機采用西門子的S7-1500系列PLC(CPU1516-3PN/DP)，PLC硬件輸入輸出模塊包括：3個32路數字量輸入模塊、2個32路數字量輸出模塊、3個8路模擬量輸入模塊和1個8路模擬量輸出模塊。安全聯鎖控制系統硬件拓撲結構圖如圖2所示，安全聯鎖控制系統對風洞狀態的監控通過網絡通信和傳感器硬件采集兩種途徑實現。

圖2 安全聯鎖系統網絡通信拓撲結構圖

為了保證網絡通信的可靠性，風洞網絡通信基于測控環網實現[8]，由西門子交換機組成光纖環網，安全聯鎖控制系統PLC、各風洞控制分系統與環網交換機采用Profinet實時以太網連接，為了提高網絡通信的實時性、實現狀態實時監測以及減小異常情況下安全聯鎖控制系統的響應時間，Profinet實時以太網采用RT實時通信協議，相比于常規的TCP/IP通信協議，系統通信周期可以由100 ms縮短至2～4 ms。由于安全聯鎖控制系統上位機在試驗運行過程中僅起狀態顯示與記錄功能，不參與執行控制，對通信實時性要求不高，因此安全聯鎖控制系統上位機與下位機PLC之間通過OPC進行通信，通信周期為100 ms。

對于關系風洞運行安全的關鍵信號，如各控制分系統的就緒故障信號、關鍵部段的人孔開關信號、控制臺按鈕信號、穩定段壓力和集氣室壓力等信號，通過直接接線方式連接到PLC輸入模塊進行硬件采集，同時將風洞閥門系統以及彎刀機構通過直接接線方式接入到PLC輸出模塊，保證網絡通信發送故障時，安全聯鎖控制系統仍能通過硬件輸出對風洞閥門、彎刀進行控制，確保風洞不失控。

穩定段、集氣室和調壓閥后壓力信號通過壓力傳感器和電接點壓力表同時采集監測，由人孔以及閥門開關信號等通過限位開關進行采集監測。

3 軟件設計

安全聯鎖控制系統軟件分為上位機系統管理軟件和下位機PLC控制軟件，實現數據采集處理、狀態實時監測、各分系統監控，以及自動回零、手動安全關車等功能。上位機軟件采用LabVIEW編寫，下位機軟件采用西門子Portal的SCL語言編寫。圖3為安全聯鎖系統軟件主要功能圖。

圖3 安全聯鎖系統軟件主要功能圖

3.1 上位機軟件

安全聯鎖控制系統管理軟件可以通過接收下位機PLC上傳的信息實現各監測狀態的實時顯示與存儲，包括各控制分系統的運行狀態、各閥門的開關狀態以及油源壓力溫度等；接收解析核心控制系統發送的試驗運行參數進行部署，根據試驗運行工況，自動配置安全聯鎖控制策略下發至下位機PLC，包括試驗開始前開車條件的檢測與控制、運行過程中異常情況下的關車流程等；控制指令的下發，在開車準備及試驗正常結束后根據部署的控制策略下發相關啟停指令，在試驗等待階段，下發手動操作控制指令；對控制指令進行聯鎖，如未打開快速閥均壓閥時，快速閥打開指令無效。

由于風洞復雜的運行工況，導致安全聯鎖控制策略復雜多變，為了實現其自動配置的高效性，縮短調試期間調整控制策略所需時間，對安全聯鎖控制策略進行模塊化設計。對風洞所有運行部段的工作模式以及控制方式等進行編號，對相應工作模式涉及到的控制分系統進行梳理，形成對應的操作指令，編寫相應的功能塊，然后根據運行工況對各部段編號進行排列組合，形成相應的安全聯鎖控制策略。表1為風洞部分部段的工作模式編號情況。

表1 風洞部分部段的工作模式編號表

3.2 PLC軟件

安全聯鎖控制系統功能的執行部分主要通過下位機PLC控制軟件實現，包括數據采集與處理，對PLC輸入輸出模塊信號進行安全邏輯、高低有效、強制性、上下閾值等預處理；與各控制分系統進行信息交互，將采集接收的壓力、油溫、就緒故障、閥門開關狀態等信息上傳至上位機；執行上位機下發的控制指令及控制策略，進行開車條件檢測與控制，包括啟動油源、氣密封充氣和打開快速閥均壓閥等，并對其就緒狀態進行檢測，同時將未就緒條件上傳至上位機進行顯示，為試驗運行做好準備工作；運行過程中異常情況的判斷以及完成安全關車流程。圖4為PLC軟件功能結構圖。

圖4 PLC軟件功能結構圖

安全聯鎖控制系統安全關車策略包括自動回零、手動以及緊急關車。其中自動回零關車通過下位機PLC軟件實現；手動關車通過控制臺按鈕操作實現；緊急關車通過硬件聯鎖實現，PLC軟件僅對其進行監測記錄。

