大規(guī)模風(fēng)洞動(dòng)力集群智能控制系統(tǒng)研究

李彥良， 宋文瀟， 黃 凱， 曹知紅， 張 凱， 李紅衛(wèi)

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

高焓風(fēng)洞、高超音速風(fēng)洞等多種類型的風(fēng)洞需要在實(shí)驗(yàn)下游設(shè)置真空系統(tǒng)，用于抽排風(fēng)洞工作介質(zhì)，維持風(fēng)洞內(nèi)的負(fù)壓工作環(huán)境。多數(shù)風(fēng)洞真空系統(tǒng)采用大容積(可達(dá)數(shù)萬(wàn)立方米)真空容器與小流量真空泵構(gòu)成的真空系統(tǒng)，先將容器抽真空，再將工作介質(zhì)填充至容器中，這種工作體制的風(fēng)洞稱為暫沖式風(fēng)洞。某風(fēng)洞采用不同于上述系統(tǒng)的小容積真空容器(用于穩(wěn)壓)加大流量真空泵連續(xù)抽排工作介質(zhì)的新型真空系統(tǒng)構(gòu)型，其真空系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)功率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)風(fēng)洞[1-2]，達(dá)13560 kW，超過(guò)了所在地配電網(wǎng)絡(luò)允許的上限，因此選用了船用中速柴油機(jī)構(gòu)成的動(dòng)力集群作為真空泵和冷卻水泵的動(dòng)力源。在該動(dòng)力集群中，使用8臺(tái)功率為1440 kW的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)真空泵，3臺(tái)功率為680 kW的柴油機(jī)用于驅(qū)動(dòng)水泵。每臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)減速齒輪箱和離合器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)真空泵或水泵。

該動(dòng)力集群構(gòu)成復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要操作11臺(tái)柴油機(jī)、11臺(tái)齒輪箱和11臺(tái)真空泵(水泵)。而且作為原動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)操作步驟遠(yuǎn)多于電動(dòng)機(jī)。若采取傳統(tǒng)控制方式，需要較多的人員和控制終端設(shè)備，且難以融入某風(fēng)洞高度自動(dòng)化的總控制系統(tǒng)，因此需要研制一套智能控制系統(tǒng)，對(duì)真空系統(tǒng)動(dòng)力集群進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè)、故障分級(jí)處理等功能，盡量減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。

2001年，汪華松等[3]研究了基于Profibus通信協(xié)議和PLC硬件設(shè)備的風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)控制設(shè)備，應(yīng)用于8 m×6 m低速風(fēng)洞的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。2007年，卞根發(fā)[4]研究了基于STD總線的船舶主柴油機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，使船舶柴油機(jī)的監(jiān)控、運(yùn)行和管理的自動(dòng)化程度和防失誤能力得到提升。2008年，張永銘等[5]研究了柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)與EGR系統(tǒng)的集成控制的硬件和算法。2016年，韓小東[6]研究了基于CAN總線的船舶機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶機(jī)艙內(nèi)主柴油機(jī)和各類輔機(jī)運(yùn)行信息的自動(dòng)化采集、處理和故障告警。2019年，王忠福等[7]研究了鐵路機(jī)車用柴油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車柴油機(jī)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與運(yùn)維管理。2020年，杜玉雪[8]研究了基于自適應(yīng)模糊算法的柴油機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)，優(yōu)化了在負(fù)荷突然變化時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序的瞬態(tài)響應(yīng)特性。2021年，羅昌俊等[9]研究了風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)，應(yīng)用CPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞氣源、真空、冷卻水等系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)、故障診斷、維修效果評(píng)估等工作的智能化。2021年，杜洪亮等[10]研制了風(fēng)洞高壓動(dòng)力系統(tǒng)，其中應(yīng)用了Modbus/TCP技術(shù)，構(gòu)建了風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，被控對(duì)象為高壓電機(jī)。2021年，吳玨斐[11]對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)控制的智能化技術(shù)進(jìn)行了綜述。目前，對(duì)風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)控制的研究多以電機(jī)為被控對(duì)象，而在柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備控制方面的研究多針對(duì)船舶主機(jī)艙、鐵路機(jī)車或發(fā)電機(jī)組等展開，且所研究的系統(tǒng)多以監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為主要功能。對(duì)機(jī)組數(shù)量遠(yuǎn)多于船舶機(jī)艙，且需要將控制柴油機(jī)動(dòng)力集群自動(dòng)運(yùn)行、監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障分級(jí)處理等主要功能高度集成的控制系統(tǒng)的研究目前較少。

