風洞油源控制系統(tǒng)的設計

賈召會，鄭 磊，郁文山，金志偉，宋 元

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

風洞是航空航天領(lǐng)域極為重要的地面試驗設施，油源系統(tǒng)是風洞的動力系統(tǒng)，為風洞所有閥門和執(zhí)行機構(gòu)提供液壓動力，用于實現(xiàn)試驗模型各種高難度狀態(tài)的自動驅(qū)動和控制，是十分重要的組成部分。文中風洞是國內(nèi)主力生產(chǎn)型風洞，控制系統(tǒng)已非常老舊，故障頻發(fā)，另外隨著國內(nèi)各新型裝備吹風試驗對風洞的運行性能及功能要求進一步提高，原控制系統(tǒng)已不能很好地滿足試驗需求。尤其是油源控制系統(tǒng)，長期處于高油高蝕的環(huán)境，各種部件和機構(gòu)更易老化，而且各種元件、機構(gòu)和油液大都封閉在殼體和管道內(nèi)，出現(xiàn)故障時，故障尋找和排除工作都十分耗時和艱難。因此對風洞油源控制系統(tǒng)的重新設計尤為重要，以徹底解決油源控制系統(tǒng)的老化、功能缺陷和器件停產(chǎn)問題。

可編程控制器(PLC)專為工業(yè)環(huán)境應用而設計，能可靠穩(wěn)定的完成極其復雜的控制任務，應用越來越廣泛[1]。PLC發(fā)展多年，已經(jīng)形成了完整的工業(yè)產(chǎn)品系列，從功能及技術(shù)指標等各個方面，都達到了成熟的軟硬件水平。本文以風洞運行安全可靠為前提，基于GE PLC控制，成功研制風洞油源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)油源啟?？刂?、壓力無極調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測等功能，安全可靠、配置靈活、可擴展能力強。

1 油源控制系統(tǒng)原理

油源控制系統(tǒng)包括油源控制系統(tǒng)硬件部分、油源控制系統(tǒng)PLC軟件和油源控制系統(tǒng)上位機軟件三大部分，其中油源控制系統(tǒng)硬件包括測控間主站、測控間從站1、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱等。整個油源控制系統(tǒng)基于PLC控制，采用主從式可編程邏輯控制器網(wǎng)絡，測控間主站作為整個系統(tǒng)的主站，測控間從站、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均作為從站，主站具有CPU模塊，從站提供與風洞現(xiàn)場設備的接口和主站的通迅，各從站之間相互獨立。測控間部署有PLC主站和從站1，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱作為5個從站布置在風洞現(xiàn)場。油源控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 風洞油源控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖1所示，1#～4#油源控制柜的功能模塊包括電機啟?？刂?、壓力控制、狀態(tài)監(jiān)測和安全連鎖等，氣密封控制箱的功能模塊包括密封控制、壓力監(jiān)測和故障報警等，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均通過Profinet總線與測控間的PLC主站通信[2-3]，實現(xiàn)對整個油源狀態(tài)的監(jiān)測以及對執(zhí)行機構(gòu)的遠程控制；PLC主站通過Genius總線模塊與風洞測控系統(tǒng)中的其他系統(tǒng)通信；PLC主站通過EGD總線模塊與試驗運行管理計算機通信，完成油源啟?？刂?、壓力調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測等功能。油源控制系統(tǒng)是軟件與硬件相結(jié)合的綜合體，綜合部署在測控間和風洞現(xiàn)場，實現(xiàn)對風洞油源系統(tǒng)、氣密封系統(tǒng)的自動控制及各類狀態(tài)信息檢測等功能[4]。

2 油源控制系統(tǒng)硬件設計

油源控制系統(tǒng)硬件設備是整個控制系統(tǒng)的運行載體，主要包括測控間主站、1#～4#油源控制柜、氣密封控制箱和通訊網(wǎng)絡搭建等。油源分為4套(1#～4#油源)，每套油源的硬件控制系統(tǒng)分別布置在對應位置的4個機柜之中，即1#～4#油源控制柜，同理氣密封控制箱位于氣密封間，各系統(tǒng)均為獨立的子系統(tǒng)(PLC從站)。

2.1 測控間PLC主站設計

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。測控間主站和風洞現(xiàn)場的各從站之間使用PROFINET連接，通過圖形化組態(tài)的方式實現(xiàn)通訊配置，簡化了系統(tǒng)的配置及調(diào)試過程。EGD以太網(wǎng)模塊，基于UDP/IP協(xié)議，實現(xiàn)設備間簡單、高速、定周期的數(shù)據(jù)通信。GENIUS總線既是I/O總線又是通信網(wǎng)絡，非常適用于大量I/O處理和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 PLC從站設計

