壓氣機(jī)試驗(yàn)器排氣節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬 玄

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

1 引言

壓氣機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)特性是衡量壓氣機(jī)設(shè)計(jì)水平的重要依據(jù)之一。在試驗(yàn)中，當(dāng)壓氣機(jī)保持某一設(shè)定轉(zhuǎn)速不變時(shí)，連續(xù)改變?cè)囼?yàn)器的進(jìn)氣與排氣的節(jié)氣門開度，可以測(cè)得換算流量、壓比和效率等氣動(dòng)性能參數(shù)，從而獲得壓氣機(jī)的試驗(yàn)特性；排氣節(jié)氣門的調(diào)節(jié)精度對(duì)于準(zhǔn)確可靠地獲得壓氣機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)特性十分重要。

本文對(duì)試驗(yàn)器的排氣節(jié)氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了全新自主設(shè)計(jì)改造，使其原本繁雜的壓氣機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)變得十分簡(jiǎn)捷，同時(shí)有效保證了試驗(yàn)設(shè)備的可用性和可靠性。

2 排氣節(jié)氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)概述

壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣與排氣的節(jié)氣門是控制壓氣機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)的關(guān)鍵部件。由于進(jìn)氣節(jié)氣門調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本文只介紹排氣節(jié)氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和改造方法。

試驗(yàn)器的排氣節(jié)氣門包括結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)涵排氣節(jié)氣門和外涵排氣節(jié)氣門，如圖1所示。排氣節(jié)氣門采用圓盤式結(jié)構(gòu)，包括靜盤和動(dòng)盤2部分，2盤各沿圓周均布12個(gè)孔，通過(guò)高壓油缸活塞桿推拉動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，靜盤和動(dòng)盤重疊后形成的形孔面積即為排氣節(jié)氣門的開口面積。在試驗(yàn)中，通過(guò)控制油缸活塞桿的伸縮長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣節(jié)氣門的開度調(diào)節(jié)。

3 機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣節(jié)氣門的可靠控制，機(jī)械液壓系統(tǒng)油源采用雙余度供油設(shè)計(jì)。油源泵采用德國(guó)原裝力士樂(lè)恒壓變量泵A10VSO10DR/52R-PPA14N00，最大使用壓力為28 MPa，排量為10 mL/s，采用4級(jí)電機(jī)，泵流量為14 L/min。在節(jié)氣門穩(wěn)定在指定位置后，在保持工作壓力的情況下，油泵能基本做到零流量輸出，減少了系統(tǒng)發(fā)熱以及多余的功率損耗。機(jī)械液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 機(jī)械液壓系統(tǒng)原理

1，36—球閥；2，21—電機(jī)（7.5、1.5 kW）；3—聯(lián)軸節(jié)；4—柱塞泵；5,34—溢流閥；6—高壓過(guò)濾器；7—單向閥；8—測(cè)壓接頭；9—測(cè)壓軟管；10—壓力表；11—壓力傳感器；12—安全閥組；13—隔膜式蓄能器；14—空氣濾清器；15—雙筒回油濾；16—加溫器；17—回油濾；18—水冷冷卻器；19—電磁水閥；20—吸油濾；22—齒輪泵；23—液位控制繼電器；24—溫度傳感器；25—液位液溫計(jì)；26—液壓站油箱；27，28，32—電磁換向閥；29—蓄能器；30—板式液控單向閥；31—電液伺服閥；33—2位3通換向閥；35—油缸

系統(tǒng)中電-液轉(zhuǎn)換部件選用BOSCH-REXROTH伺服閥。該閥100%輸入,響應(yīng)周期為10 ms。電-液伺服閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電氣控制系統(tǒng)

排氣節(jié)氣門電氣控制系統(tǒng)包括PLC控制單元和強(qiáng)電控制單元。選用SIEMENSS7-300系列可編程控制器(PLC)作為核心部件。該控制器可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),程序軟件設(shè)計(jì)靈活,具有廣泛的系統(tǒng)擴(kuò)展能力。顯示操作設(shè)備選用觸摸屏操作面板HMI，在試驗(yàn)中用于完成人機(jī)交互操作和參數(shù)監(jiān)視任務(wù)。進(jìn)行壓氣機(jī)喘振試驗(yàn)時(shí)，喘振訊號(hào)通過(guò)喘振信號(hào)傳感器及旋轉(zhuǎn)失速變換器提取，然后將訊號(hào)發(fā)送到PLC，觸發(fā)控制器進(jìn)行退喘控制。電氣控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

4.2 電磁兼容設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)電纜布局可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容。采用隔離變壓器和抗干擾濾波器，并正確接地，以此抑制外來(lái)電磁信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的干擾和系統(tǒng)自身對(duì)外界的電磁干擾。控制系統(tǒng)原理接線如圖5所示。