本文根據(jù)某風(fēng)洞動(dòng)力集群控制需求，研究了基于PLC設(shè)備和Profibus-DP總線的分布式動(dòng)力集群智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了僅需人工發(fā)出“起動(dòng)”和“停機(jī)”兩個(gè)指令，就能自動(dòng)完成大規(guī)模柴油機(jī)動(dòng)力集群從起動(dòng)到關(guān)車的全部操作，并將運(yùn)行狀態(tài)時(shí)實(shí)監(jiān)控和故障分級(jí)處理等功能集成在內(nèi)，最大限度地降低了操作難度，減少了人因失誤，做到了無(wú)顧慮操作。

1 控制需求分析

作為被控對(duì)象的動(dòng)力集群由11個(gè)動(dòng)力機(jī)組構(gòu)成。每個(gè)動(dòng)力機(jī)組又由1臺(tái)船用中速柴油機(jī)和1臺(tái)齒輪箱構(gòu)成。機(jī)組的主要控制量為轉(zhuǎn)速，需要根據(jù)機(jī)組工作的不同階段控制在不同的給定值附近。轉(zhuǎn)速由機(jī)組自帶的機(jī)械液壓調(diào)速器控制，需要改變轉(zhuǎn)速時(shí)，由電機(jī)作為執(zhí)行器，帶動(dòng)調(diào)速器的內(nèi)部機(jī)構(gòu)改變其轉(zhuǎn)速設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化。此外，機(jī)組內(nèi)還有其他需要控制的執(zhí)行件，所有執(zhí)行件功能匯總?cè)绫?所示，動(dòng)力集群控制系統(tǒng)的功能就是要控制表中各執(zhí)行件，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

表1 機(jī)組中執(zhí)行件匯總

① 調(diào)度各機(jī)組，按操作人員通過(guò)人機(jī)交互發(fā)來(lái)的指令和風(fēng)洞總控系統(tǒng)下發(fā)的指令完成風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

② 各機(jī)組按指令自動(dòng)完成從備車到試驗(yàn)再到停車的全部工作流程。

③ 監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)判別故障，將故障按嚴(yán)重程度分級(jí)，采取不同處理措施。

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成系統(tǒng)的11臺(tái)機(jī)組是同構(gòu)型的，具有類似的功能和工作流程，可以各自獨(dú)立控制。同時(shí)又需要一臺(tái)上位機(jī)對(duì)11個(gè)相同的機(jī)組進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?；谶@些特點(diǎn)，確定采用分布式控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)動(dòng)力集群進(jìn)行控制。

每臺(tái)機(jī)組設(shè)基于PLC的控制子站，構(gòu)成過(guò)程控制層，控制本機(jī)組由起動(dòng)到停機(jī)的全部動(dòng)作，并采集本機(jī)組轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油壓力等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制子站架構(gòu)如圖1所示。其中柴油機(jī)監(jiān)控儀為主要故障診斷設(shè)備，用于判別故障，并可直接處理致命故障。

圖1 控制子站架構(gòu)圖

圖2為控制系統(tǒng)架構(gòu)，控制總站構(gòu)成控制系統(tǒng)的管理監(jiān)控。各控制子站通過(guò)Profibus-DP總線與基于PLC的主站連接。通過(guò)DP總線，總站可以讀取各子站通過(guò)傳感器采集的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以向各子站寫入指令?？傉具€通過(guò)TCP/IP協(xié)議與作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)通信，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的圖形界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 各機(jī)組控制邏輯

