陳海清，孫永飛，熊進星

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

混合總線測控系統(tǒng)在R0110燃氣輪機低排放試驗中的應用

陳海清，孫永飛，熊進星

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

針對R0110燃氣輪機低排放試驗內(nèi)容的要求，提出了對試驗平臺的測試與控制系統(tǒng)的設計方案，并詳細介紹了該試驗平臺測試系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構和功能的實現(xiàn)，其中通過利用混合總線方式將原測試系統(tǒng)與新測試系統(tǒng)相結(jié)合，擴展了試驗器的測試能力。根據(jù)試驗中多路燃料供給規(guī)律的要求，提出燃料供給手動、自動2種控制方式，進一步提高了試驗控制上的智能性。在自動控制程序設計中，充分考慮了燃料供應的風險，并制定了相應的處理方案，保障了試驗的順利完成，而且提高了該試驗器的智能化水平和整體測控能力。

混合總線；測控系統(tǒng)；LabV eiw；網(wǎng)絡通訊；自動控制；低排放試驗；燃氣輪機

0　引言

傳統(tǒng)燃燒室試驗器的測控系統(tǒng)主要以RS232總線、GPIB總線為主?？紤]到安全性，試驗采用機械按鈕或上位機組態(tài)軟件遠程控制的方式。隨著總線技術的進步，近些年一些新建試驗器采用了VXI總線、PXI總線形式搭建測試系統(tǒng)［1-2］，提高了測試的采集速度和精度。

在已建成的大型試驗器上，單一總線形式的測控系統(tǒng)往往不能滿足新型測試任務的需要，而重新對整個測控系統(tǒng)進行設計、施工、調(diào)試、驗證，又會耗費大量的時間和資金。在分析比較了不同總線優(yōu)勢后，根據(jù)不同的測試任務選擇不同的總線形式，在此基礎上構建1個混合總線的測控系統(tǒng)［3］，擴大原系統(tǒng)的測試能力。

為研究R0110燃氣輪機燃燒室的燃料供給方式對排放影響規(guī)律的影響，在測試系統(tǒng)中選用混合總線的方式進行搭建，在多路燃料供給的控制方式上采用手動和自動2種控制方式，軟件采用LabView和組態(tài)王進行聯(lián)合開發(fā)，利用OPC通訊方式將虛擬儀器技術和PLC控制技術相結(jié)合，實現(xiàn)了復雜的邏輯控制過程［4-5］。根據(jù)試驗中可能出現(xiàn)的風險［6-7］，制定了多種方案進行預防，保障了試驗順利進行。

本文介紹了混合總線測控系統(tǒng)在R0110燃氣輪機低排放試驗中的應用情況。

1　R0110燃氣輪機試驗測控要求

1.1試驗對測控系統(tǒng)的需求

根據(jù)給定的燃燒室進、出口狀態(tài)參數(shù)，錄取指定試驗條件下的狀態(tài)數(shù)據(jù)，測點參數(shù)見表1。其中1～21項為新增測試內(nèi)容，22項為原系統(tǒng)已有測試內(nèi)容。

表1　測試內(nèi)容

天然氣燃料分3路供應，分別對應不同的燃料噴嘴。燃料供應方式分為定量供應和按設定規(guī)律供應。其中定量供應可以通過手動對調(diào)節(jié)閥的控制，逐漸調(diào)節(jié)燃料流量大小，不嚴格限定調(diào)節(jié)過程的時間長度。而按規(guī)律供應燃料方式需要考慮供應模式、時間、燃料量、溫度、點火動作、火焰狀態(tài)、壓力脈動等因素的影響，如圖1所示。

圖1　燃料按規(guī)律供應

現(xiàn)場新增15個閥門、1支點火器，采用遠程上位機控制，閥門反饋值、點火狀態(tài)需要計算機顯示和記錄。

1.2燃料氣控制系統(tǒng)難點

由于天然氣管路［8］采用單一天然氣氣源供氣，分為3路后分別供氣，如圖2所示。在燃料動態(tài)切換過程中，手動操作很難實現(xiàn)多路同步切換過程，所以燃料供應需采用手動和自動2種控制方式，在軟件中需要設置控制的權限，防止誤操作。

圖2　室內(nèi)天然氣管路流程

根據(jù)試驗條件下燃料流速計算出流量計安裝位置與燃料入口位置之間的距離產(chǎn)生的滯后時間約為100～1000 ms。調(diào)節(jié)閥動態(tài)響應時間（閥門從全關位置到打開63%位置所需要的時間）為4000 ms，閥門的死區(qū)和回差指標均為1.0%?？紤]到動態(tài)切換過程時間短，閉環(huán)控制方式難以滿足實際燃料按規(guī)律供應。

