基于PLC和NI數據采集卡的迅速減壓控制系統

陳 巍,謝武俊,閔立武,李 翔,田紫鋒

(1.航宇救生裝備有限公司,湖北 襄陽 430000;2.貴州大學 機械工程學院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

低壓艙迅速減壓艙主要用于模擬高空飛行時座艙失壓導致的壓力快速變化和模擬飛機乘員高空出艙時面臨的瞬時自增壓座艙至稀薄大氣環境狀態和出艙后下落至地面過程中的稀薄大氣至濃密大氣環境狀態[1-3]。低壓艙迅速減壓系統的設備包括真空系統、管道閥門、低壓艙、負壓艙、物理參數采集裝置和快速減壓機構等,主要用于低壓艙的迅速減壓試驗。真空系統為了滿足低壓艙的極端真空度和高度變化率的要求,并確保更好的效率和經濟性,使用真空系統來獲得測試所需的真空度。真空系統由負壓艙和真空泵單元組成,分別滿足迅速減壓時間和壓力的要求。

針對低壓艙迅速減壓艙的功能要求,對低壓艙迅速減壓系統的自動控制部分進行相應設計。其中:在試驗艙內的高度上升速率精確控制是自動控制系統的難點、重點。真空系統管路控制試驗艙模擬當地海拔至30000米高空壓力環境,高度變化速度的控制采用管路中設置調節閥及真空泵變頻控制的方式實現高度變化速率。圖1為低壓艙和負壓艙實物圖。

圖1 低壓艙和負壓艙

1 控制系統硬件設計

艙內設備組成控制系統結構如圖2所示,低壓艙迅速減壓系統的核心控制器為西門子公司CPU為S7-1500和S7-1200 PLC,其運行穩定,能在極其惡劣的環境中正常工作,屬于自動化裝備的頂尖設備;上位機軟件采用的是LabView,是NI公司集生產自動化、測試和過程自動化于一體,實現了相互之間的整合,并大量應用于各種輕、重工業領域;采用DSC模塊將PLC的控制點位數據通過OPC協議傳輸到OPC Client,在利用LabView調用PLC儲存與OPC Client中的控制點位,相應時間小于0.5 s,實現PLC與LabView之間的數據通信,從而達到兩個客戶端之間的數據互通和調用[4-6]。

圖2 設備組成控制系統結構

控制設備采用SIMATIC S7-1500 PLC為核心,S7-1200 PLC為輔的集散控制系統(DCS),圖3為S7-1500和S7-1200控制器。按照“集中監測、分散控制”的原則,由操作站和控制站組成工業級控制網絡,對真空設備等進行集中監控,具備完善的過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態監控、故障檢測及報警等功能。系統按照試驗要求,完成壓力的監測與控制,從而達到試驗所需求的環境,完成試驗。控制設備的傳感器包括壓力、溫度等,控制的設備包括真空機組、電磁閥、調節閥等。操作人員可通過計算機發布控制指令,使設備按設定程序運行。

圖3 控制核心PLC設備

圖3(a)為SIMATIC S7-1500 PLC,除了1500的核心CPU外,還包含了模擬量輸入輸出模塊,數字量輸入輸出模塊,RS-485通訊模塊以及數字IO模塊等控制模塊,主要對迅速減壓系統中高精度傳感器數據監控,對真空機組、電磁閥、調節閥等主要設備進行控制,以相應的技術要求,使得迅速減壓系統自動化程度和控制精度高;圖3(b)為SIMATIC S7-1200 PLC,其主要功能主要是對快開爆破機構進行相應控制,包含快速爆破門、步進電機等設備進行自動控制。

為實現迅速減壓試驗的高精度下的數據采集,測試設備采用NI公司的C系列多功能高速模塊,傳感器信號的采集采用NI 9203高精度數采模塊,其中NI 9203共有8個模擬量采集通道,其采樣率高達200 ks/s,分辨率為16位,為電流型模擬量采集卡。壓力變送器的信號經板卡高速采集后送入工控機中保存和顯示。

低壓艙迅速減壓系統中主要使用的壓力數據采集傳感器是HELM AG-HM-22絕對壓力變送器,低壓艙和負壓艙使用HM-22絕對壓力變送器進行實時壓力檢測,高精度壓力傳感器可以更好地分析爆炸試驗中的迅速減壓時間和壓力變化。

2 軟件設計

2.1 PLC控制軟件設計

PLC控制軟件主要根據設備控制參數要求,對管路上的真空泵、調節閥、電磁閥等系統進行自動控制,實現規定的試驗條件。

試驗艙內高度上升速率精確控制是真空的難點、重點。真空系統管路控制試驗艙模擬當地海拔至30000米高空壓力環境,采用管路中設置調節閥及真空泵變頻控制的方式實現對高度變化速率的控制。試驗艙高度控制試驗流程如圖4所示。

圖4 試驗艙高度控制流程

為保證上升速率控制精度,真空機組通過變頻器可以調節抽速,在抽氣端管路設置電動調節閥,圖5是試驗艙高度變化速度控制原理圖。

圖5 高度變化速度控制原理圖

電動調節閥流通能力按滿足最大上升速率的要求進行選擇,根據調節閥的調節范圍、基本誤差、回差、死區、始終點偏差、線性特性等參數進行調控。該調控方式在其他類似項目已應用多年,技術成熟、穩定。