PLC從站主要由1#～4油源控制柜和氣密封控制箱組成，1#～4#油源控制柜作為PLC控制系統(tǒng)的從站，功能類似，主要實現(xiàn)油泵啟?？刂?、供油壓力調(diào)節(jié)、油源狀態(tài)監(jiān)測等功能；氣密封控制箱主要實現(xiàn)各部件氣密封控制、氣密封狀態(tài)監(jiān)測、壓力狀態(tài)監(jiān)測等功能。油源控制柜和氣密封控制箱硬件組成類似，主要包括Profinet總線模塊、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、背板電源模塊、開關(guān)電源、線性電源等。以1#油源控制柜為例，控制柜硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 1#油源控制柜硬件設計框圖

如圖2所示，Profinet總線模塊用以實現(xiàn)和測控間PLC主站的通訊，接受主站的指令和輸送數(shù)據(jù)。DI模塊、DO模塊、AI模塊和AO模塊提供了從站與現(xiàn)場設備的接口，屬于主站CPU與現(xiàn)場設備之間的橋梁，此外，每個油源控制柜均安裝有觸摸屏(HMI人機界面)，用戶可以進行本地控制和狀態(tài)監(jiān)測，從而實現(xiàn)了遠程/本地控制兩種控制方式。氣密封控制箱硬件設計原理與此一致，DI模塊主要接收的信號有供電狀態(tài)、門密封狀態(tài)、試驗段密封狀態(tài)和二元段密封狀態(tài)等，DO模塊輸出門密封控制指令、試驗段密封控制指令、二元段密封控制指令，以及異常故障報警等。

油源控制柜內(nèi)電氣、線路設計方案如圖3所示。

圖3 控制柜內(nèi)電氣、線路設計方案

油源控制柜中主要有6種電纜，分別為380 V交流電源線、220 V交流電源線、profinet光纖、以太網(wǎng)線、24 V開關(guān)電源線、24 V線性電源線和信號屏蔽線，1#油源控制柜與外部電纜連接包括1#配電柜、高壓低壓循環(huán)驅(qū)動電機、壓力表、人機界面、比例溢流閥等。1#～4#油源控制柜中資源配置和電氣設計類似，不做贅述。油源控制柜設計完成之后，需要對每個IO模塊的資源通道進行配置，主要包括分配地址、PLC程序中對應變量名，以及通道物理含義等，資源通道配置完畢后方可進行PLC軟件設計。

2.3 通信網(wǎng)絡搭建

油源控制系統(tǒng)具有通信設備數(shù)量多、通信方式種類多(觸摸屏采用以太網(wǎng)、Genius，PLC主站與從站采用Profinet)的特點，且油源現(xiàn)場距測控間距離較遠(線纜敷設長度最長近百米)，如采用純網(wǎng)絡電纜敷設的方式極易出現(xiàn)信號傳輸干擾的問題。且Profinet總線協(xié)議[5]與標準以太網(wǎng)總線協(xié)議兼容性較差，如將使用同一網(wǎng)絡傳輸上述兩種總線協(xié)議信息，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡阻塞及設備掉線的情況。為保證系統(tǒng)各設備間通信穩(wěn)定、可靠，油源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡架構(gòu)采用光纖環(huán)網(wǎng)(通過Profinet總線協(xié)議傳輸控制指令及油源狀態(tài)信息)+星型網(wǎng)絡(通過以太網(wǎng)協(xié)議完成觸摸屏、PLC主站CPU、試驗管理運行計算機間通信[4])相結(jié)合的方式搭建。使Profinet總線通信網(wǎng)絡與標準以太網(wǎng)總線通信網(wǎng)絡隔離，保證油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡穩(wěn)定、可靠。油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信架構(gòu)圖如圖4所示。

此次論壇的宗旨是：以引導和促進燕麥蕎麥青年工作者積極投身科技創(chuàng)新，提高自身科技水平和素養(yǎng)為目標，以“綠色產(chǎn)業(yè)與鄉(xiāng)村振興”為主題，圍繞種質(zhì)資源、遺傳育種、栽培生理、植物保護、食品加工、旅游開發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵問題開展學術(shù)交流，助推燕麥蕎麥青年科技創(chuàng)新工作又好又快地發(fā)展。