R0110燃氣輪機低排放試驗需要探索天然氣供氣的切換規(guī)律，在探索過程中要經(jīng)常對燃料供應規(guī)律進行調(diào)整。軟件設計時需對多參數(shù)（如時間點、時間長度、流量目標值等）界面化設定，通過參數(shù)修改，實現(xiàn)對規(guī)律的調(diào)整。

在R0110燃氣輪機試驗中需要考察多路燃料在短時間（10～60 s）內(nèi)從1個狀態(tài)穩(wěn)定切換到另1個狀態(tài)的過程，自動切換過程中需要加入壁溫、出口溫度、火焰狀態(tài)和壓力脈動等因素，對自動執(zhí)行進行制約。

1.3試驗風險預估

R0110燃氣輪機燃燒室試驗所用燃料為天然氣，天然氣為易燃易爆氣體，泄漏可能造成火災、爆炸，對設備和人員造成損害。

在對試驗設備操作過程中，存在手動操作不當引起設備超溫、試驗件損壞等風險；在多路燃料自動供應時，燃燒室內(nèi)壁面溫度若超過限定值，會造成試驗件損壞；在多路燃料自動供應時，燃燒室內(nèi)若出現(xiàn)異?；鼗瓞F(xiàn)象，會造成燃燒室內(nèi)部燒蝕現(xiàn)象；在多路燃料自動供應時，若在閥門聯(lián)動過程出現(xiàn)邏輯錯誤，會造成燃料供應異常，存在試驗風險。在試驗過程中若出現(xiàn)振蕩燃燒，會干擾燃燒室的燃燒過程，損壞燃燒室的構件，并使燃燒效率降低［9］。

2　試驗平臺的原有測控系統(tǒng)介紹

試驗平臺由氣路、水路、加溫、燃料氣、監(jiān)控、測控6大系統(tǒng)組成。其中測試系統(tǒng)需要對試驗平臺上的參數(shù)（最大測試能力240路測試通道）進行監(jiān)控和記錄，參數(shù)類型包括溫度、壓力、流量和角度等，采用VXI總線儀器進行采集，硬件采集速度設置為20次/s，儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換精度達到0.05%，測試軟件采用LabWindows CVI8.1編程實現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)采用文本文檔形式單次記錄。

控制系統(tǒng)中的被控對象主要為現(xiàn)場的閥門和電機，控制器采用智能控制儀表和變頻器。上位機與控制器的通訊采用串口總線的形式，控制軟件采用組態(tài)王編寫實現(xiàn)，操作人員通過對軟件界面上控件的操作，實現(xiàn)對控制對象的遠程控制。根據(jù)R0110燃氣輪機試驗對測試系統(tǒng)的需求，原系統(tǒng)從功能上已無法滿足，所以提出了改進方案。

3　新試驗平臺測控系統(tǒng)方案介紹

3.1試驗平臺測控系統(tǒng)硬件結(jié)構

測試系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號調(diào)理儀器、數(shù)據(jù)采集儀器和計算機等幾部分組成，控制系統(tǒng)由計算機、控制器、執(zhí)行機構組成。改造后最大測試能力為512路模擬信號通道，控制上增加了3組PLC控制器，80路I/O接口。測控系統(tǒng)整體架構如圖3所示。

圖3　測控系統(tǒng)結(jié)構

燃燒室試驗平臺在總體結(jié)構上分為試驗器設備測點和試驗件測點，在試驗器設備上的測點一般為固定測點，這類測點采用VXI總線儀器進行采集。VXI總線儀器具有模塊化結(jié)構、體積小、穩(wěn)定性高和集成度高等特點［10］，在采集速度和精度上，具有其他總線系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，但由于VXI基于現(xiàn)代計算機不支持的VME總線，不能隨PC技術同步發(fā)展，也不具有主流軟件開發(fā)的優(yōu)勢，構建VXI總線測試系統(tǒng)造價比較高，并且測試靈活性上不如LXI總線，一般適用于新建高端試驗器測試系統(tǒng)［11］。

