劉小安，張艷清，楊洪濤

(北京特種機械研究所，北京 100143)

基于Profibus的結冰風洞防除冰系統(tǒng)設計與實現

劉小安，張艷清，楊洪濤

(北京特種機械研究所，北京 100143)

為了解決某結冰風洞防除冰系統(tǒng)分布較分散、各點之間距離較遠、防除冰控制通道和溫度采集點較多等問題，提出了基于Profibus的分布式控制系統(tǒng)，采用動力集中控制、測量數據分布式采集方案，綜合了集中式控制和總線分布式控制的優(yōu)點。采用面向對象的編程理念，通過模塊化設計解決了多控制通道問題；通過特殊的工作模式控制策略，解決了多人機界面的問題；通過引入總線診斷功能，解決了復雜系統(tǒng)故障實時檢測與快速定位問題。實際運行結果表明，基于Profibus的結冰風洞防除冰系統(tǒng)運行平穩(wěn)，收到了預期效果。關鍵詞：Profibus；結冰風洞；分布式控制；防除冰系統(tǒng)

0 引言

飛機在飛行過程中，部分部件表面容易結冰，從而改變飛機迎風面的氣動外形，進而改變飛機的氣動特性和飛行性能，尤其是其穩(wěn)定性和操縱性[1]。為了驗證飛機防除冰系統(tǒng)的有效性，有必要進行結冰風洞試驗。結冰風洞試驗是驗證飛行器防除冰系統(tǒng)有效性的最佳手段，而風洞防除冰系統(tǒng)是保障結冰風洞正常運行的關鍵。

某結冰風洞采用電加熱防除冰系統(tǒng)，防冰系統(tǒng)用于試驗過程中防止部件表面結冰，除冰系統(tǒng)用于試驗后除冰。本文設計的基于Profibus的結冰風洞防除冰系統(tǒng)，在保證風洞正常運行的前提下，提高了系統(tǒng)的自動化水平，增強了系統(tǒng)的可靠性。

1 結冰風洞防除冰系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由電加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，其組成框圖如圖1所示。

電加熱系統(tǒng)包括一拐導流片前緣除冰系統(tǒng)、一拐下表面內壁除冰系統(tǒng)、一拐排水管道除冰系統(tǒng)、二拐導流片前緣除冰系統(tǒng)、二拐下表面內壁除冰系統(tǒng)、二拐排水管道除冰系統(tǒng)、三拐溝槽除冰系統(tǒng)、四拐溝槽除冰系統(tǒng)、試驗段唇口防冰系統(tǒng)、試驗段轉盤密封件防冰系統(tǒng)以及腹撐機構風擋防冰系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括主控制柜、輔控制柜、一二拐控制柜、一拐導流片功率柜、二拐導流片功率柜、一拐轉接箱、二拐轉接箱、三拐匯線盒、四拐匯線盒、試驗段轉接箱、唇口匯線盒、溫度傳感器以及連接電纜等。

本系統(tǒng)總功率為894 kW，為了便于控制柜的統(tǒng)一配電與安全控制，采用了動力集中控制的方案；另外，由于系統(tǒng)控制通道數和傳感器數量較多，且各通道位置較分散，采用了傳感器數據分布式采集的方案。

圖1 防除冰系統(tǒng)組成框圖

2 網絡拓撲設計

本防除冰控制系統(tǒng)主要由風洞遠程測控間、本地控制室、除冰點1、除冰點2、除冰點3、除冰點4、防冰點1、防冰點2和防冰3組成，其分布如圖2所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)各部分比較分散，且各部分之間距離較遠，普通的集中式控制系統(tǒng)已經難以滿足要求，因此本文采用了基于Profibus總線的分布式控制系統(tǒng)方案。整個控制系統(tǒng)網絡拓撲結構如圖3所示。

Profibus總線采用串行連接方式，共有從站6個，總長度200 m左右，采用西門子公司提供的A型專用電纜，理論通信速率可以達到500 kb/s。由于總線主要用于溫度采集，對實時性要求不是特別高，為了提高總線抗干擾能力，系統(tǒng)中采用187.5 kb/s的通信速率，經測試，完全可以滿足要求。

圖2 防除冰控制系統(tǒng)分布

由于整個防除冰控制系統(tǒng)溫度采集點比較多，接近260個，采用本文所述的基于Profibus總線的分布式結構，大大減少了信號電纜的數量，不僅節(jié)約了項目成本，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和可維修性。

圖3 防除冰控制系統(tǒng)網絡拓撲結構

3 軟件設計

本系統(tǒng)軟件主要包括主控PLC軟件、本地操作顯示屏軟件、本地工控機軟件以及風洞測控間遠程控制軟件4部分。本小節(jié)主要對主控PLC軟件進行介紹。3.1 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)運行流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)啟動后進行控制和狀態(tài)復位，然后進行系統(tǒng)自檢。自檢完成后根據當前控制模式等待用戶操作指令，隨后進入除冰/防冰子程序，結束后再次進入待命狀態(tài)。