4.3 排氣節(jié)氣門的開度給定模式

（1）通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器控制節(jié)氣門開度，給定分辨率不大于0.5%，選用進(jìn)口精密多圈電位器。

（2）通過(guò)按鍵點(diǎn)動(dòng)“增大”或“減小”來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，給定分辨率等于0.1%，由按鍵時(shí)間選擇慢速或快速輸入。

（3）在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速小于±30 r/min時(shí)，系統(tǒng)隨時(shí)間自動(dòng)給定輸入，給定速率可由程序更改，步長(zhǎng)精度為0.1%。

（4）當(dāng)PLC接收到壓氣機(jī)喘振訊號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)按節(jié)氣門實(shí)際位置的預(yù)置比例(0～100%)控制節(jié)氣門開度。系統(tǒng)復(fù)位后，節(jié)氣門保持退喘后位置不變；如果此時(shí)壓氣機(jī)仍發(fā)生喘振，則控制器以該節(jié)氣門位置為起點(diǎn)按預(yù)置比例重復(fù)計(jì)算新的節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)量，直至壓氣機(jī)退出喘振狀態(tài)為止。

（5）在緊急狀態(tài)下，通過(guò)點(diǎn)按“緊急退喘按鈕”來(lái)實(shí)現(xiàn)排氣節(jié)氣門高速全部打開功能。

4.4 控制系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)各給定模式的轉(zhuǎn)換為無(wú)縫連接，電位器按鍵點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)給定模式相互切換時(shí)不會(huì)引起節(jié)氣門位置的波動(dòng)。在壓氣機(jī)喘振狀態(tài)解除后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到給定模式的選擇狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)對(duì)液壓站的雙冗余油源泵的運(yùn)行實(shí)行聯(lián)鎖控制，防止2臺(tái)泵組同時(shí)工作。

（3）系統(tǒng)對(duì)液壓站內(nèi)液壓油工作溫度實(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使液壓油介質(zhì)處于最佳工作狀態(tài)。根據(jù)使用溫度設(shè)定值控制油箱加溫器或冷卻器工作。

（4）在系統(tǒng)顯示屏上，可實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)供油壓力、油液溫度、油箱液位、伺服閥和濾油器的工作情況。

（5）在試驗(yàn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)HMI設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)時(shí)間、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、內(nèi)涵和外涵節(jié)氣門位置給定與反饋等重要參數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并以O(shè)ffice Excel文件格式存儲(chǔ)在USB移動(dòng)盤中，便于數(shù)據(jù)后期處理；另外，通過(guò)HMI設(shè)備上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口，可以完成全臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備的分布式網(wǎng)絡(luò)化試驗(yàn)平臺(tái)的綜合管理。

4.5 排氣節(jié)氣門的閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門開度位置控制，如圖6所示。系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望達(dá)到的高壓油缸活塞桿伸縮位置(用于實(shí)現(xiàn)排氣節(jié)氣門動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至指定位置)。閉環(huán)控制器的反饋值通過(guò)線位移傳感器LVDT測(cè)量，并經(jīng)過(guò)PLC中的A/D模塊變換為數(shù)字量。目標(biāo)設(shè)定值與反饋信號(hào)比較后，其偏差值被送入PID控制器，經(jīng)運(yùn)算后得到1個(gè)疊加的數(shù)字量。該數(shù)字量經(jīng)過(guò)輸出限幅處理后進(jìn)行D/A變換，輸出1個(gè)電壓信號(hào)至電液伺服閥的功率放大器，以驅(qū)動(dòng)伺服閥的力矩馬達(dá)鐵心移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)閥芯左右運(yùn)動(dòng)，控制高壓液壓油路接通液壓油缸的有桿腔和無(wú)桿腔，并調(diào)節(jié)油缸活塞桿的伸縮長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)排氣節(jié)氣門的動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)排氣節(jié)氣門開口面積大小的控制。

5 PLC控制程序

PLC控制程序使用S7-300專用編程軟件STEP7 V5.4設(shè)計(jì)，并采用語(yǔ)句表語(yǔ)言編程，以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯控制功能和PID調(diào)節(jié)運(yùn)算。

排氣節(jié)氣門控制系統(tǒng)軟件主要包括11個(gè)流程控制部分，軟件組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5.1 主循環(huán)組織塊OB1程序

OB1程序用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。主程序完成各種數(shù)據(jù)的采集和對(duì)系統(tǒng)的邏輯控制以及向觸摸屏提供所采集和處理的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行觸摸屏發(fā)出的各種指令。主循環(huán)組織塊OB1程序流程如圖8所示。

