(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽 621000；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外跨超聲速風(fēng)洞，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)鎖系統(tǒng))往往與風(fēng)洞主控系統(tǒng)融合在一起，聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要作用是風(fēng)洞啟動(dòng)條件判斷與狀態(tài)監(jiān)控[1]，系統(tǒng)本身不參與風(fēng)洞控制。隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化水平的提高，風(fēng)洞運(yùn)行對(duì)主控系統(tǒng)高度依賴，該系統(tǒng)一旦產(chǎn)生故障，可能對(duì)風(fēng)洞設(shè)備和參試人員造成嚴(yán)重危害。因此，風(fēng)洞聯(lián)鎖系統(tǒng)除了啟動(dòng)條件判斷與狀態(tài)監(jiān)控之外，還須在主控系統(tǒng)故障時(shí)，啟動(dòng)控制功能，控制風(fēng)洞各設(shè)備在安全狀態(tài)下關(guān)車。

0.6米跨超聲速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱0.6米風(fēng)洞)，是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在2014年建成通氣的一座直流暫沖式三音速風(fēng)洞，該風(fēng)洞采用引射下吹式運(yùn)行方式，試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍M=0.3～4.5，總壓和馬赫數(shù)控制精度分別優(yōu)于0.2%和0.002[2]。該風(fēng)洞控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)的開放式集散系統(tǒng)，功能分散，指揮集中[3]；具有運(yùn)行控制子系統(tǒng)多、自動(dòng)化程度高、各系統(tǒng)間信息交互多、邏輯關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)；聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠檢測(cè)與控制所有與風(fēng)洞運(yùn)行安全相關(guān)的信息和設(shè)備，從技術(shù)上保證風(fēng)洞的安全運(yùn)行。

1 研制技術(shù)要求

0.6米風(fēng)洞控制系統(tǒng)從功能布局上分為應(yīng)用層、中間層、執(zhí)行層三層，其中，面向操作的應(yīng)用層包括主控系統(tǒng)及聯(lián)鎖系統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)[4-5]，二者共同組成了風(fēng)洞控制系統(tǒng)。主控系統(tǒng)主要功能是負(fù)責(zé)提供好的流場(chǎng)品質(zhì)和模型姿態(tài)；聯(lián)鎖系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)風(fēng)洞運(yùn)行安全，系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 風(fēng)洞控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)研制功能及技術(shù)要求很多，從檢測(cè)和控制專業(yè)角度上將其歸納為安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能、三級(jí)冗余安全關(guān)車功能兩部分技術(shù)要求[6]。

1.1 安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能技術(shù)要求

1)風(fēng)洞啟動(dòng)條件聯(lián)鎖。風(fēng)洞啟動(dòng)前，聯(lián)鎖系統(tǒng)需完成啟動(dòng)條件檢查，只有各系統(tǒng)狀態(tài)信息正常，聯(lián)鎖系統(tǒng)才給主控系統(tǒng)發(fā)送允許啟動(dòng)信號(hào)，風(fēng)洞方能啟動(dòng)。

2)狀態(tài)監(jiān)控功能。系統(tǒng)對(duì)整個(gè)風(fēng)洞的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，完成預(yù)警報(bào)警，使風(fēng)洞參試人員可以隨時(shí)掌握風(fēng)洞狀態(tài)，該功能貫穿風(fēng)洞運(yùn)行全過程。

3)指令下達(dá)及轉(zhuǎn)發(fā)功能。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)控制指令的下達(dá)及狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 三級(jí)冗余安全關(guān)車功能技術(shù)要求

風(fēng)洞運(yùn)行過程中，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警，聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠根據(jù)故障報(bào)警嚴(yán)重程度，自動(dòng)啟動(dòng)三級(jí)冗余安全關(guān)車功能[7]，以保證風(fēng)洞各運(yùn)行設(shè)備回到安全位置后，在安全狀態(tài)下關(guān)車。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及組成

聯(lián)鎖系統(tǒng)由PLC、上位機(jī)、測(cè)控間控制臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)、各系統(tǒng)狀態(tài)信息、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)、風(fēng)洞洞體上布置的傳感器及各狀態(tài)量組成，其中PLC 是系統(tǒng)的核心[8]，PLC選用西門子的S7-300系列，CPU為319-3PN/DP。該CPU模塊集成了ProfiNet、MPI/DP、Profibus-DP共3個(gè)通信端口。為滿足狀態(tài)監(jiān)控和控制功能，PLC配置了6個(gè)16路的DI模塊、4個(gè)16路的DO模塊、2個(gè)8路的AI模塊和2個(gè)8路的AO模塊。