圖4 油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信架構(gòu)圖

2.4 油液溫度監(jiān)控和供電壓力控制

為實現(xiàn)溫度監(jiān)測功能，在1#～4#油源控制柜各安裝一只久貿(mào)電流輸出型(4 mA～20 mA)902120/10-402型溫度變送器完成溫度采集。溫度變送器使用油源控制柜內(nèi)配置的24 V線性電源供電，輸出信號通過屏蔽電纜接至控制柜內(nèi)AI模塊接線端。系統(tǒng)內(nèi)其余壓力、液位傳感器采用同樣方式接入系統(tǒng)中。油源系統(tǒng)溫度監(jiān)測同時具備本地和遠程監(jiān)測功能，故溫度傳感器信號由AI模塊采集并數(shù)字化，然后采用在油箱顯示面板去安裝雙指針型圓盤形溫度表實現(xiàn)溫度本地顯示功能，采用油源系統(tǒng)控制柜內(nèi)的觸摸屏軟件及測控間實驗運行管理及上位機軟件實現(xiàn)溫度遠程監(jiān)控功能。

油源系統(tǒng)調(diào)壓采用電控比例溢流閥完成，按輸入電信號連續(xù)、按比例控制液壓系統(tǒng)液流量，以避免存在“升壓/卸荷”過程沖擊較大的缺點，保證油源“升壓/卸荷”的無級精確調(diào)節(jié)。設計選用力士樂DBEME20-7X/315XYG24K31A1M型電控比例溢流閥作為調(diào)壓核心部件。

2.5 系統(tǒng)供電

油源控制系統(tǒng)外部供電電源包括：測控間電源屏(220 VAC)及油源現(xiàn)場配電柜電源(380 VAC)，其中測控間電源屏提供的電源為220 VAC不間斷電源。為避免油源控制系統(tǒng)各控制柜(箱)中PLC設備意外掉電，采用測控間電源屏提供的220 VAC不間斷電源為PLC主站及各從站供電。各控制柜中其他設備采用風洞現(xiàn)場配電柜供電，油源風洞現(xiàn)場配電柜僅提供380 VAC電源，控制柜中控制電源由380 VAC轉(zhuǎn)220 VAC隔離變壓器(施耐德ABL6TS25U)進行電壓轉(zhuǎn)換后提供。圖5所示為系統(tǒng)供電方案原理框圖。

3 油源控制系統(tǒng)軟件設計

油源控制系統(tǒng)軟件包括基于LabView的上位機軟件、PLC軟件及HMI軟件。主要功能為結(jié)合PLC等相關(guān)硬件設備，實現(xiàn)對油源機泵組的啟?？刂?、壓力調(diào)節(jié)控制、油液冷卻控制，同時完成對液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等信號進行監(jiān)測，相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表曲線顯示等功能。具體軟件功能如下：

1)本地/遠程切換、電機狀態(tài)、油液液位、油液溫度、油液壓力、過濾器阻塞發(fā)訊器等狀態(tài)監(jiān)測；

2)根據(jù)本地/遠程開關(guān)實現(xiàn)油源系統(tǒng)控制的本地與遠程切換功能，方便系統(tǒng)的調(diào)試與維護；

3)實時監(jiān)測軟啟動器的輸出狀態(tài)、油泵泵狀態(tài)，當出現(xiàn)異常時，發(fā)出報警信息和信號通知相關(guān)人員處理故障，并采取相應的操作；

4)實時監(jiān)測油源系統(tǒng)的溫度和液位，當出現(xiàn)溫度過高時啟動循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可對油源的溫度進行冷卻處理，當出現(xiàn)液位過低時發(fā)送報警信號，出現(xiàn)非常低時可停泵關(guān)閥，保證系統(tǒng)的安全；

5)實時監(jiān)測油源的壓力和過濾器狀態(tài)，當油源壓力超出設定的正常值時，發(fā)出報警信號通知相關(guān)人員及時處理故障，當出現(xiàn)過濾器阻塞狀態(tài)時，發(fā)出報警信號并通知相關(guān)人員應及時更換新的過濾器；

6)油源系統(tǒng)主要控制的對象有比例溢流閥、報警燈、氣閥、輸出至連鎖系統(tǒng)的本系統(tǒng)工作狀態(tài)信號；

7)根據(jù)系統(tǒng)啟動和關(guān)閉信號實現(xiàn)油泵的啟動和停止動作；

8)根據(jù)設定的油源工作壓力值來調(diào)節(jié)比例溢流閥以達到預定的油壓值；

9)根據(jù)相應的報警狀態(tài)啟動報警燈通知操作員系統(tǒng)產(chǎn)生了故障；

10)根據(jù)每個油源子系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生相應的輸出至報警系統(tǒng)。