試驗件測點一般為靈活、集中式的測點，根據(jù)試驗內(nèi)容的不同，此類測點類型、數(shù)量經(jīng)常變化。這類測點采用LXI總線儀器進行采集，LXI總線儀器綜合了VXI總線和LAN總線的特點，并且LXI總線儀器搭建靈活，依靠以太網(wǎng)連接可以構成分布式網(wǎng)絡測試系統(tǒng)，儀器可靠近測點進行信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換并采集，減少了信號傳輸上的誤差和干擾；但LXI總線在通風散熱、電磁兼容等方面的設計比較簡單，其通訊依靠以太網(wǎng)，存在保障數(shù)據(jù)安全性的潛在問題［12］。

為了探測燃燒室不同狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性，測試系統(tǒng)加入了4個壓力脈動信號的測點，此類信號采用PXI總線儀器進行采集，PXI總線儀器的特點與VXI總線和LXI總線的特點比較相似，除此之外PXI總線PXI具有更快的總線傳輸速率、更小的體積，PXI總線與CPCI保持兼容，基于PCI總線的軟硬件均可應用到PXI系統(tǒng)，PXI總線的軟硬件價格相對便宜，在高頻測量上，可以替代VXI，為用戶提供低成本的模塊儀器解決方案［13］。

燃氣分析系統(tǒng)為相對獨立的子系統(tǒng)，燃氣分析儀器輸出4～20 mA的標準信號，采用PLC的A/D模塊進行采集，經(jīng)上位機計算后輸出結(jié)果。由于燃氣取樣距離長、燃氣儀器測量過程時間長，會造成數(shù)據(jù)輸出結(jié)果相對滯后，在加入測試系統(tǒng)中時，僅與其他系統(tǒng)進行網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交換，不考慮同步性問題。在后期數(shù)據(jù)分析時，將燃氣分析數(shù)據(jù)與其他實時數(shù)據(jù)之間的滯后時間記為約15 s［14］。

控制系統(tǒng)中被控對象為調(diào)節(jié)閥、電磁閥和點火器。控制器選用歐姆龍PLC和智能控制儀表（SR94）。其中單組PLC包括電源、CPU、通訊模塊、OC模塊、ID模塊、A/D模塊和D/A模塊，可以實現(xiàn)開關量控制和采集，模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，PLC與計算機之間采用網(wǎng)線連接。PLC作為控制器的優(yōu)勢在于可以在上位機編輯邏輯控制程序，實現(xiàn)復雜的控制過程。智能儀表安裝在執(zhí)行機構附近，與計算機之間采用RS485總線連接，實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程2種控制方式，方便操作人員的操作和檢查。

3.2試驗平臺測控系統(tǒng)軟件結(jié)構

3.2.1測試系統(tǒng)軟件

軟件采用LabView8.5開發(fā)，測試系統(tǒng)設計結(jié)構［15-16］如圖4所示，軟件效果如圖5所示。

圖4　軟件結(jié)構及功能

圖5　試驗中的界面

進行儀器初始化設置要通過LABVIEW中的“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點VI”，調(diào)用儀器接口的動態(tài)鏈接庫，通過各儀器的設置參數(shù)，實現(xiàn)儀器的初始化設置，包括：通道類型、采集頻率、觸發(fā)方式、濾波方式、通道順序、數(shù)據(jù)單位等。

數(shù)據(jù)處理是軟件的核心內(nèi)容，利用LabView中的簇數(shù)組結(jié)構建立軟件上的虛擬測試通道，每個通道的信息均體現(xiàn)在簇結(jié)構中，處理過程采用隊列的方式逐步對數(shù)據(jù)進行處理，包括：參數(shù)計算、異常判斷、異常處理、數(shù)據(jù)發(fā)布和數(shù)據(jù)庫存儲等。為了實現(xiàn)程序的多功能性，在程序進程上采用多線程的方式［17］，并且充分利用事件的方式對不同功能做出響應，減小對內(nèi)存的占用。

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布功能，首先在局域網(wǎng)內(nèi)部署簇結(jié)構的數(shù)組網(wǎng)絡共享變量，其中簇結(jié)構內(nèi)包括：序號（整型）、名稱（字符串）、數(shù)值（雙精度）、有效性（布爾）、報警提示（布爾）；其次將處理后的通道數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡共享變量；最后，不同的計算機操作提取所需數(shù)據(jù)，做進一步計算、顯示和記錄等處理。

利用LabView的顯示控件的屬性“數(shù)據(jù)界限”可設定數(shù)據(jù)的預警值，當實際數(shù)據(jù)超過預警值時，利用控件“閃爍”、“背景色”等屬性值的變化來提示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報警顯示功能。