迅速減壓的自動控制流程如圖6所示。其中圖6(a)為迅速減壓自動控制過程,圖6(b)為低壓艙和負壓罐升降壓的工作流程。

圖6 迅速減壓自動控制流程

上升速度和高度的控制原理基本相同,均是從艙內壓力變送器采集壓力信號送入PLC,在PLC中經模數轉換后得到艙內的實際壓力值,實際壓力值被轉換為對應的實際的海拔高度并計算出升降速度,海拔高度和升降速度的實際值和設定值被送入PID調節器,PID調節器運算后將運算結果用于設定真空泵的轉速和連接負壓罐的電動調節閥的開度,從而可以控制艙內的實際海拔的升降速度和高度與設定值相同。

2.2 高速采集軟件設計

減壓過程中通過NI的數據采集卡對壓力數據進行采集,采集軟件通過LabView來開發。低壓艙迅速減壓系統LabView程序后面板設計采用Producer/Consumer Design Pattern (Events)(響應事件的生產者與消費者模式)和Producer/Consumer Design Pattern (Data)(處理數據的生產者與消費者模式)以及Queued Message Handler(消息隊列處理器)框架,生產者與消費者模式能更好地響應程序中的事件與數據處理,即將要存放的數據和指令存入隊列中,如若需要會在隊列中進行數據調用,從而極大地提升了系統運行的穩定性,減少了內存占用。高速采集控制系統主要用于迅速減壓試驗過程中對產生的數據進行記錄,包含迅速減壓曲線、迅速減壓時間、面罩壓、服裝壓、對抗壓以及呼吸流量計等物理參數的實時監控和數據保存,高速采集系統還包含數據回看功能,如圖7所示。

圖7 高速采集軟件

2.3 上位機軟件設計

自動控制系統的上位機PC機采用研華IPC610工控機,軟件采用LabVIEW,低壓艙迅速減壓系統的控制分為高速采集控制系統和迅速減壓自動控制系統。壓力變送器的信號經板卡高速采集后送入工控機中保存和顯示,在高精度數采卡對所有的數據采集處理之后,上位機軟件LabView會以圖形曲線和數字的方式顯示在上位機屏幕上。在NI的Compact DAQ高速采集模塊對所有的數據采集處理之后,上位機軟件LabView會以圖形曲線和數字的方式顯示在上位機屏幕上。通過對LabView進行組態創建,OPC Client服務器進行PLC數據調用,完成了低壓艙迅速減壓自動控制系統和高速采集控制系統[7]。自動控制系統用于完成對低壓艙迅速減壓試驗的過程控制,包含手動與自動控制模式、自動參數設置、緊急事故報警與急停、高精度壓力傳感器數據實時監控等主要功能,如圖8和圖9所示

圖8 控制界面菜單結構圖

圖9 控制系統界面

3 迅速減壓試驗

低壓迅速減壓艙主要用于模擬高空飛行時座艙失壓導致的壓力變化,以及模擬飛行員出艙時面臨的瞬時環境狀態變化。整個迅速減壓過程在300 ms以內,而首次到達減壓目標高度的時間最快達到50 ms以內。

為滿足實際需求,采用HELM AG-HM-22絕對壓力變送器對低壓艙和負壓艙的壓力進行實時監測,該高精度壓力傳感器可以更好地采集迅速減壓試驗中的壓力變化。并利用NI-9203高精度采集板卡將數據采集處理后送入工控機中保存和顯示,最終在上位機軟件LabView中以圖形曲線和數字的方式顯示出來。

設定壓力氣缸壓力為0.8 MPa的情況下進行了迅速減壓試驗。圖10所示為喉道管徑為800 mm的迅速減壓試驗結果。

圖10 喉道管徑為800 mm迅速減壓結果

根據實驗結果顯示,在該控制系統下,迅速減壓時間在100～200 ms之間。滿足迅速減壓要求,同時可看出,當快要到達目標壓力時,艙內會出現振蕩現象。隨著壓力的逐漸穩定,振蕩波也逐漸恢復。當管徑和兩艙之間的壓差不變時,由于初始壓力的變化,產生了不同的振幅。當初始壓力為65～5 kPa時,振幅對艙內的影響最大。可見,該系統收集的迅速減壓過程中產生的壓力變化可為分析壓力振蕩對低壓艙所產生的影響提供準確數據支撐。

4 結論

所開發的低壓艙迅速減壓系統的自動控制系統能實現低壓艙迅速減壓系統的低壓艙和負壓艙等主要設備的控制,根據技術方案,確定以西門子S7-1500PLC和S7-1200為控制系統的核心控制器,并對迅速減壓電氣系統進行設計和布局,完成對快速爆破門、電磁閥、調節閥、球閥等主要設備進行自動控制;結合LabView完成對迅速減壓系統的上位機進行研究開發,完成了迅速減壓自動控制系統和物理參數測試系統,為迅速減壓試驗的開展和數據獲取提供了強有力的平臺。