各機(jī)組的控制邏輯運(yùn)行于控制子站中，實(shí)現(xiàn)機(jī)組從起動(dòng)到停止的工作流程控制、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制兩項(xiàng)主要功能和運(yùn)行數(shù)據(jù)采集等其他功能。

3.1 工作流程控制

各機(jī)組中，柴油機(jī)和齒輪箱均有固定的工作流程，相比電機(jī)工作時(shí)僅需要起動(dòng)和停止兩個(gè)動(dòng)作，柴油機(jī)動(dòng)力機(jī)組的工作流程步驟較多，且需要設(shè)置較為復(fù)雜的判據(jù)去判斷每一步驟是否完成。機(jī)組工作流程如圖3所示。

圖3 各機(jī)組工作流程

流程控制的重點(diǎn)是合理設(shè)計(jì)各步驟完成的判據(jù)，使機(jī)組在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)轉(zhuǎn)入下一工作階段。各步驟具體的流程控制策略如下。

① 子站收到主站發(fā)來(lái)的起動(dòng)信號(hào)后，首先接通預(yù)潤(rùn)滑泵對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑，而后接通起動(dòng)電磁閥，使氣動(dòng)起動(dòng)馬達(dá)工作，符合起動(dòng)成功判據(jù)后，起動(dòng)機(jī)退出工作后，預(yù)潤(rùn)滑泵關(guān)閉，轉(zhuǎn)入暖車階段。

② 進(jìn)入暖車階段后，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)值設(shè)為怠速，開始檢測(cè)冷卻水和潤(rùn)滑油溫度，水油溫度符合暖車完的判據(jù)后，開始接合負(fù)載。

③ 進(jìn)入接合負(fù)載階段，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升至接合轉(zhuǎn)速后，接通離合器工作電磁閥，液壓離合器接合，將動(dòng)力傳遞至真空泵(或水泵)，延時(shí)10 s后開始升高轉(zhuǎn)速。

④ 控制子站將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值設(shè)為工作轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制子程序按轉(zhuǎn)速控制邏輯(后文詳述)使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升至工作轉(zhuǎn)速，滿足判據(jù)后給出備妥集號(hào)。

⑤ 至此參試機(jī)組完成準(zhǔn)備，操作人員將控制總站的控制權(quán)限上交至風(fēng)洞總控系統(tǒng)?？刂瓶傉景凑湛偪叵到y(tǒng)的指令完成開始和停止抽真空、供水等動(dòng)作，完成一個(gè)吹風(fēng)車次的工作。

⑥ 風(fēng)洞總控系統(tǒng)交還控制權(quán)限，操作人員發(fā)出停機(jī)指令。子站接到總站停機(jī)指令后，將轉(zhuǎn)速給定值設(shè)為分離轉(zhuǎn)速，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

⑦ 轉(zhuǎn)速降到給定值后，控制子站切斷離合器工作電磁閥供電，分離負(fù)載。

⑧ 負(fù)載分離后，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降至怠速，接通停車電磁閥，通過(guò)切斷燃油供應(yīng)使柴油機(jī)滑行停機(jī)。

單臺(tái)機(jī)組工作流程控制的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)為各階段完成判據(jù)的設(shè)計(jì)，匯總?cè)绫?所示。

表2 機(jī)組工作階段轉(zhuǎn)換判據(jù)

3.2 轉(zhuǎn)速控制

3.2.1 轉(zhuǎn)速控制硬件

分析單臺(tái)機(jī)組的流程控制邏輯，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制是機(jī)組控制中的重要問(wèn)題，接通/分離負(fù)載、升速/降速，包括帶負(fù)載工作等過(guò)程中，都涉及到轉(zhuǎn)速的變化或在負(fù)載突變時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。