在云圖功能的實現(xiàn)上，利用LabView中的“3維參數(shù)曲面VI”控件來實現(xiàn)顯示2維平面的數(shù)據(jù)場圖像，其中x、y軸用來標注電偶點的坐標位置，z軸表示測點場數(shù)據(jù)數(shù)值的大小，采用雙線性插值法增加數(shù)據(jù)場測點間的過渡點，然后將形成的3維曲面投影到x－y平面上，形成2維平面效果。在“3維參數(shù)曲面VI”控件上，通過分段修改顏色屬性與數(shù)據(jù)場數(shù)值范圍的對應關系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)場的顯示效果。在試驗過程中，通過云圖可以觀察到在燃料切換過程中溫度場的高溫區(qū)位置的變化，便于試驗人員對試驗過程的直觀判斷，數(shù)據(jù)場效果如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)場效果

在數(shù)據(jù)計算功能上，把與試驗相關的計算公式編寫成通用的DLL計算文件，利用LabView中“引用節(jié)點調(diào)用VI”控件引用計算文件。通過軟件前面板的下拉列表，實現(xiàn)對計算公式引用和調(diào)用數(shù)據(jù)的修改

這種計算調(diào)用的方式，可以減少LabView程序框圖設計上的復雜程度，使程序可讀性更強。當計算的輸入發(fā)生改變時，可以避免進入后臺修改程序。

通過調(diào)用Database Connectivity數(shù)據(jù)庫工具包中的組件，實現(xiàn)將軟件采集到的數(shù)據(jù)實時記錄到數(shù)據(jù)庫中［18］，作為連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)的記錄，通過數(shù)據(jù)庫的查詢功能，實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)的回放功能，在LabView中通過調(diào)用Excel應用程序的屬性和方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出報表功能。

3.2.2控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)控制難點問題，提出以下解決方案，并在實際應用中解決上述問題。

（1）程序中加入自動/手動狀態(tài)切換按鈕，并設定自動情況下手動輸入失效，在手動情況下不執(zhí)行自動程序。在切換時，須將前一狀態(tài)（手動或自動）的閥門參數(shù)賦值給下一狀態(tài)（自動或手動）的閥門參數(shù)，防止閥門誤操作。上位機與PLC之間的通訊采用OPC通訊方式，通過建立PLC與PC之間OPC變量，實現(xiàn)對閥門開度大小的控制［19-20］。

（2）控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式，通過冷態(tài)調(diào)試標定出閥門在單路、雙路、3路供氣情況下開度與流量間的函數(shù)關系，通過這個函數(shù)關系，在自動情況下自動算出流量對應的閥門開度大小，從而實現(xiàn)對閥門的控制?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構如圖7所示。

圖7　控制系統(tǒng)軟件方案

（3）為了解決燃料規(guī)律控制問題，在編制流量變化曲線模塊時，將燃料切換過程劃分6個時間段，每個時間段采用定時For循環(huán)，時鐘間隔為50 ms，各時間段內(nèi)自動確定本階段循環(huán)次數(shù)，每次循環(huán)發(fā)送1次閥門開度的數(shù)字信號給PLC，由PLC輸出模擬信號控制閥門動作，實現(xiàn)閥門的連續(xù)動作，程序如圖8所示。

程序中流量隨時間變化的曲線為

圖8　自動控制線程程序

在軟件中將控制參數(shù)（每個時間段長度、目標流量值、點火時間點、點火時間長度等）通過界面寫入全局變量中。在主程序的控制線程中通過調(diào)用修改后控制參數(shù)，實現(xiàn)對燃料供應的規(guī)律調(diào)整。

（4）控制程序進程上采用多線程方式，對于閥門反饋超限、壁面溫度超溫、出口溫度超溫、火焰狀態(tài)、燃氣泄流和壓力脈動超限等事件，采用獨立線程監(jiān)聽。當有事件發(fā)生時，采取相應的處理。

3.3數(shù)據(jù)采集儀器同步

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集［21］時有2個要點：多個通道數(shù)據(jù)采集的起始時間一致，即同步觸發(fā)；數(shù)據(jù)間的時間間隔一致，即采樣時鐘同步。

為了保證多個數(shù)據(jù)采集儀器多個通道間能同步采集，制定同步采集方案，如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)同步方案