聯(lián)鎖系統(tǒng)組成圖見圖2，系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞各設(shè)備的狀態(tài)信息和控制指令通過ProfiNet和硬件電路連接兩種途徑聯(lián)合實(shí)現(xiàn)：

1)系統(tǒng)通過ProfiNet工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與測(cè)控間上位機(jī)、氣密封控制系統(tǒng)、拉緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、噴管側(cè)壁控制系統(tǒng)、噴管型面控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)通信，讀取各系統(tǒng)的狀態(tài)信息并下發(fā)控制指令；

2)系統(tǒng)通過硬件電路連接方式與測(cè)控間控制臺(tái)、主控系統(tǒng)RT、模型迎角控制系統(tǒng)、主進(jìn)氣管路閥門控制系統(tǒng)、主旁路進(jìn)氣管路閥門控制系統(tǒng)、引射管路閥門控制系統(tǒng)、氣密封控制系統(tǒng)、拉緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、噴管型面控制系統(tǒng)、風(fēng)洞各部段傳感器、等狀態(tài)信息和控制設(shè)備之間進(jìn)行連接，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和下達(dá)控制指令。

硬件電路連接可以保證在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)仍然可以通過硬件電路對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行安全控制，確保風(fēng)洞在安全狀態(tài)下進(jìn)行關(guān)車。

圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)組成圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件通信方式

聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩個(gè)部分。系統(tǒng)上下位機(jī)之間及與其它系統(tǒng)之間的軟件數(shù)據(jù)通信方式見圖3。數(shù)據(jù)通信包括三種方式：

1)控制軟件之間(主要指上位機(jī)間)信息交互，采用網(wǎng)絡(luò)共享變量服務(wù)器SVE來統(tǒng)一管理通信變量，基于PSP協(xié)議自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布更新[9]；

2)控制軟件(安全聯(lián)鎖上位機(jī))與設(shè)備(安全聯(lián)鎖PLC)的通信，采用基于OPC技術(shù)的訪問機(jī)制；

3)安全聯(lián)鎖PLC對(duì)其它PLC的通信采用組態(tài)映射方式。

圖3 軟件數(shù)據(jù)通信方式圖

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件

聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)軟件是該系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，是信息顯示、指令發(fā)送中心，通過該軟件，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取和掌握風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可以發(fā)送控制指令，可以對(duì)風(fēng)洞安全運(yùn)行進(jìn)行管理，上位機(jī)軟件采用圖形化開發(fā)工具LabVIEW 2012進(jìn)行開發(fā)，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括的模塊見圖4。

圖4 聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)軟件的模塊組成

3.3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件

聯(lián)鎖系統(tǒng)下位機(jī)PLC軟件采用西門子公司的SIMATIC Manager Step7 v5.5進(jìn)行組態(tài)編程。通過ProfiNet工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，完成測(cè)控系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)與監(jiān)視、吹風(fēng)條件檢查、指令轉(zhuǎn)發(fā)、異常報(bào)警、壓力閉環(huán)控制、緊急停車等功能。軟件層次結(jié)構(gòu)及功能模塊見圖5。

圖5 聯(lián)鎖系統(tǒng)程序功能模塊圖

PLC軟件模塊及功能實(shí)現(xiàn)描述見表1，包括與上位機(jī)通信處理部分、暖啟動(dòng)初始化OB100模塊、定時(shí)中斷OB35模塊、循環(huán)中斷OB1模塊四個(gè)大的模塊；其中，定時(shí)中斷OB35模塊包括模擬量處理功能塊FC3、壓力PID控制功能塊FC40兩個(gè)功能塊，循環(huán)中斷OB1模塊包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控功能塊FC70、通信轉(zhuǎn)發(fā)處理功能塊FC20、數(shù)字量處理功能塊FC1、異常報(bào)警功能塊FC30、吹風(fēng)條件檢查功能塊FC10、安全關(guān)車保護(hù)功能塊FC50七個(gè)功能塊。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三級(jí)冗余安全關(guān)車策略