柴油機(jī)自身配有UG-10D型液壓調(diào)速器，調(diào)速器輸入軸與曲軸連接，通過(guò)離心機(jī)構(gòu)感知實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)放大，控制柴油機(jī)供油量，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值附近，而給定值則由機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)定，需要電控時(shí)，在機(jī)械機(jī)構(gòu)上連接一臺(tái)升降速電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給定值增大，反轉(zhuǎn)時(shí)減小。

控制子站對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施控制時(shí)，通過(guò)柴油機(jī)飛輪旁安裝的轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，在子站PLC中對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，生成控制信號(hào)，并通過(guò)調(diào)速器的升/降速電機(jī)執(zhí)行，轉(zhuǎn)速控制執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速控制執(zhí)行流程

3.2.2 轉(zhuǎn)速控制邏輯

液壓調(diào)速器控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)本身是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，機(jī)組控制子站通過(guò)改變這一閉環(huán)系統(tǒng)改定值而控制轉(zhuǎn)速的變化?？刂谱诱倦m能通過(guò)升降速電機(jī)調(diào)整液壓調(diào)速器給定值，但是給定值調(diào)整結(jié)果卻不能直接反饋回子站。這使得對(duì)改定值的調(diào)整結(jié)果只能通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行反饋，有較大時(shí)延，這給轉(zhuǎn)速的控制帶來(lái)了困難，很容易產(chǎn)生振蕩和發(fā)散。

為此，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制邏輯如下。

① 在PLC中對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，并與給定值對(duì)比，若二者差值小于±10 r/min，則不進(jìn)行控制。

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② 若實(shí)際轉(zhuǎn)速大于給定值10 r/min以上，則接通升/降速電機(jī)反轉(zhuǎn)，降低轉(zhuǎn)速；若實(shí)際轉(zhuǎn)速小于給定值10 r/min以上，則接通升/降速電機(jī)正轉(zhuǎn)，升高轉(zhuǎn)速。

③ 轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值±10 r/min范圍內(nèi)時(shí)，斷開升/降速電機(jī)，并延時(shí)60 s，延時(shí)期間不再檢測(cè)轉(zhuǎn)速差值，不調(diào)整轉(zhuǎn)速。

④ 延時(shí)結(jié)束后再次使轉(zhuǎn)速檢測(cè)和調(diào)整功能生效，重復(fù)步驟①～步驟③。

3.3 控制效果實(shí)驗(yàn)研究

按上述主要邏輯編制控制子站控制程序后，對(duì)其效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水泵機(jī)組出現(xiàn)了泵后供水閥門打開瞬間，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速突變，不能迅速回到額定轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，于是對(duì)轉(zhuǎn)速變化和控制系統(tǒng)介入情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 負(fù)荷突變時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及控制系統(tǒng)作用情況1

圖6 負(fù)荷突變時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及控制系統(tǒng)作用情況2

具體分析如下。

情況1：如圖5所示，開閥瞬間，水泵帶來(lái)的負(fù)荷突然增大，導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在3 s時(shí)間內(nèi)從1004 r/min突降至978 r/min，而后開始在液壓調(diào)速器和控制子站的控制下將轉(zhuǎn)速調(diào)回設(shè)定值。但是，轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定后出現(xiàn)了較大的靜態(tài)偏差，穩(wěn)定值由1004 r/min變?yōu)?018 r/min，并且一直維持在這一較高的穩(wěn)定值，未再進(jìn)行回調(diào)。

情況2：如圖6所示，開閥后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在4 s時(shí)間內(nèi)由1004 r/min降至975 r/min，而后在調(diào)速器和機(jī)組控制子站的作用下開始回升，回升產(chǎn)生了較大過(guò)沖，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1021 r/min，維持45 s后才開始回調(diào)，并最終穩(wěn)定在1005 r/min附近。

圖5和圖6中，升速或降速信號(hào)為1表示升速或降速電機(jī)工作，為0則表示不工作。

① 供水閥打開瞬間，機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生突變，由液壓調(diào)速器和柴油機(jī)組成的系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)較慢，不能適應(yīng)負(fù)荷突變，需要3～4 s才能將轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定至額定轉(zhuǎn)速。