5.2 循環(huán)中斷組織塊OB35程序

循環(huán)中斷組織塊OB35程序用于按一定的時(shí)間間隔循環(huán)執(zhí)行中斷程序，周期性地執(zhí)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算程序。循環(huán)中斷組織塊OB35程序流程如圖9所示。

在編程軟件STEP7中，含有所需的系統(tǒng)功能塊SFB41“CONT-C”(連續(xù)控制器)PID控制軟件包，通過(guò)其專門負(fù)責(zé)的控制過(guò)程PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，可以很方便地實(shí)現(xiàn)模擬量的PID控制。根據(jù)排氣節(jié)氣門的實(shí)際使用情況，對(duì)系統(tǒng)功能塊SFB41進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，構(gòu)成排氣節(jié)氣門控制系統(tǒng)PID閉環(huán)控制器，其功能如圖10所示。

5.3 硬件中斷組織塊OB40程序

硬件中斷組織塊OB40程序用于快速響應(yīng)輸入信號(hào)模塊的信號(hào)變化。具有中斷能力的輸入模塊將中斷信號(hào)傳送到CPU時(shí)，立即觸發(fā)硬件中斷，進(jìn)行系統(tǒng)退喘控制。

5.4 油溫監(jiān)控功能塊FB1程序

功能塊FB1程序包含2個(gè)功能，即對(duì)液壓站油箱內(nèi)油液溫度的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)油溫在工作允許范圍內(nèi)。它是系統(tǒng)控制程序的子程序，其程序流程如圖11所示。

5.5 油壓監(jiān)測(cè)功能塊FB2程序

功能塊FB2程序的主要功能是監(jiān)控液壓站供油壓力。它是系統(tǒng)控制程序的子程序，其程序流程如圖12所示。

5.6 按鍵控制定時(shí)功能塊 FC3、FC4程序

功能塊FC3、FC4是關(guān)于點(diǎn)動(dòng)輸入給定脈沖量，用以控制內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門位置的子程序。在程序中，內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門位置的點(diǎn)動(dòng)給定控制功能相互獨(dú)立，因此，在試驗(yàn)時(shí)可同時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門的位置。另外，通過(guò)該程序可消除按鍵的抖動(dòng)干擾，亦可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)按給定按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的高速設(shè)定。

6 觸摸屏顯示操作畫面設(shè)計(jì)

HMI軟件主要包括基于WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)和WinCCFlexible畫面組態(tài)軟件。觸摸屏的顯示操作畫面包括起始畫面、液壓站運(yùn)行情況監(jiān)視畫面、PID參數(shù)設(shè)置畫面、退喘量設(shè)置畫面、系統(tǒng)運(yùn)行主畫面和實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面等6個(gè)畫面。

其中，起始畫面為歡迎畫面；液壓站運(yùn)行情況監(jiān)視畫面反映液壓系統(tǒng)供油壓力值、介質(zhì)工作溫度和一些必要的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示；PID參數(shù)設(shè)置畫面用于設(shè)定內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門的PID控制器參數(shù)；退喘量設(shè)置畫面用于設(shè)置退喘時(shí)內(nèi)、外涵排氣節(jié)氣門的打開幅度；實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面主要是以不同顏色的曲線來(lái)顯示壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、內(nèi)涵和外涵排氣節(jié)氣門開度給定量與內(nèi)涵和外涵排氣節(jié)氣門開度反饋值(即實(shí)際開度)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

系統(tǒng)運(yùn)行主畫面是控制系統(tǒng)的主運(yùn)行畫面，可切換至上述各分畫面中。在系統(tǒng)運(yùn)行主畫面中，主要顯示控制系統(tǒng)的一些主要參數(shù)，以便讓操作者了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該畫面主要包括：內(nèi)涵和外涵排氣節(jié)氣門控制給定模式和給定量、內(nèi)涵和外涵排氣節(jié)氣門的實(shí)際位置反饋、電位器輸入模式時(shí)的無(wú)擾動(dòng)切換控制信息、試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速、供油壓力、設(shè)備狀態(tài)指示和一些觸摸控制按鈕等。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）排氣節(jié)氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造完成后，已進(jìn)行了多項(xiàng)高、低壓壓氣機(jī)性能試驗(yàn)，其累計(jì)工作時(shí)間超過(guò)200 h。

（2）該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，顯著降低了試驗(yàn)人員的操作難度，有效改善了試驗(yàn)狀態(tài)的調(diào)節(jié)精度和可重復(fù)性，減少了設(shè)備損耗和大量的能源消耗，使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著提高。

（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，留有系統(tǒng)升級(jí)完善空間，以滿足壓氣機(jī)技術(shù)日益發(fā)展的需要。

（4）該系統(tǒng)控制精度高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)合理，有較好的可移植性，因此，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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