3.2 主控PLC軟件總體設計

主控PLC軟件組成見圖5。

主循環(huán)是PLC程序的入口，該循環(huán)每隔一段時間執(zhí)行一次，時間間隔與CPU設置相關，默認是150 ms。

主控PLC軟件中，主循環(huán)內主要執(zhí)行以下幾個一級模塊：上位機接口參數處理模塊、故障處理模塊、除冰模塊以及防冰模塊。其中，故障處理模塊屬于概念型模塊，軟件中并不存在獨立的故障處理模塊，子系統(tǒng)運行過程中的故障實時檢測與處理都在其相應的模塊中實現。

圖5 主控PLC軟件組成框圖

本系統(tǒng)中，共有45個除冰控制通道和29個防冰控制通道，為了降低主控PLC軟件的復雜程度，本文采用了面向對象的編程思路，進行了充分的模塊化設計，對于參數相同的子系統(tǒng)調用同一個二級模塊，在PLC中實現為功能塊的多重背景數據塊。

3.3 人機界面接口設計

由于系統(tǒng)中存在3個人機操作界面，為了防止產生沖突，特別是為了防止本地操作和遠程控制相互干擾，本文采取了以下的接口策略：①主控PLC分為3種工作模式：空閑模式、本地控制模式和遠程控制模式，其中本地操作顯示屏和本地工控機使用本地控制模式，風洞遠程測控間工控機使用遠程控制模式；②為兩種控制模式建立不同的接口數據塊；③為了防止工作模式切換對系統(tǒng)正常運行造成影響，本文規(guī)定了嚴格的工作模式切換流程：只有當系統(tǒng)處于空閑模式時，才接收本地或者遠程的控制申請。當系統(tǒng)處于本地控制模式時，如需切換到遠程控制模式，則必須先停止所有操作，由本地人機界面退出本地控制模式，使系統(tǒng)切換到空閑模式，反之亦然。

3.4 總線診斷

系統(tǒng)運行過程中，用戶需隨時掌握各從站的工作狀態(tài)，為此，本文引入了總線診斷模塊PNIODiag，即FB126，該模塊可以實時診斷系統(tǒng)已組態(tài)的各從站狀態(tài)。

添加FB126后，需要在相應的OB(組織塊)中進行故障中斷處理，最終觸發(fā)相應的故障報警信息并在人機界面中加以顯示。

本地操作顯示屏中的總線診斷畫面如圖6所示。

圖6 總線診斷畫面

運行過程中，若某個從站工作正常，將會顯示為綠色；若某個從站故障，則會紅黑閃爍。

4 系統(tǒng)測試

按以下步驟依次進行系統(tǒng)測試：①導通、絕緣檢測：依次對每一通道的動力電纜進行導通和絕緣檢測，并對相應的信號電纜進行導通檢測；②總線通訊測試；③單通道測試：依次進行單通道功能測試，由于系統(tǒng)采用AC380 V/220 V進行加熱，因此要額外進行漏電保護器動作響應測試；④滿功率測試：所有通道同時運行，測試各功率器件及配電系統(tǒng)的承載能力，驗證各控制柜的散熱效果，并驗證主控PLC的性能。

測試結果表明：在設定速率下，總線通訊正常，未出現通訊故障報警；各通道除冰/防冰工作正常，漏電保護器能夠及時響應，控制柜散熱效果良好；系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，達到了預期效果。

5 結論

本文提出的基于Profibus的分布式控制系統(tǒng)，采用動力集中控制、測量數據分布式采集方案，綜合了集中式控制和總線分布式控制的優(yōu)點，解決了大功率配電和安全控制、分散點溫度采集的問題。另外，本文針對系統(tǒng)中的多控制通道、多人機界面、復雜系統(tǒng)故障實時檢測與快速定位等問題分別給出了詳細的解決方案并予以實現。實際運行結果表明，本系統(tǒng)運行平穩(wěn)，達到了預期效果。

[1] 劉政崇,彭強,肖斌,等.3 m×2 m結冰風洞設計總體初步方案[G]//大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會2007年學術年會論文集.深圳：中國航空學會，2007：1-7.[2] 張雪蘋.飛機結冰適航審定與冰風洞試驗方法[D].南京：南京航空航天大學，2010：6-11.

[3] 肖春華，桂業(yè)偉，杜雁霞，等.電熱除冰傳熱特性的結冰風洞實驗研究[J].實驗流體力學，2010(4)：21-24.

[4] 肖春華，桂業(yè)偉，杜雁霞，等.電加熱過程的冰脊形成實驗研究[J].實驗流體力學，2010(6)：52-56.

Design and Implementation of Anti-icing and Deicing System Based on Profibus for Icing Wind Tunnel

LIU Xiao-an, ZHANG Yan-qing, YANG Hong-tao

(Beijing Institute of Specialized Machinery, Beijing 100143, China)

Since the nodes of anti-icing and deicing system are disperse, and there are many control tunnels and temperature sensors in anti-icing and deicing system, this paper proposes a distributed system based on Profibus. The solutions to multiple control tunnels, multiple human-machine intefaces, and bus real-time diagnosis are put forward. The practical results show that the system works well.

Profibus; icing wind tunnel; distributed control; anti-icing and deicing system

1672- 6413(2015)06- 0174- 02

2015- 01- 28；

2015- 09- 21

劉小安(1986-)，男，江西吉安人，工程師，碩士，主要從事控制系統(tǒng)設計工作。

TP273

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