系統(tǒng)冗余安全關(guān)車策略共分三級(jí)：

1)一級(jí)關(guān)車保護(hù)功能。聯(lián)鎖系統(tǒng)通知主控系統(tǒng)故障類型，提示主控系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的關(guān)車時(shí)序，完成一級(jí)安全關(guān)車保護(hù)功能。

表1 聯(lián)鎖系統(tǒng)PLC軟件功能模塊

2)二級(jí)關(guān)車保護(hù)功能。二級(jí)關(guān)車保護(hù)功能由安全聯(lián)鎖PLC實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主控系統(tǒng)不能正常關(guān)車或故障已經(jīng)超過主控系統(tǒng)關(guān)車設(shè)定閾值時(shí)，安全聯(lián)鎖PLC搶占控制權(quán)限，由PLC控制風(fēng)洞按照關(guān)車時(shí)序完成安全關(guān)車操作。

3)三級(jí)緊急停車功能。若關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠通過硬件電路直接快速切斷氣源，以保證在任何情況下對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行緊急停車操作，保護(hù)風(fēng)洞洞體。

4.2 電接點(diǎn)壓力表的安裝

穩(wěn)定段總壓電接點(diǎn)壓力表、引射集氣室壓力電接點(diǎn)壓力表是針對(duì)風(fēng)洞超壓最高級(jí)別的安全保護(hù)。從理論分析，如果主控系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖PLC兩者沒有同時(shí)故障，壓力是可控的，即不會(huì)出現(xiàn)電接點(diǎn)壓力表超高壓的情況；假如出現(xiàn)壓力超壓不可控的極端情況，必須迅速切斷氣源，避免氣體超壓爆炸對(duì)風(fēng)洞及參試人員造成傷害。因此，電接點(diǎn)壓力表必須可靠，不能有誤動(dòng)作。

考慮到機(jī)械壓力表的特性，易受環(huán)境震動(dòng)干擾。通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在震動(dòng)時(shí)，壓力表容易出現(xiàn)誤動(dòng)作。為避免出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況，一是選用抗震動(dòng)能力較強(qiáng)的壓力表，安裝時(shí)選擇震動(dòng)相對(duì)較弱的位置并且進(jìn)行減震處理；二是將震動(dòng)引起的誤動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行濾波。經(jīng)以上兩步措施，在震動(dòng)最強(qiáng)的工況下，電接點(diǎn)壓力表表現(xiàn)可靠，沒有誤動(dòng)作。

5 系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用情況

5.1 系統(tǒng)功能調(diào)試

在風(fēng)洞進(jìn)行綜合性能調(diào)試之前，聯(lián)鎖系統(tǒng)須具備安全關(guān)車保護(hù)功能，以保證風(fēng)洞能夠安全關(guān)車。因此，必須對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容除對(duì)供電模塊功能、通信功能、PLC輸入輸出功能、迎角機(jī)構(gòu)緊急回零功能、控制臺(tái)功能、吹風(fēng)條件聯(lián)鎖等6個(gè)基本功能進(jìn)行測(cè)試之外，主要對(duì)二級(jí)關(guān)車保護(hù)及三級(jí)緊急停車兩部分功能進(jìn)行了測(cè)試；其中一級(jí)關(guān)車保護(hù)功能由主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，安全聯(lián)鎖只需完成通知提示功能。

5.1.1 二級(jí)安全關(guān)車保護(hù)功能調(diào)試

安全聯(lián)鎖PLC通過調(diào)節(jié)主進(jìn)氣管路、引射進(jìn)氣管路閥門系統(tǒng)控制風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓和引射集氣室壓力，等待風(fēng)洞各運(yùn)行設(shè)備回到安全位置后，完成安全關(guān)車。相比主控系統(tǒng)，PLC的壓力控制精度不需要達(dá)到0.2%，只需達(dá)到0.5%即可；但一旦接管權(quán)限，必須邏輯正確，動(dòng)作可靠。根據(jù)風(fēng)洞不同運(yùn)行工況，匹配歸納出安全聯(lián)鎖二級(jí)關(guān)車方式包括下吹式、總壓負(fù)壓運(yùn)行、開關(guān)車引射、全程引射四種，經(jīng)仿真和帶壓力調(diào)試，各關(guān)車工況壓力控制精度全部?jī)?yōu)于0.5%，時(shí)序正確。

