李冬梅，吳相甫，張毅，李闖勤

（1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065；2.北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111）

大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室是一套大型的人工復(fù)合氣候環(huán)境綜合模擬設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫、低溫、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、太陽(yáng)輻射、降霧和吹風(fēng)等典型自然環(huán)境或極端氣候的模擬，滿足飛機(jī)在整機(jī)平臺(tái)上驗(yàn)證氣候環(huán)境適應(yīng)性，保證其在復(fù)雜氣候條件下的飛行安全[1]。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室占地約5000 m2，容積達(dá)13萬(wàn)m3，設(shè)置有20余套獨(dú)立工作的工藝系統(tǒng)，可模擬的自然氣候環(huán)境多達(dá) 11種。實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)作為氣候環(huán)境模擬管理和氣候環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施的綜合化總控中心，通過協(xié)調(diào)控制各個(gè)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行，來(lái)執(zhí)行飛機(jī)整機(jī)等被試件在實(shí)驗(yàn)室氣候環(huán)境下的單項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)或復(fù)合環(huán)境模擬試驗(yàn)，完成試驗(yàn)信息發(fā)布，試驗(yàn)任務(wù)配置，試驗(yàn)過程監(jiān)控，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、上傳和分析以及試驗(yàn)資源的管理等，以滿足實(shí)驗(yàn)室氣候環(huán)境試驗(yàn)全過程的控制管理和測(cè)試任務(wù)需要[2-3]。

由于實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備繁雜，布位分散，協(xié)調(diào)工作復(fù)雜程度高，有必要通過梳理各工藝系統(tǒng)組成和氣候環(huán)境試驗(yàn)流程，并結(jié)合當(dāng)下主流的、先進(jìn)的工業(yè)過程控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種能夠支持試驗(yàn)高效可靠進(jìn)行的綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1 綜合控制管理系統(tǒng)功能

大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)的實(shí)施主要由基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)和綜合控制管理系統(tǒng)三部分的聯(lián)合運(yùn)行而展開（如圖1所示）。其中基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)提供了可進(jìn)行環(huán)境室內(nèi)空氣溫度、濕度、壓力模擬的各項(xiàng)基本設(shè)施[4]，主要包括空氣處理及集成控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)等。特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)包含淋雨試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、太陽(yáng)輻照試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、降雪試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、噴霧試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、吹風(fēng)試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、積冰/凍雨試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，并輔以水、氣聯(lián)合控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)雨、雪、風(fēng)、霧等各種特殊氣候環(huán)境的模擬。綜合控制管理系統(tǒng)則是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)施氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)的指揮中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)和特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，共同完成飛機(jī)在環(huán)境室內(nèi)的高溫、高寒、濕熱、吹風(fēng)、降雨、風(fēng)吹雨/雪、降霧、結(jié)冰、太陽(yáng)輻照、發(fā)動(dòng)機(jī)地面開車等氣候環(huán)境單項(xiàng)試驗(yàn)和復(fù)合試驗(yàn)的配置、控制與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和試驗(yàn)過程監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)室安全保護(hù)、實(shí)驗(yàn)室資源管理等[5]。圖2列出了綜合控制管理系統(tǒng)的主要組成模塊，這些模塊保證了實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能。

1）綜合管理。綜合管理包括資源管理、試驗(yàn)管理和數(shù)據(jù)中心管理，對(duì)象涵蓋實(shí)驗(yàn)室全部計(jì)算機(jī)設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、測(cè)試儀表、執(zhí)行器以及系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件及在試驗(yàn)全過程發(fā)生的各類數(shù)據(jù)。

2）控制/監(jiān)視。控制是指對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程的指揮調(diào)度，包括試驗(yàn)流程的編制、不同試驗(yàn)項(xiàng)目的工藝系統(tǒng)配備、試驗(yàn)自檢、試驗(yàn)中斷、系統(tǒng)配電等。各工藝系統(tǒng)能夠根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和本地控制的實(shí)時(shí)切換。監(jiān)視是指在試驗(yàn)進(jìn)行的各個(gè)階段，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)件的運(yùn)行狀態(tài)以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各個(gè)工藝設(shè)備的電力運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。主要內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)室環(huán)境視頻監(jiān)視、試驗(yàn)件視頻監(jiān)視、工藝流程監(jiān)視和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)視等。

3）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是對(duì)試驗(yàn)過程中環(huán)境室氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及試驗(yàn)件響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、處理和分析。實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程全部數(shù)據(jù)和文件的存儲(chǔ)與管理，提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、文件服務(wù)、打印服務(wù)等。

4）安全保護(hù)。監(jiān)視參與試驗(yàn)的各工藝系統(tǒng) PLC控制器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施安全保護(hù)策略。

5）人員通信。試驗(yàn)進(jìn)行的各個(gè)階段，為實(shí)驗(yàn)室工作提供必須的廣播通訊。

6）信息展示與仿真。通過試驗(yàn)過程的全景顯示畫面對(duì)實(shí)驗(yàn)室能力進(jìn)行全方位介紹，具備為客戶提供能夠在試驗(yàn)室外身臨其境感受試驗(yàn)過程的功能[5]。

