高可靠性整流罩空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案研究*

劉雪飛 ，劉 紅 ，蒯 亮 ，蘇師師 ，王 帥 ，閔曉霜

(1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京102209；2.中軟信息系統(tǒng)工程有限公司，北京102209)

0 引言

整流罩空調(diào)系統(tǒng)任務(wù)就是要保證達到航天器、運載火箭測控系統(tǒng)等各種設(shè)備、儀器儀表在發(fā)射準備及發(fā)射時所要求的空氣參數(shù)，否則衛(wèi)星無法正常工作，使耗資巨大的衛(wèi)星只能在太空中毫無意義地空轉(zhuǎn)[1-2]。

傳統(tǒng)整流罩空調(diào)控制系統(tǒng)核心設(shè)備可編程控制器(PLC)多以Siemens[3]、Schneider[4]、Rockwell[5]、GE[6]、Mitsubishi[7-8]、Omron[9]等國外品牌占領(lǐng)，直接結(jié)果就是核心技術(shù)無法實現(xiàn)自主安全，存在較大安全隱患。

控制策略方面，現(xiàn)場的冗余方案是三臺西門子機組互冗余，單臺機組核心模塊未冗余，功耗高、成本高、設(shè)備故障率高、可靠性低、機組復(fù)雜。

針對上述問題，結(jié)合提高可靠性的方案核心機組被控設(shè)備冗余[10]、核心控制設(shè)備CPU 軟冗余[11-13]，本文提出一種基于國產(chǎn)PLC 的冗余整流罩空調(diào)自動控制系統(tǒng)。國產(chǎn)PLC 采用基于國產(chǎn)軟硬件平臺、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超御PLC 產(chǎn)品。 控制策略方面，機組系統(tǒng)互為冗余，單臺機組CPU、核心被控設(shè)備冗余。

1 整流罩空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

整流罩空調(diào)系統(tǒng)包含新風進風段、初中效過濾段、前級蒸發(fā)(擋水)段、前電熱段、轉(zhuǎn)輪除濕段、進風機段、后級蒸發(fā)表冷(擋水)段、后電熱調(diào)溫段、電熱式加濕段、送風機段等。

1.1 冗余機組方案設(shè)計

目前現(xiàn)場為了提高整流罩機組系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用3 套機組系統(tǒng)互冗余。 3 套機組冗余控制方案如圖1 所示。

圖1 3 套機組冗余控制方案

3 套機組的工作程序：機組1 和機組同時3 啟動，機組1 將進風控制到用戶設(shè)定狀態(tài)，通過風閥A1、G1 傳輸給整流罩。 機組3 將進風調(diào)整到用戶設(shè)定狀態(tài)，通過風閥C2、G2 傳輸給整流罩。 假設(shè)機組1 出現(xiàn)故障，A1閥關(guān)閉，C1 閥打開，C2 閥關(guān)閉，啟動機組2。 此時，機組3 處理后的風經(jīng)C1 和G1 傳輸給整流罩，機組2 將處理后的風經(jīng)A2 閥、G2 閥傳輸給整流罩。

3 套機組冗余方案需要電子設(shè)備、 被控設(shè)備數(shù)量比較多。設(shè)備元件數(shù)量的增加會增加故障率，降低可靠性，增加費用投資。同時，設(shè)備運行數(shù)量越大耗電越大，這與節(jié)能設(shè)備指導(dǎo)方向相違背。

從節(jié)能性、可靠性、經(jīng)濟性方向研究，提出雙備份機組冗余控制方案，如圖2 所示。

機組開機運行后，機組1 先啟動，新風和回風經(jīng)過A1 閥進組機組1 控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)設(shè)定狀態(tài)的風進過C1、E1、G1 進入整流罩。 機組1 實時通過超御PLC 站間通信功能，將機組1 整定后的參數(shù)傳遞給機組2。機組2一直處于待機狀態(tài)，所有被控設(shè)備未運行，如果機組1發(fā)生故障，機組2 按照機組1 運行時的參數(shù)運行，機組2 以最快的速度把新風處理到用戶設(shè)定送風狀態(tài)。

圖2 雙備份機組冗余控制方案

雙備份冗余控制方案合理利用國產(chǎn)超御PLC 站間的通信的功能，把控制系統(tǒng)的功耗降低50%，并且大大減少了被控設(shè)備的數(shù)量，降低了故障率，提高了可靠性。

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由文獻[14]可知，電壓的穩(wěn)定性是整流罩空調(diào)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵因素之一。本文在硬件設(shè)計方面著重介紹電源的可靠性設(shè)計。

1.2.1 220 V 供電設(shè)計

為了保證PLC 的正常工作，抑制線路干擾，對于交流AC220 V 供電的PLC，在電源輸入回路采取穩(wěn)壓措施。PLC 輸入電源要與設(shè)備動力電源、交流控制回路電源、交流輸出電源分離配線，并具有獨立的保護回路。 為了提高電源供電的可靠性，增設(shè)雙電源配電柜。 雙電源切換裝置WATSGD500-4S 原理如圖3 所示。