在下吹運(yùn)行工況下，二級(jí)安全關(guān)車壓力曲線和時(shí)序見圖6，當(dāng)PLC接管權(quán)限后，繼續(xù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓至目標(biāo)值，等待風(fēng)洞各運(yùn)行設(shè)備回到安全位置后，關(guān)閉主進(jìn)氣閥門系統(tǒng)。

圖6 下吹運(yùn)行工況二級(jí)關(guān)車壓力曲線和時(shí)序

在穩(wěn)定段總壓為負(fù)壓運(yùn)行工況下，二級(jí)安全關(guān)車壓力曲線和時(shí)序見圖7，當(dāng)PLC接管權(quán)限后，繼續(xù)調(diào)節(jié)引射集氣室壓力至目標(biāo)值，并開啟主進(jìn)氣閥門系統(tǒng)，把穩(wěn)定段總壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)壓力值(稍高于大氣壓)時(shí)，等待風(fēng)洞各運(yùn)行設(shè)備回到安全位置后，同時(shí)關(guān)閉主進(jìn)氣及引射進(jìn)氣閥門系統(tǒng)，以防止穩(wěn)定段總壓為負(fù)壓時(shí)，激波返回時(shí)沖擊載荷對(duì)模型及燒結(jié)絲網(wǎng)造成損害[10]。

圖7 總壓負(fù)壓運(yùn)行工況二級(jí)關(guān)車壓力曲線和時(shí)序

在開關(guān)車引射運(yùn)行、全程引射運(yùn)行工況下，二級(jí)安全關(guān)車壓力曲線和時(shí)序分別見圖8、圖9，當(dāng)PLC接管權(quán)限后，繼續(xù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓至目標(biāo)值，并開啟或調(diào)節(jié)引射進(jìn)氣閥門系統(tǒng)，引射集氣室壓力到達(dá)安全關(guān)車壓力時(shí)，等待風(fēng)洞各運(yùn)行設(shè)備回到安全位置后，首先關(guān)閉主進(jìn)氣管路閥門系統(tǒng)，待穩(wěn)定段總壓降至設(shè)定值時(shí)，立即關(guān)閉引射進(jìn)氣閥門系統(tǒng)，以降低激波返回時(shí)沖擊載荷對(duì)模型及燒結(jié)絲網(wǎng)造成損害。

圖9 全程引射工況二級(jí)關(guān)車壓力曲線和時(shí)序

5.1.2 三級(jí)緊急停車功能測(cè)試

吹風(fēng)過程中，如果穩(wěn)定段總壓、引射集氣室壓力超出電接點(diǎn)壓力表設(shè)定值，為了保證風(fēng)洞洞體的安全，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過硬件電路觸發(fā)進(jìn)行三級(jí)緊急停車操作。三級(jí)緊急停車觸發(fā)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過硬件電路直接關(guān)閉快速閥，同時(shí)硬件電路給調(diào)壓閥和風(fēng)洞關(guān)鍵運(yùn)行設(shè)備發(fā)送回零信號(hào)。

5.2 應(yīng)用情況

通過調(diào)試，聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯正確、功能可靠，聯(lián)鎖系統(tǒng)的大屏顯示界面及計(jì)算機(jī)操作顯示界面見圖10、圖11。

圖10 安全聯(lián)鎖大屏顯示狀態(tài)監(jiān)控圖

圖11 安全聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)操作顯示界面

在后續(xù)的風(fēng)洞綜合性能調(diào)試、流校、標(biāo)模試驗(yàn)及近幾年的型號(hào)試驗(yàn)中，聯(lián)鎖系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮出了其在技術(shù)上的保護(hù)作用，能夠避免設(shè)備不具備條件而啟動(dòng)；當(dāng)風(fēng)洞在運(yùn)行過程中狀態(tài)超出預(yù)設(shè)條件，發(fā)生報(bào)警和故障時(shí)，安全聯(lián)鎖能夠自動(dòng)采取安全保護(hù)措施，完成安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控功能、三級(jí)冗余安全關(guān)車功能，從而保證風(fēng)洞的安全運(yùn)行。

6 結(jié)束語

用PLC為核心的0.6米風(fēng)洞聯(lián)鎖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、研制時(shí)結(jié)合了較為先進(jìn)的控制自動(dòng)化技術(shù)、故障報(bào)警診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，系統(tǒng)保護(hù)功能完備、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、操作簡(jiǎn)單、顯示形象，確保了風(fēng)洞安全運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的目的。