2 常見的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，在工業(yè)自動(dòng)化過程控制中有三大控制系統(tǒng)，即PLCDCS和FCS。長(zhǎng)期以來(lái)，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備提供非?？煽康目刂品桨?，通過數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制。其承載能力較弱，常用于小型控制系統(tǒng)；分散控制系統(tǒng) DCS是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和 CRT顯示技術(shù)于一身，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、操作、管理和分散控制，構(gòu)建一個(gè)完整的集散控制體系，著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。圖3所示為典型的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。其承載能力較好，多用于中、大規(guī)模的連續(xù)過程控制。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的 FCS是 3C（Communication Computer Control）技術(shù)的融合，由PLC和DCS的發(fā)展而來(lái)，是當(dāng)今世界上最新型的全數(shù)字化、全分散、全開放的生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)，可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，如圖4所示。由于從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器都是數(shù)字信號(hào)，所以能夠處理更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的信號(hào)。其承載能力最強(qiáng)，適用于大型控制系統(tǒng)或特大型控制系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，重點(diǎn)在于控制，它以“分散”作為關(guān)鍵字，各公司產(chǎn)品基本不兼容。氣候?qū)嶒?yàn)室更著重于全系統(tǒng)信息綜合管理，“綜合”是其關(guān)鍵字，不但要求最底層的實(shí)時(shí)控制、優(yōu)化控制，未來(lái)還要上升到向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運(yùn)行體系、計(jì)劃體系、管理體系的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，形成一個(gè)具有柔性、高度自動(dòng)化的管控一體化系統(tǒng)。FCS系統(tǒng)作為開放式系統(tǒng)，不同廠商、不同品牌的各種產(chǎn)品基本能同時(shí)連入同一現(xiàn)場(chǎng)總線，可達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成[6-11]。

3 面向?qū)嶒?yàn)室的綜合控制管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型氣候?qū)嶒?yàn)室需在同一個(gè)環(huán)境室內(nèi)模擬 11種不同的典型氣候環(huán)境，涉及的工藝系統(tǒng)多達(dá)20個(gè)，每套工藝系統(tǒng)又由數(shù)個(gè)工藝設(shè)備組成，均有自己獨(dú)立的 PLC控制，控制算法各不相同。加之氣候環(huán)境試驗(yàn)過程并非一個(gè)完全自動(dòng)化的過程，整個(gè)試驗(yàn)周期需要邊調(diào)試、邊試驗(yàn)、邊檢查，試驗(yàn)過程會(huì)因?yàn)樵S多干擾因素而中斷或者反復(fù)。鑒于以上原因，綜合控制管理系統(tǒng)采用了雙網(wǎng)加環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)PLCDCSFCS三大控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合運(yùn)用[12-17]，形成了“分散控制、集中管理、數(shù)據(jù)共享”的集散型控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凸顯了實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，其主干網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余星形千兆以太網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間大量數(shù)據(jù)的交互。這種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一層冗余功能，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一信道或者單臺(tái)交換機(jī)/工作站發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在不影響其他系統(tǒng)工作的情況下自動(dòng)進(jìn)行傳輸路徑的切換，網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而維持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

該系統(tǒng)架構(gòu)綜合考慮了實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備多、放置區(qū)域分散、相互間距離較遠(yuǎn)的實(shí)際狀況，本著便于試驗(yàn)調(diào)試和操作方便靈活，確保試驗(yàn)?zāi)軌虬踩\(yùn)行、測(cè)試數(shù)據(jù)可靠有效等多方面出發(fā)，使實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)具備如下特性：成熟性和先進(jìn)性，成熟的基礎(chǔ)平臺(tái)和先進(jìn)的智能優(yōu)化技術(shù)；易用、易維護(hù)性，綜合化試驗(yàn)平臺(tái)和故障快速定位與糾錯(cuò)；安全性，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)傳輸安全；可靠性，冗余機(jī)制與容錯(cuò)機(jī)制兼?zhèn)?，具有高效的試?yàn)運(yùn)行成功率；可擴(kuò)展性，系統(tǒng)容量可擴(kuò)展、數(shù)據(jù)類型可擴(kuò)展、通訊接口可擴(kuò)展；節(jié)能，自動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)方案，降低試驗(yàn)?zāi)芎暮统杀?；?jīng)濟(jì)型，較高的性價(jià)比指數(shù)。

此外，還設(shè)置了一套安全控制系統(tǒng)（也稱安全控制器）。該系統(tǒng)采用經(jīng) IEC-61511認(rèn)證的控制設(shè)備，運(yùn)行獨(dú)立的監(jiān)控和處理程序，對(duì)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過程關(guān)鍵參數(shù)全程監(jiān)控，接收試驗(yàn)中各系統(tǒng)的故障信號(hào)，定義系統(tǒng)級(jí)的聯(lián)鎖開關(guān)邏輯，保證工藝流程中相關(guān)聯(lián)的工藝系統(tǒng)安全。當(dāng)出現(xiàn)威脅人身安全、危及實(shí)驗(yàn)室建筑結(jié)構(gòu)等緊急事件時(shí)，發(fā)送系統(tǒng)設(shè)備急停指令，避免出現(xiàn)人員傷亡、設(shè)備損壞和建筑物破壞等安全事故。