1.2.2 24 V 供電設(shè)計

圖3 雙電源切換裝置原理圖

對于直流DC24 V 供電的PLC，采用穩(wěn)壓電源供電。PLC 輸入電源要與設(shè)備直流動力電源、直流控制回路電源、直流輸出電源分離配線，并具有獨立的保護回路，在系繞組成較復(fù)雜時，應(yīng)使用獨立的穩(wěn)壓電源單獨對PLC供電。 本系統(tǒng)采用雙備份穩(wěn)態(tài)電源供電，提高PLC 核心組件的供電可靠性。 24 V 供電原理圖如圖4 所示。

1.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 控制系統(tǒng)組態(tài)

整流罩空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)實際的參數(shù)量，依據(jù)被控設(shè)備的功能，分為核心設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)備，其中，核心設(shè)備主要包括電加熱加濕器、進風機、送風機、前后級壓縮機、轉(zhuǎn)輪除濕機、冷卻風機、冷卻水泵。 基礎(chǔ)設(shè)備為風閥執(zhí)行器、前后級電加熱、再生電加熱[15]。

控制柜CPU、PLC 卡件進行冗余，接入I/O 單元耦合模塊；通過I/O 單元末端模塊接入控制臺I/O 單元耦合模塊；I/O 單元末端模塊接入控制柜CPU單元，完成環(huán)網(wǎng)連接。PLC 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)中，核心設(shè)備PLC 組態(tài)如圖5 所示，基礎(chǔ)設(shè)備PLC 組態(tài)圖如圖6 所示。

(1)NX2000，即冗余型CPU 模塊，實現(xiàn)EtherCAT 主站功能，輪詢EtherCAT 從站數(shù)據(jù)，管理從站信息； 與SC-ProSys、SC-ProView通過以太網(wǎng)完成配置的下裝及診斷上報[16]。

(2)NE1002 通過雙以太網(wǎng)電纜與兩個冗余CPU 模塊進行連接，將控制信號經(jīng)由背板傳輸給后端I/O 及通信網(wǎng)關(guān)等模塊。

(3)NT1000，即32 路數(shù)字量數(shù)據(jù)采集模塊，現(xiàn)場32通道數(shù)字量信號通過現(xiàn)場接線端子進入模塊，通過光耦與現(xiàn)場隔離。

(4)NT2000 控制器通過背板總線將輸出過程數(shù)據(jù)通過EtherCAT 總線寫入NT2000，該數(shù)據(jù)控制MOSFET 電子開關(guān)輸出閉合或斷開指令。

(5)NT3009 模塊主要由兩部分組成：模擬量采集電路和數(shù)據(jù)處理電路。

圖4 24 V 供電原理圖

圖5 核心設(shè)備PLC 組態(tài)

圖6 基礎(chǔ)設(shè)備PLC 組態(tài)圖

(6)NT4009 模擬量輸出模塊NT4009 實現(xiàn)16 路4～20 mA 電流信號輸出，并具有限流保護電路。

(7)NE6410 實現(xiàn)EtherCAT 總線協(xié)議和Modbus-RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有RS485 Modbus-RTU 總線接口。

(8)NE2002 支持EtherCAT 協(xié)議，實現(xiàn)EBUS 信號和100BASE-TX 以太網(wǎng)信號的轉(zhuǎn)換，無需執(zhí)行參數(shù)化或組態(tài)任務(wù)，支持冗余。

(9)NE2012 雙線光末端模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)的雙光纖口擴展和雙鏈路環(huán)網(wǎng)冗余功能，并將EtherCAT 電纜的電氣隔離長度增加至20 km。

(10)NE1012 通過兩路多模光纖分別與兩個冗余型CPU 進行連接，實現(xiàn)從站擴展。

1.3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)熱備雙網(wǎng)

超御N 系列PLC 支持遠程光纖通信，具有專有Ether-CAT 光纖耦合器模塊，保證在遠距離的條件下保持通信，實現(xiàn)遠程控制功能。 無需額外的光纖交換機，避免因交換機故障出現(xiàn)的控制問題。

本文空調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，提出高可靠性熱備雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，可以保證在任何一網(wǎng)絡(luò)失效情況下，不影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備通信。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 控制方案

整流罩空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯應(yīng)用具有全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化、跨平臺的PLC 編程工具SC-ProSys。