總圖解決方案如下：

（1）EX1000TC與EX2500A之間通過LXI Trigger Bus連接；

（2）EX2500A發(fā)出Trigger信號給EX1000TA進行同步觸發(fā)；

（3）EX1000TC與EX1000TC之間通過LXI Trig-ger Bus連接；

（4）EX2500A同時發(fā)出TTL信號給壓力掃描閥，進行觸發(fā)采集；（5）測試局域網(wǎng)內(nèi)接入GPS時鐘源，授予時間；（6）所有數(shù)據(jù)具有絕對時間戳，供各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)對齊。

3.4報警與處理

R0110燃氣輪機試驗屬于探索性試驗，試驗過程中存在很多風險因素，例如回火、超溫、振蕩燃燒等，所以在試驗準備階段要充分預估可能存在的試驗風險，并制定好相應的處理方案，將方案編輯到測控軟件中，自動處理風險，報警與處理流程如圖10所示。

圖10　報警與處理流程

主要包含以下6個處理風險的方式：

（1）自動控制下，燃料實時給定值與實際反饋值誤差不超過3%，超過限定值時報警，并切到手動狀態(tài)；

（2）試驗過程中監(jiān)控壁面溫度測點，當溫度超過限定溫度時，可能造成試驗件損壞，程序判斷超溫后自動切斷燃料供給；

（3）自動狀態(tài)下啟動點火器，當時間超過點火時間設定長度后，火焰探測器未探測到火焰信號，或者火焰異常熄滅，火焰探測器信號消失，控制調(diào)節(jié)法開度，自動降低燃料供應，并將控制方式由自動方式切到手動方式；

（4）試驗中，燃料的成分是天然氣，天然氣泄漏可能造成火災、爆炸，給設備和人員造成損害。在燃料管路附近安裝燃氣泄漏探頭，一旦泄漏，探頭發(fā)出信號自動切斷供料供給；

（5）燃燒室進、出口狀態(tài)參數(shù)（如空氣流量、冷卻水壓力等）數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可能造成試驗設備超溫，試驗件損壞，程序判斷超限后緊急切斷燃料供給；

（6）為預防試驗其他風險，在試驗操作間內(nèi)安裝緊急切斷按鈕，操作人員通過按鈕可直接切斷燃料供給。

4　結(jié)束語

本文介紹了針對R0110燃氣輪機燃燒室試驗設計的1套測控系統(tǒng)，并對測試系統(tǒng)中混合總線的應用、燃料規(guī)律控制方式、試驗風險與處理方式做了詳細介紹，該測控系統(tǒng)可滿足試驗需求，解決燃氣控制中的難點問題，保障試驗順利完成。

目前，許多燃燒試驗不拘泥于固定式的穩(wěn)態(tài)測試，對測試方式提出了多樣性要求，如運動測試、周期疲勞性測試、燃氣分析測試、紅外測試等，這要求未來的測試系統(tǒng)更具有可擴展性、包容性；控制系統(tǒng)更加智能化，具有更高的系統(tǒng)可靠性?；旌峡偩€的應用促進了試驗測控技術水平的提升，對提升試驗能力有重要意義［22］。

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（編輯：趙明菁）

Application about Mixed-Bus Measure-Control System in R0110 Low Emission Tests

CHEN Hai-qing，SUN Yong-fei，XIONG Jin-xing
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

To meet the request of R0110 low emission tests，a measure-control project was designed in the test-bed which contains the structure of hardware，structure of software，and interrelated function.The new measurement system was combined with the original one by using the technology of mixed-bus，and the ability of the measurement system was expanded for the text-bed.Two kinds of control method including manual-control method and auto-control method were proposed based on the requirement of multi-pipe fuel supply，which enhance the intelligence of the test-bed.Considering the risk of fuel supply，corresponding solution was designed in programming to guarantee the accomplishment of the test.The system was not only reaches the test requirements，but also improves the test-bed intelligence level and measure-control system integration.

mixed-bus；measure-control system；Labview；network communication；automatic control；low emission test；gas turbine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.008

2015-12-19基金項目：燃氣輪機工程研究項目資助

陳海清（1985），男，工程師，從事航空發(fā)動機燃燒室電氣測試系統(tǒng)設計工作；E-mail：chenhaiqing_406@163.com。

引用格式：陳海清，孫永飛，熊進星.混合總線測控系統(tǒng)在R0110燃氣輪機低排放試驗中的應用［J］.航空發(fā)動機，2016，42（4）：36-42.CHENHaiqing，SUN Yongfei，XIONGJinxing.Applicationaboutmixed-busmeasure-controlsysteminR0110lowemissiontests［J］.Aeroengine，2016，42（4）：36-42.