② 在液壓調(diào)速器調(diào)整過(guò)程中，控制子站先檢測(cè)到轉(zhuǎn)速低于額定值下限1000 r/min，按照控制邏輯，接通升降速電機(jī)，向上調(diào)整液壓調(diào)速器的轉(zhuǎn)速給定值，直到轉(zhuǎn)速重新高于額定值下限(1000 r/min)時(shí)才退出。這一過(guò)程中，升速電機(jī)工作使調(diào)速器給定值產(chǎn)生了超調(diào)。情況1中升速電機(jī)工作5.7 s，轉(zhuǎn)速超調(diào)14 r/min。情況2中，機(jī)組負(fù)載突變大于情況1，因此升速電機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，為7.5 s，超調(diào)17 r/min。

③ 液壓調(diào)速器按照超調(diào)后的給定值調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定在超調(diào)的給定值附近。情況1中，負(fù)荷突變相對(duì)小，升速接通時(shí)間短，因此超調(diào)程度較情況2小。因此，在情況1中，轉(zhuǎn)速雖然超調(diào)，但是未超過(guò)控制子站控制邏輯中的轉(zhuǎn)速上限1020 r/min，因此控制子站后續(xù)一直未介入進(jìn)行轉(zhuǎn)速回調(diào)，如圖5中降速信號(hào)曲線。情況2中，轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，超過(guò)了1020 r/min，因此控制子站進(jìn)行了回調(diào)，使轉(zhuǎn)速回到1005 r/min，如圖6所示。

④ 情況2中，子站雖然對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了回調(diào)，但是延時(shí)達(dá)45 s。這是由于子站轉(zhuǎn)速控制邏輯中，每次調(diào)速轉(zhuǎn)速后，都會(huì)延時(shí)60 s才會(huì)重新檢測(cè)轉(zhuǎn)速，決定是否調(diào)整。而負(fù)載突變有可能隨機(jī)地落在這60 s中的任一時(shí)間點(diǎn)。因此轉(zhuǎn)速雖然超過(guò)了上限，但是需要待延時(shí)結(jié)束后才會(huì)調(diào)整，從而產(chǎn)生延遲。延遲時(shí)間為0～60 s的隨機(jī)值。

這兩種情況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水泵穩(wěn)定供水不利。且兩種情況下，柴油機(jī)均有長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的狀態(tài)，對(duì)其本身也有不利影響，需要設(shè)法解決。

分析產(chǎn)生情況1和情況2的原因，發(fā)現(xiàn)控制子站的介入是轉(zhuǎn)速超調(diào)的基本原因。機(jī)組負(fù)載突變時(shí)，本可依靠液壓調(diào)速器來(lái)自行穩(wěn)定機(jī)組轉(zhuǎn)速，控制子站不應(yīng)調(diào)整調(diào)速器給定值，而子站的控制邏輯本身又必然需要在轉(zhuǎn)速不在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)時(shí)改變調(diào)速器的給定值，這是調(diào)速器給定值無(wú)法直接反饋，而通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器間接反饋必然導(dǎo)致的結(jié)果。

因此，對(duì)控制子站工作階段的程序進(jìn)行了修改，在機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到額定供水轉(zhuǎn)速(1010±10 r/min)時(shí)，機(jī)組控制子站轉(zhuǎn)速控制子程序退出工作，將機(jī)組轉(zhuǎn)速控制交由液壓調(diào)速器單獨(dú)執(zhí)行，直至接收到停機(jī)信號(hào)，需要再次改變工作轉(zhuǎn)速時(shí)再恢復(fù)工作。修改后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化及升降速信號(hào)變化情況如圖7所示。由圖7可知，負(fù)荷突變后，升速和降速信號(hào)均未發(fā)出，液壓調(diào)速器在8 s內(nèi)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定在1004 r/min，轉(zhuǎn)速突變化柴油機(jī)轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間超調(diào)問(wèn)題得以解決。