安全控制系統(tǒng)隸屬于實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)，但不參與試驗(yàn)過程控制和管理。當(dāng)且僅當(dāng)出現(xiàn)安全事件時(shí)，它具有更高的優(yōu)先級(jí)，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的安全策略。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從上到下分為三層：中央管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層[16]。

1）中央管理層，提供人機(jī)操作界面的最頂層系統(tǒng)。利用中央控制軟件進(jìn)行控制指令的發(fā)送和實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)的監(jiān)控，以及將現(xiàn)場(chǎng)反饋信息整合起來(lái)，供用戶分析決策。協(xié)調(diào)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)和各特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)氣候環(huán)境試驗(yàn)的配置、監(jiān)控和管理。對(duì)氣候環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，具有試驗(yàn)配置、試驗(yàn)過程監(jiān)控、試驗(yàn)指揮、全景展示、大屏顯示、視頻監(jiān)控、配電管理、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、數(shù)據(jù)服務(wù)、會(huì)議傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2）過程控制層。進(jìn)行各子系統(tǒng)功能控制的實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括各類現(xiàn)場(chǎng)控制器和相應(yīng)的管理控制上位機(jī)。其上運(yùn)行自動(dòng)控制算法，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，接收中央管理層的命令，并向中央管理層傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)和安全控制環(huán)網(wǎng)組成?；A(chǔ)環(huán)模模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上掛設(shè)制冷系統(tǒng)、載冷載熱系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)的PLC控制器，均通過一臺(tái)核心控制器協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境室溫度、濕度、壓力的控制。特殊環(huán)模系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上包括太陽(yáng)輻照系統(tǒng)控制器、吹風(fēng)系統(tǒng)控制器、水系統(tǒng)控制器、凍雨/降霧系統(tǒng)控制器、淋雨系統(tǒng)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)開車補(bǔ)氣系統(tǒng)控制器、結(jié)冰凍云系統(tǒng)控制器等。依據(jù)不同的氣候環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，這些控制器分別獨(dú)立或聯(lián)合與基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器協(xié)調(diào)工作。安全控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)，基礎(chǔ)環(huán)模和各個(gè)特殊環(huán)模的控制器分別與之相連，其運(yùn)行獨(dú)立的PLC控制程序。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。包括環(huán)境模擬系統(tǒng)的測(cè)試儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備。它們以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，依照統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，完成數(shù)據(jù)采集、I/O轉(zhuǎn)換、PID控制等各種功能[18]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由中央管理層網(wǎng)絡(luò)、過程控制層網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成，各網(wǎng)絡(luò)的功能如下所述[17-18]。

1）中央管理層網(wǎng)絡(luò)。用于連接中央管理層的各上位機(jī)工作站、服務(wù)器、打印機(jī)，各設(shè)備空間距離近，需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，采用星形千兆以太網(wǎng)。

2）過程控制層網(wǎng)絡(luò)。用于連接過程控制層的控制器（包括基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器及安全控制器），將控制器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍芾韺泳W(wǎng)絡(luò)。由于過程控制層網(wǎng)絡(luò)上的各設(shè)備空間位置分散，故該網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形Profinet工業(yè)以太網(wǎng)，支持 OPC通訊機(jī)制，物理傳輸介質(zhì)采用光纖，以提高數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。PLC控制器及遠(yuǎn)程 I/O模塊之間采用Profibus-DP總線連接，遠(yuǎn)程I/O模塊和現(xiàn)場(chǎng)傳感器/執(zhí)行器之間采用一對(duì)一的電纜連接。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，采用星形千兆以太網(wǎng)，即用一臺(tái)交換機(jī)連接各個(gè)采集終端和數(shù)據(jù)采集工作站。該交換機(jī)同時(shí)連接在中央管理層的兩個(gè)核心交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié)語(yǔ)

通過梳理氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室工藝系統(tǒng)組成及開展氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)對(duì)綜合控制管理系統(tǒng)的功能需求，綜合考慮各系統(tǒng)功能及其設(shè)備設(shè)置，從試驗(yàn)運(yùn)行可行性、完整性和系統(tǒng)可靠性、安全性、可擴(kuò)展性及技術(shù)先進(jìn)性出發(fā)，搭建了適用于多種氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室綜合控制管理系統(tǒng)架構(gòu)和適用于全部子系統(tǒng)/設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，組成了一個(gè)集指揮調(diào)度、試驗(yàn)過程控制、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行監(jiān)控等多種功能相結(jié)合的信息網(wǎng)絡(luò)。以此為依據(jù)，綜合控制管理系統(tǒng)各個(gè)功能模塊將按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議和通訊機(jī)制開展深化設(shè)計(jì)。

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