3.2.1 自動回零關車策略

基于風洞復雜運行工況，為了確保風洞洞體以及模型安全，對試驗運行過程中的異常狀態進行了分類，共分為三級報警信號。一級報警信號包括氣密封系統、油源系統和模型支撐系統等各分系統故障信號以及控制臺回零關車按鈕信號；二級報警信號包括核心控制系統故障、穩定段總壓超低壓和控制臺PLC關車按鈕等信號；三級報警信號包括穩定段總壓超高壓、集氣室壓力超高壓、洞內有人、人孔打開以及控制臺緊急停車按鈕等信號。

當一級報警信號觸發后，PLC軟件向核心控制系統發送回零關車信號，由核心控制系統判斷并控制模型回零關車，包括調節調壓閥穩定壓力，控制模型回到零位后關閉調壓閥，再關閉快速閥。

當觸發二級報警時，安全聯鎖控制系統將接管核心控制系統的風洞控制權限，由 PLC軟件控制風洞模型回零關車。目前共有5種關車策略，過程包括控制調壓閥調節壓力、控制模型迎角回零以及按照上位機下發的關車控制策略關閉相關閥門完成安全關車。為了實現上位機關車控制策略自動配置功能，便于調試關車控制策略，對PLC關車程序進行了模塊化設計，通過對風洞所有關車工況需要使用到的部段功能進行分解，形成基本的功能塊，包括各調壓閥壓力調節功能，彎刀機構實現模型迎角回零功能，各調壓閥關閉功能。然后根據上位機下發的關車策略，將基本功能塊進行組合，形成相應的關車控制策略。調壓閥壓力調節控制策略采用智能PID控制，為了防止調壓閥控制權切換到PLC時閥位調節量突變，在不同壓力誤差范圍內，采用不同的PID調節參數[9-10]。PLC關車策略如圖5所示。

圖5 PLC關車策略圖

3.2.2 手動及緊急關車策略

當試驗運行過程中發生異常時，需要終止試驗進行關車，若因PLC程序故障等原因導致自動關車流程無法執行，需要通過控制臺進行手動關車，包括切換彎刀控制權限為手動，操作控制臺上全摸正向/負向按鈕控制模型回零，待模型回零到位后，按下緊急關車按鈕，關閉快速閥，完成安全關車。

緊急關車作為風洞最后一道安全關車保障，當試驗運行過程中觸發了三級報警信號或者自動回零關車執行時間超時，將執行緊急關車。當電接點壓力表、人孔開關以及控制臺按鈕等硬件信號被觸發后，直接控制關閉快速閥，不進行模型回零及壓力調節。

4 調試結果

針對安全聯鎖控制系統的主要功能進行了測試，主要包括數據采集處理顯示功能、各控制分系統的控制功能、安全聯鎖控制策略自動配置功能以及3種安全關車功能。

圖6為安全聯鎖控制系統上位機狀態顯示界面。從圖中可以看到，界面可以實時顯示油源系統、氣密封系統、柔壁系統等控制分系統的狀態、閥門的開關狀態和調壓閥的開度信息等。

圖6 上位機狀態顯示界面圖

圖7為安全聯鎖控制策略自動配置界面。從圖7中可以看到，安全聯鎖控制系統管理軟件能夠實現運行參數的接收解析部署功能，能夠實現控制策略的自動配置功能。

圖7 安全聯鎖控制策略自動配置界面圖

圖8為試驗前開車檢測狀態顯示界面，表明PLC軟件可以在試驗準備階段實現各分系統控制和就緒狀態檢測功能。

圖8 開車檢測狀態顯示界面圖

對安全關車進行調試，在空風洞試驗過程中分別模擬一級、二級和三級報警信號，觸發安全關車。通過調試發現，模擬模型支撐系統故障信號觸發一級報警時，核心控制系統能夠收到回零關車信號；當穩定段壓力穩定后，模擬穩定段超低壓信號觸發二級報警，PLC能夠進行壓力調節，同時進行模型回零，然后關閉調壓閥，完成PLC安全關車；當按下控制臺緊急關車按鈕觸發三級報警時，快速閥能夠立即關閉，完成安全關車。圖9為二級報警安全關車調試過程中穩定段壓力的變化曲線。從圖中可以看到，當觸發二級報警時，PLC能夠根據上位機下發控制策略進行壓力閉環調節穩定段壓力。

圖9 穩定段壓力變化曲線

5 結束語

某亞跨超聲速風洞安全聯鎖控制系統在風洞復雜運行工況下，通過采用Profinet實時以太網RT通信協議，對安全聯鎖控制策略以及PLC軟件關車程序進行模塊化設計，實現了系統狀態的實時監測、安全聯鎖控制策略的自動配置部署以及3種安全關車手段，保證了風洞試驗的高效安全運行。