2.1 冬季工況

開機控制方案流程圖如圖8 所示。

先關(guān)閉機組旁風閥，打開進風閥、送風閥和旁通閥。然后打開進風機、送風機。 前后級電加熱根據(jù)出風設(shè)定溫度進行PID 微調(diào)，滿足出風溫度要求。 等系統(tǒng)運行半小時左右趨于穩(wěn)定時，旁風閥打開，旁通閥關(guān)閉?？照{(diào)系統(tǒng)正式投入保障任務(wù)。 機組根據(jù)送風濕度給一個4～20 mA信號到加濕器，調(diào)節(jié)出風濕度。

關(guān)機時，先停止電加熱和加濕器運行，延時5 min 后關(guān)閉送風機，最后再關(guān)閉機組上所有風閥。 冬季工況關(guān)機流程如圖9 所示。

2.2 夏季工況

夏季工況流程如圖10 所示。

先關(guān)閉機組旁風閥，打開進風閥、送風閥和旁通閥，然后打開前后級送風機。 PLC 控制器基于PID 整定前級壓縮機投入比，控制前級蒸發(fā)后實際溫度到露點溫度。PLC 根據(jù)要求含濕量與實際含濕量，基于PID 計算轉(zhuǎn)輪的投入比、再生電加熱投入比。

圖8 冬季工況控制方案

圖9 冬季工況關(guān)機流程圖

圖10 夏季季工況控制方案

后級壓縮機投入比按照后級蒸發(fā)后要求溫度進行PID 調(diào)節(jié)，滿足蒸發(fā)后溫度=出風設(shè)定溫度-3 ℃。后級電加熱根據(jù)出風設(shè)定溫度進行PID 微調(diào)，滿足出風溫度要求。

等系統(tǒng)運行半小時左右趨于穩(wěn)定時，旁風閥打開，旁通閥關(guān)閉。 空調(diào)系統(tǒng)正式投入保障任務(wù)。

關(guān)機時，先停止所有壓縮機和電加熱運行，延時5 min后關(guān)閉送風機，最后再關(guān)閉機組上所有風閥。 夏季工況關(guān)機流程如圖11 所示。

圖11 夏季工況關(guān)機流程圖

3 試驗結(jié)果

機組設(shè)計完成后應(yīng)用在某發(fā)射試驗基地，待機組運行穩(wěn)定后，應(yīng)用超御PLC 上位機軟件Proview 進行數(shù)據(jù)據(jù)監(jiān)控。

如圖12 所示，控制點1 是開機啟動點，經(jīng)過20 min后機組1 穩(wěn)定，到達點2，機組達到穩(wěn)定狀態(tài)。 此時，送風濕度曲線在用戶設(shè)定送風濕度值35%上下浮動，在誤差5%RH 范圍內(nèi)。 送風溫度實時監(jiān)測值在設(shè)定值10 ℃恒定，誤差為±0.3 ℃。

圖12 冗余系統(tǒng)開機啟動曲線

依據(jù)用戶的要求保障任務(wù)參數(shù)實時調(diào)節(jié)到控制點3的狀態(tài)?？刂泣c3 到4 階段是送風溫度設(shè)定值17℃更改為10 ℃的實時監(jiān)控曲線。 等到機組1 運行穩(wěn)定后，進入控制點4 階段。 假設(shè)運行到控制點4，機組1 出現(xiàn)不可修復(fù)故障，機組程序自動開啟旁通閥C2，關(guān)閉旁風閥B2，機組2 進入控制點5 狀態(tài)，送風濕度還在浮動。 經(jīng)過2 min后機組2 進入保障任務(wù)狀態(tài)控制點6，將整定后的送風傳輸給整流罩。 用戶可以根據(jù)實際情況關(guān)閉機組1。 冗余系統(tǒng)整流罩空調(diào)機組切換曲線如圖13 所示。

由圖12 和圖13 試驗可知，機組1 可以在20 min 內(nèi)將混合風調(diào)節(jié)到用戶指定送風狀態(tài)，誤差很小，濕度在5%RH 以內(nèi)，溫度在0.3 ℃內(nèi)。 在機組1 出現(xiàn)不可修復(fù)故障后，機組2 可以接收機組1 的參數(shù)，對混合風進行調(diào)劑，可在10 min 內(nèi)達到用戶指定送風狀態(tài)。 風量在切換時由機組1 的3 100 m3/h 浮動，切換為機組2 時，風量在3 200 m3/h 浮動，不影響正常保障任務(wù)。

圖13 冗余系統(tǒng)機組切換曲線

4 結(jié)論

本文對國產(chǎn)超御PLC、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了一種基于國產(chǎn)PLC 的冗余整流罩空調(diào)自動控制系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)核心電源設(shè)備冗余、核心被控設(shè)備冗余、核心PLC 組件冗余、通信網(wǎng)絡(luò)冗余、機組雙備份冗余，采用中電六所全國產(chǎn)化自主可信N 系列大型PLC 產(chǎn)品，具有高可靠性、高穩(wěn)定性、低功耗等特點，對從事工業(yè)自動化、空調(diào)技術(shù)研究和工作的人員有一定的參考價值。