圖7 修改后負(fù)荷突變時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及控制系統(tǒng)作用情況

4 動(dòng)力集群的總體控制

控制子站對(duì)各機(jī)組的自動(dòng)控制構(gòu)成了動(dòng)力集群控制系統(tǒng)的過(guò)程控制層，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行和運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。而居于控制子站上層的控制總站及其軟件則構(gòu)成了系統(tǒng)的管理監(jiān)控層，完成動(dòng)力集群運(yùn)行調(diào)度、人機(jī)交互、故障診斷處理等功能，對(duì)動(dòng)力集群進(jìn)行總體控制。

4.1 運(yùn)行調(diào)度與人機(jī)交互

管理監(jiān)控層程序的主要功能是按照操作人員通過(guò)人機(jī)界面輸入的指令，或風(fēng)洞總控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令，對(duì)各機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度；控制冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)、真空泵工作液供應(yīng)系統(tǒng)等公共保障系統(tǒng)保障各機(jī)組正常工作；并控制水泵機(jī)組供水閥門、真空主管關(guān)斷閥門等關(guān)鍵受控設(shè)備，配合風(fēng)洞其他系統(tǒng)共同完成風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。具體功能如下。

① 風(fēng)洞在不同工況時(shí)，所需真空機(jī)組的臺(tái)數(shù)不同，管理層程序需要按照操作人員的選擇，決定哪些機(jī)組參加本次試驗(yàn)。

② 操作人員按下起動(dòng)按鈕后，按30 s的時(shí)間間隔向被選中的機(jī)組依次發(fā)送起動(dòng)信號(hào)，使機(jī)組依次開始執(zhí)行前文所述的單臺(tái)機(jī)組控制程序。操作人員按下停機(jī)按鈕后，按30 s時(shí)間間隔依次向各機(jī)組發(fā)送停機(jī)信號(hào)，使機(jī)組開始執(zhí)行停機(jī)程序。

③ 對(duì)不參與工作的機(jī)組進(jìn)行隔離，確保不參與工作的機(jī)組不會(huì)誤起動(dòng)，且不參與工作機(jī)組的關(guān)鍵閥門不會(huì)誤動(dòng)。鎖定關(guān)鍵閥門和機(jī)組關(guān)鍵操作的人工操作功能，防止誤操作。

④ 控制冷卻液、真空泵工作液、燃油、電源等系統(tǒng)公共資源僅向參與工作的機(jī)組分配。

⑤ 進(jìn)入工作階段后，接收風(fēng)洞總控系統(tǒng)指令，控制水泵機(jī)組供水閥、真空泵機(jī)組關(guān)斷閥等關(guān)鍵閥門完成抽真空、供水、停止抽真空、停止供水等動(dòng)作。

以這些功能為支撐，操作人員只需要在人機(jī)界面上完成工況選擇、起動(dòng)機(jī)組、上交控制權(quán)限、收回控制權(quán)限和機(jī)組停機(jī)這5步操作，就可以控制風(fēng)洞真空系統(tǒng)完成一個(gè)車次的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，且由于機(jī)組、閥門等設(shè)備的操作均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，關(guān)鍵操作的人工操作功能在自動(dòng)模式下又進(jìn)行了鎖定，所以操作人員可以基本實(shí)現(xiàn)無(wú)顧慮操作。

4.2 故障診斷與分級(jí)處理

故障的診斷和分級(jí)處理是管理監(jiān)控層軟件的另一重要功能，是實(shí)現(xiàn)無(wú)顧慮操作的基礎(chǔ)。故障診斷和分級(jí)處理功能同樣基于分布式控制思想實(shí)現(xiàn)。這部分軟件除用于診斷和處理動(dòng)力集群的故障外，還兼顧了動(dòng)力集群所驅(qū)動(dòng)的風(fēng)洞真空系統(tǒng)的故障診斷與處理。

