結構化編程方法在射流預冷試驗器中的應用

王曉宇 周易 高楊

摘要：射流預冷技術是改善航空渦輪噴氣發動機高空高速高性能的技術之一，該技術已經在航空領域中得到成功應用。為滿足射流預冷技術的試驗需求，開展射流預冷技關鍵技術試驗驗證，搭建了地面試驗驗證系統，設計了地面驗證用射流預冷試驗器，其中，使用可編程邏輯控制器（PLC）設計射流預冷試驗器的控制系統。為了提高控制系統的效率，便于后期維護和使用，本文提出了一種結構化編程的方法，應用在射流預冷試驗器的控制系統中。

Abstract： Jet precool is one of the technologies which improving the property of aerojet engine ，and it has been widely used in aviation .To meet the test requirements，using the PLC to design the control system. In order to improve the control system efficiency，convenient for later maintenance and use ，the paper proposes a structured programming method ，and uses it in the control system of the jet precooling tester.

關鍵詞：射流預冷;控制系統;PLC;結構化

Key words： jet precool;control system;PLC;structured

中圖分類號：V241.06????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0232-02

0? 引言

近些年，國內航空工業領域研究的射流預冷技術是指在常規渦輪發動機進口前加裝射流預冷試驗器，管道中的來流氣體經過射流預冷試驗器后，與冷卻介質相互摻混，通過介質的蒸發，進而冷卻管道內的高溫氣流，使發動機進口前的氣流溫度滿足常規發動機進氣要求，從而使發動機能夠在高馬赫數下工作，擴大了發動機的工作包線1-3。

射流預冷試驗器的控制系統作為“神經系統”貫穿始終，使用西門子公司的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設計，并采用結構化的編程方法來優化控制系統的設計。射流預冷試驗器的控制系統是該試驗器的重要組成部分，可以實時收集各種傳感器反饋信號，對水泵、閥門、水箱電加熱器等設備進行控制和匹配調節，確保試驗器的安全穩定運行，在給定工作狀態下完成試驗任務。控制系統能夠對試驗過程中的關鍵參數進行監控和報警，使試驗器高效運行，提高試驗器的安全性和可靠性。為了完成控制系統的設計，需要滿足以下需求：

①試驗器安全穩定運行。在試驗過程中，對試驗器控制不當容易導致設備的故障、損壞，影響試驗成果，因此控制系統的安全性很重要。

②正確的故障處理方式。在試驗過程中，設備難免出現故障，在出現故障后能及時反饋給試驗操作人員，以便及時做故障處理工作，防止耽誤試驗進程。

③合理的參數反饋與給定設置。試驗過程中需要時刻關注各個傳感器的反饋數值和各個執行器的運行反饋狀態。靈活設置泵電機轉速，調節閥開度等參數來保證射流預冷試驗器滿足試驗的需要。

1? 現有技術狀態

目前在航空工業的地面試驗設備控制系統設計過程中，常用線性化編程思想，特點是新手易學，但是重復性工作多，效率較低。對于控制邏輯相同的不同設備，需要多次重復編寫相同的控制程序，浪費大量的時間和精力，而且會造成程序冗長，影響PLC運行速度，不便于程序的后期維護與升級改造。

2? 結構化編程思想

利用PLC的結構化編程思想，將射流預冷試驗器中一些常用的控制邏輯編寫為通用的功能模塊，在控制程序的編寫過程中根據需要調用預先編寫好的功能模塊，通過設置不同的控制變量地址，實現各個試驗設備的控制。

結構化編程的優點有：

①邏輯清晰，程序結構層次分明，對于控制邏輯相同的不同設備，例如射流預冷試驗器中的多個閥門控制，不需重復編寫控制程序，只需多次調用功能模塊即可;

②便于后期維護，控制邏輯需要更改時，線性化程序中需要對每一個程序段進行更改，結構化程序中只需更改功能模塊的內容，調用處不需更改;

③可以建立功能模塊庫，將現有的功能模塊轉用于未來其他試驗設備的設計中，并在設計工作中不斷補充完善。

3? 結構化編程的應用

本文根據射流預冷試驗器的需求，提出五種常用功能塊應用在控制系統中。分別是急?？刂颇K、報警與消音控制模塊、故障檢測模塊、故障檢測模塊（延時）、設備啟停控制模塊。功能模塊中的語句使用接口變量進行編寫，程序中無實際的變量地址。在模塊被調用處用實際變量的地址為接口變量賦值，從而實現功能模塊對實際變量的控制。