3.1 PLC軟件

系統(tǒng)PLC軟件包括PLC主站控制程序、1#～4#油源PLC控制軟件和密封系統(tǒng)PLC控制軟件。設計者采用并行化、模塊化的軟件開發(fā)思路完成PLC軟件開發(fā)，以保證PLC軟件高效穩(wěn)定運行[6]。下面以1#油源為例簡述PLC控制軟件的設計思路。

1#油源控制對象包括：1#電機、2#電機、3#電機、溫控泵、電磁水閥、比例溢流閥等。1#油源監(jiān)測對象包括：1#油泵油壓、2#油泵油壓、3#油泵油壓、油液液位、油液溫度等。結(jié)合風洞運行模式綜合考慮，有操作臺遠程、上位機軟件遠程和觸摸屏軟件本地控制3種控制方式，每種控制方式下又對應多種運行模式，比如，1#油源啟動(停止)可分為：單臺電機啟動、升壓、停止單獨控制和單臺電機或2臺電機(1#和2#、1#和3#)1鍵啟動并升壓(降壓并停止)兩種方式。最終1#油源運行、控制模式多達38種，每種模式對應一套控制工藝流程。下面以1#油源1#電機啟動控制為例，對相應的控制工藝流程進行描述。篇幅有限，其部分PLC控制軟件不再進行贅述。

1#油源1#電機單獨啟動操作方式為：1#油源控制柜切換至遠程模式，點擊觸摸屏軟件中的啟動1#電機按鈕。因循環(huán)泵及電磁水閥控制較為簡單，無需單獨配置控制工藝流程，故將其與1#電機啟動控制工藝流程合并，1#油源2#電機、1#油源3#電機單獨啟動控制工藝流程與1#油源1#電機相同。其他如1鍵啟動并升壓等，不做贅述。

圖5 油源控制系統(tǒng)供電方案原理框圖

圖6 1#油源1#電機啟動控制工藝流程

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用LabView2015軟件平臺開發(fā)，通過LabView軟件附帶的DSC軟件模塊建立OPC服務器并綁定PLC中的監(jiān)測點，實現(xiàn)上下位機通訊。上位機功能主要包含操作與顯示畫面、參數(shù)設置與存儲、參數(shù)狀態(tài)顯現(xiàn)，歷史數(shù)據(jù)記錄，實時報警功能等內(nèi)容。

1)系統(tǒng)權(quán)限管理：設置賬戶和密碼，分別實現(xiàn)控制參數(shù)修改的的操作管理權(quán)限。

2)操作與顯示畫面：以現(xiàn)場油源使用方式為模版，設計等效的結(jié)構(gòu)布局和動作運行過程顯示畫面，參數(shù)狀態(tài)、數(shù)值和動作過程與畫面相應機構(gòu)信號關(guān)聯(lián)，直觀形象的顯示現(xiàn)場的關(guān)注對象和運行過程。根據(jù)每種對象的動作控制在畫面上設置相應的操作按鈕，之間關(guān)聯(lián)下位機PLC程序中的動作控制。

3)參數(shù)設置與存儲：包含油源控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行指令、輔助參數(shù)等的設置功能，可實現(xiàn)參數(shù)在本地上位機和下位PLC內(nèi)部的雙重存儲；

4)歷史數(shù)據(jù)記錄：油源控制系統(tǒng)的控制指令參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)、控制輔助參數(shù)、運行畫面參數(shù)等記錄到歷史數(shù)據(jù)庫；

5)實時報警功能：實時顯示油源控制系統(tǒng)下位PLC發(fā)送來的報警信號。

本系統(tǒng)所研制的上位機軟件操作界面圖如圖7所示(以1#油源為例)。

圖7 上位機操作界面-1#油源

4 結(jié)束語

采用GE PLC作為油源控制系統(tǒng)的控制模塊，同時采用LabView2015軟件平臺開發(fā)上位機軟件，設計了一套風洞油源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了風洞油源系統(tǒng)的機泵組啟?？刂?、油壓無級調(diào)節(jié)、油液冷卻控制、油源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、本地/遠程控制等功能。該控制系統(tǒng)已投入使用，運行可靠，安全性高、擴展性強，完全能夠滿足在風洞油源控制中的應用需求。