為了實(shí)現(xiàn)智能化的故障診斷與處理，在動(dòng)力集群和真空系統(tǒng)中安裝了大量傳感器，獲取各機(jī)組轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑、冷卻、燃油、排氣等功能的運(yùn)行情況。傳感器數(shù)據(jù)由各控制子站獲取，而后通過(guò)Profibus-DP總線上傳至總站。

機(jī)組級(jí)故障診斷功能在各機(jī)組控制子站中實(shí)現(xiàn)。子站中設(shè)置了機(jī)組中柴油機(jī)、齒輪箱、真空泵等部位各類故障發(fā)生的判據(jù)，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)滿足故障判據(jù)時(shí)，子站生成相應(yīng)的告警信號(hào)，通過(guò)Profibus-DP總線傳至總站。

系統(tǒng)級(jí)故障診斷功能在控制總站中實(shí)現(xiàn)，冷卻水流量不足、真空系統(tǒng)壓力超限等系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵故障由總站按傳感器數(shù)據(jù)直接判斷，并通過(guò)TCP/IP通信直接傳至人機(jī)界面以及位于更高層級(jí)的風(fēng)洞總控系統(tǒng)。

按故障發(fā)生的層級(jí)，將故障分為機(jī)組級(jí)故障和系統(tǒng)級(jí)故障。機(jī)組級(jí)故障是發(fā)生在某一臺(tái)真空泵或水泵機(jī)組中的故障；系統(tǒng)級(jí)故障則是指風(fēng)洞真空系統(tǒng)總體運(yùn)行參數(shù)的異常。系統(tǒng)級(jí)故障的發(fā)生與機(jī)組故障有一定關(guān)聯(lián)。對(duì)于機(jī)組級(jí)故障，按嚴(yán)重程度將其分為一般故障和嚴(yán)重故障。相較這兩個(gè)等級(jí)，系統(tǒng)級(jí)故障后果更為嚴(yán)重，因此將系統(tǒng)級(jí)故障分級(jí)為致命故障。以下分別對(duì)一般、嚴(yán)重和致命3個(gè)級(jí)別故障的處理進(jìn)行舉例說(shuō)明。

(1) 一般故障。

柴油機(jī)缸排溫偏低。此故障一般代表此臺(tái)柴油機(jī)某一汽缸內(nèi)部柴油燃燒不良，做功能力偏低或不做功。由于柴油機(jī)缸數(shù)較多，單個(gè)缸發(fā)生此故障對(duì)機(jī)組的工作影響較小，所以將其定義為機(jī)組級(jí)的一般故障。發(fā)生這一級(jí)別故障時(shí)，控制子站生成故障信號(hào)，上傳到總站，總站上傳到上位機(jī)，并在上位機(jī)上點(diǎn)亮一般故障告警，提醒操作人員機(jī)組出現(xiàn)異常，不需要做停機(jī)處理，但需進(jìn)一步關(guān)注該機(jī)組的狀態(tài)。

(2) 嚴(yán)重故障。

柴油機(jī)潤(rùn)滑油壓力低。此故障代表柴油機(jī)潤(rùn)滑不良，需立即切除故障機(jī)組，并將故障機(jī)組停機(jī)，否則機(jī)組將因嚴(yán)重機(jī)械故障而自行停止運(yùn)轉(zhuǎn)并損毀。這一故障對(duì)單臺(tái)機(jī)組而言較為嚴(yán)重，但是一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)又不會(huì)使整個(gè)真空系統(tǒng)失去功能，因此將其分級(jí)為機(jī)組級(jí)嚴(yán)重故障。這一級(jí)別故障發(fā)生時(shí)，控制子站將故障信號(hào)上傳至總站，總站會(huì)自動(dòng)關(guān)斷有關(guān)閥門，切除故障機(jī)組，而后自動(dòng)發(fā)停機(jī)指令至子站，使故障機(jī)組停機(jī)。同時(shí)，控制總站還將在上位機(jī)點(diǎn)亮嚴(yán)重故障告警，提醒操作員有機(jī)組退出工作，需要密切關(guān)注真空系統(tǒng)狀態(tài)，注意冷卻水流量和真空系統(tǒng)絕壓等關(guān)鍵參數(shù)是否有因機(jī)組退出而惡化的趨勢(shì)。這一級(jí)別的故障還會(huì)由控制總站上傳給風(fēng)洞的總控系統(tǒng)，將真空系統(tǒng)有故障的信息告知實(shí)驗(yàn)總指揮。