3.1 急?？刂颇K

急?？刂颇K的控制功能一般應用在射流預冷試驗器水系統的水泵和主要調節閥門上。當試驗過程中遇到緊急狀況需要采取應急措施時，可以利用人機界面以及操作臺上的實體按鈕，實現急停信號的發生與復位，一般有“本地”和“遠程”兩個操作地點，“急?！毙盘柗譃椤凹磿r急?！焙汀把訒r急?！??！凹蓖！毙盘柨刹环挚刂频攸c隨時發出，“復位”信號需要在對應的控制地點才能發出。急停控制模塊的梯形圖如圖1所示。

3.2 報警與消音控制模塊

報警與消音控制模塊一般用于試驗操作臺的報警蜂鳴器、報警消音燈的控制。當射流預冷試驗器在試驗過程中，某個部件或執行器出現故障，必須發出報警提示現場試驗人員，參試人員根據報警查看發生故障的部位，確定是繼續試驗或是暫停試驗排故。若故障不影響試驗進行，便可按下試驗臺上的報警消音按鈕，略過此報警，繼續試驗。

3.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊用于射流預冷試驗器設備故障信號的檢測與保持，可用“復位”信號消除。但是有些設備比較容易誤觸發故障信號，通過加入延時定時器過濾掉誤觸發的信號，由于加入了延時定時器，故障信號需要發生并保持一定時間才能觸發故障響應。例如射流預冷試驗器中的一些閥門遇到強電干擾會誤報故障信號，這時就可以使用故障檢測延時模塊。故障檢測模塊（延時）梯形圖如圖2所示。

3.4 設備啟?？刂颇K

設備啟停控制模塊可以用于射流預冷試驗器水系統泵電機的合閘/分閘操作和啟動/停止操作，可以調用兩次該模塊實現。也可用在水系統變頻水泵的本地/遠程控制地點切換、自動/手動試驗模式切換等。

這個模塊的功能可以利用人機界面或設備的實體按鈕實現對設備的啟動/停止控制、狀態點的置位/復位操作，利用設備的運行反饋信號實現控制信號的自鎖，有“本地”和“遠程”兩個控制地點。設備啟?？刂颇K的梯形圖如圖3所示。

4? 結構化編程的效果

以射流預冷試驗器的控制系統程序為例，對比結構化編程與線性化編程的不同效果。

結構化編程共計54個程序段，使用了上述的5個功能模塊，共計被調用12次。其中，設備啟?？刂颇K調用次數最多，為5次。

在程序調試過程中，若需修改設備啟?？刂七壿嫞诮Y構化編程中只需對設備啟?？刂颇K進行1次修改，而線性化編程則需要對5處邏輯相同的程序段進行重復性的修改。結構化編程相對于線性化編程，在實際的工程應用中有更高的效率。

假如需要編寫另一個試驗設備的控制程序時，結構化編程可以直接復制功能模塊庫并調用，只需為模塊內的接口變量賦值即可。而線性化編程需要對程序段進行復制，并對程序內的所有變量進行重新賦值，有大量的重復性工作，且容易出現錯漏。結構化編程相對于線性化編程，在實際的工程應用中有更低的錯誤率。

5? 結論與展望

實際上，在PLC的工程應用中，結構化編程和功能模塊庫的概念很常見，但是在航空工業試驗設備的控制系統設計中，此方法并未大規模使用。本文以射流預冷試驗器為例，將結構化編程思想應用在該試驗器的控制系統設計中，取得了良好的效果。因此在航空工業試驗設備設計中推廣結構化編程思想是很有必要的，并且本文提出的5個模塊是在實際的工程實踐中總結、優化而產生的，考慮了不同場景、不同設備和不同控制目的的兼容性問題，具有一定的通用性，能為設計人員提升效率，降低錯誤率，便于控制系統的設計和后期維護。

參考文獻：

[1]芮長勝，張超，越冬峰.射流預冷渦輪發動機技術研究與發展[J].航空科學技術，2015，26（10）：53-59.

[2]劉旭峰，常鴻雯，薛洪科，等.射流預冷裝置溫降與流阻特性試驗研究[J].航空發動機，2018，44（2）：81-86.

[3]李艷軍，常鴻雯，薛洪科，等.射流預冷降溫性能評估及敏感性分析[J].航空發動機，2017，43（1）：85-90.