(3) 冷卻水流量低于下限。

此故障指用于冷卻風(fēng)洞超高溫燃?xì)獾睦鋮s水流量不足，高溫氣流有可能進(jìn)入真空系統(tǒng)，引起真空泵燒毀等惡性事故。因此將其定義為致命故障。這一故障可能由水泵機(jī)組退出運(yùn)行引發(fā)，也可能由其他因素引發(fā)。當(dāng)由前者引發(fā)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出嚴(yán)重故障告警，作為這一致命故障的預(yù)警，操作人員尚有反應(yīng)時(shí)間；但是若由后者引發(fā)，則會(huì)突然發(fā)生，沒(méi)有預(yù)警時(shí)間。因此這類故障不僅結(jié)果致命，且有可能突然發(fā)生。這一故障發(fā)生時(shí)，真空系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)支持風(fēng)洞運(yùn)行，因此控制總站一旦判定發(fā)生這一級(jí)別的故障，會(huì)立即向更高層級(jí)的風(fēng)洞總控系統(tǒng)發(fā)送急停信號(hào)，總控系統(tǒng)收到后會(huì)立即指示風(fēng)洞各分系統(tǒng)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入關(guān)車流程，以保證設(shè)備的安全。同時(shí)，在本系統(tǒng)和總控系統(tǒng)的上位機(jī)上，都會(huì)顯示最高級(jí)別的致命級(jí)故障告警。

動(dòng)力集群控制系統(tǒng)通過(guò)將系統(tǒng)故障劃分為一般、嚴(yán)重和致命3個(gè)級(jí)別，分別采取提醒本系統(tǒng)操作人員注意、切除機(jī)組并提醒本系統(tǒng)和上級(jí)系統(tǒng)操作人員注意、直接停止風(fēng)洞試驗(yàn)3個(gè)級(jí)別的處理措施，實(shí)現(xiàn)了故障的自動(dòng)診斷和分級(jí)處理。解決了操作人員無(wú)法同時(shí)監(jiān)控11臺(tái)機(jī)組數(shù)百個(gè)參數(shù)的問(wèn)題，使動(dòng)力集群在運(yùn)行時(shí)，僅需1名操作人員監(jiān)控，就能實(shí)現(xiàn)無(wú)顧慮操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于分布式控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于某風(fēng)洞動(dòng)力集群后，取得了良好效果，使動(dòng)力集群具備了智能化特征。

① 由11臺(tái)船用中速柴油機(jī)組構(gòu)成的動(dòng)力集群實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化運(yùn)行，僅需1名操作人員進(jìn)行少量操作就可以控制集群完成一次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。且在系統(tǒng)的輔助下，該操作人員還可同時(shí)對(duì)11臺(tái)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

② 在機(jī)組轉(zhuǎn)速控制方面，較好地實(shí)現(xiàn)了控制子站和液壓調(diào)速器的配合，在機(jī)組負(fù)荷突變工況下仍能有效控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。

③ 控制系統(tǒng)的高度自動(dòng)化，配合故障診斷和分級(jí)處理功能，使動(dòng)力集群的運(yùn)行可靠性有效提高，人因失誤得到有效抑制，很大程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)顧慮操作。

某風(fēng)洞動(dòng)力集群智能控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模柴油機(jī)動(dòng)力集群的全自動(dòng)化控制，使得規(guī)模遠(yuǎn)大于船舶、鐵路機(jī)車等傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的柴油機(jī)動(dòng)力集群僅需1名操作員就可完成復(fù)雜的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，且保證了其可靠性，因此該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價(jià)值。