賈召會(huì)，鄭 磊，郁文山，金志偉，宋 元

(1.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引言

風(fēng)洞是航空航天領(lǐng)域極為重要的地面試驗(yàn)設(shè)施，油源系統(tǒng)是風(fēng)洞的動(dòng)力系統(tǒng)，為風(fēng)洞所有閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力，用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞣N高難度狀態(tài)的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和控制，是十分重要的組成部分。文中風(fēng)洞是國(guó)內(nèi)主力生產(chǎn)型風(fēng)洞，控制系統(tǒng)已非常老舊，故障頻發(fā)，另外隨著國(guó)內(nèi)各新型裝備吹風(fēng)試驗(yàn)對(duì)風(fēng)洞的運(yùn)行性能及功能要求進(jìn)一步提高，原控制系統(tǒng)已不能很好地滿足試驗(yàn)需求。尤其是油源控制系統(tǒng)，長(zhǎng)期處于高油高蝕的環(huán)境，各種部件和機(jī)構(gòu)更易老化，而且各種元件、機(jī)構(gòu)和油液大都封閉在殼體和管道內(nèi)，出現(xiàn)故障時(shí)，故障尋找和排除工作都十分耗時(shí)和艱難。因此對(duì)風(fēng)洞油源控制系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)尤為重要，以徹底解決油源控制系統(tǒng)的老化、功能缺陷和器件停產(chǎn)問(wèn)題。

可編程控制器(PLC)專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能可靠穩(wěn)定的完成極其復(fù)雜的控制任務(wù)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。PLC發(fā)展多年，已經(jīng)形成了完整的工業(yè)產(chǎn)品系列，從功能及技術(shù)指標(biāo)等各個(gè)方面，都達(dá)到了成熟的軟硬件水平。本文以風(fēng)洞運(yùn)行安全可靠為前提，基于GE PLC控制，成功研制風(fēng)洞油源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油源啟?？刂啤毫o(wú)極調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，安全可靠、配置靈活、可擴(kuò)展能力強(qiáng)。

1 油源控制系統(tǒng)原理

油源控制系統(tǒng)包括油源控制系統(tǒng)硬件部分、油源控制系統(tǒng)PLC軟件和油源控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件三大部分，其中油源控制系統(tǒng)硬件包括測(cè)控間主站、測(cè)控間從站1、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱等。整個(gè)油源控制系統(tǒng)基于PLC控制，采用主從式可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)，測(cè)控間主站作為整個(gè)系統(tǒng)的主站，測(cè)控間從站、1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均作為從站，主站具有CPU模塊，從站提供與風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口和主站的通迅，各從站之間相互獨(dú)立。測(cè)控間部署有PLC主站和從站1，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱作為5個(gè)從站布置在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)。油源控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞油源控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖1所示，1#～4#油源控制柜的功能模塊包括電機(jī)啟?？刂?、壓力控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全連鎖等，氣密封控制箱的功能模塊包括密封控制、壓力監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警等，1#～4#油源控制柜和氣密封控制箱均通過(guò)Profinet總線與測(cè)控間的PLC主站通信[2-3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)油源狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制；PLC主站通過(guò)Genius總線模塊與風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)中的其他系統(tǒng)通信；PLC主站通過(guò)EGD總線模塊與試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)通信，完成油源啟?？刂?、壓力調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。油源控制系統(tǒng)是軟件與硬件相結(jié)合的綜合體，綜合部署在測(cè)控間和風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞油源系統(tǒng)、氣密封系統(tǒng)的自動(dòng)控制及各類狀態(tài)信息檢測(cè)等功能[4]。

2 油源控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

油源控制系統(tǒng)硬件設(shè)備是整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行載體，主要包括測(cè)控間主站、1#～4#油源控制柜、氣密封控制箱和通訊網(wǎng)絡(luò)搭建等。油源分為4套(1#～4#油源)，每套油源的硬件控制系統(tǒng)分別布置在對(duì)應(yīng)位置的4個(gè)機(jī)柜之中，即1#～4#油源控制柜，同理氣密封控制箱位于氣密封間，各系統(tǒng)均為獨(dú)立的子系統(tǒng)(PLC從站)。

2.1 測(cè)控間PLC主站設(shè)計(jì)

PROFINET由PROFIBUS國(guó)際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)控間主站和風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)的各從站之間使用PROFINET連接，通過(guò)圖形化組態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)通訊配置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置及調(diào)試過(guò)程。EGD以太網(wǎng)模塊，基于UDP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間簡(jiǎn)單、高速、定周期的數(shù)據(jù)通信。GENIUS總線既是I/O總線又是通信網(wǎng)絡(luò)，非常適用于大量I/O處理和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 PLC從站設(shè)計(jì)

PLC從站主要由1#～4油源控制柜和氣密封控制箱組成，1#～4#油源控制柜作為PLC控制系統(tǒng)的從站，功能類似，主要實(shí)現(xiàn)油泵啟停控制、供油壓力調(diào)節(jié)、油源狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能；氣密封控制箱主要實(shí)現(xiàn)各部件氣密封控制、氣密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壓力狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。油源控制柜和氣密封控制箱硬件組成類似，主要包括Profinet總線模塊、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊、背板電源模塊、開(kāi)關(guān)電源、線性電源等。以1#油源控制柜為例，控制柜硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 1#油源控制柜硬件設(shè)計(jì)框圖

如圖2所示，Profinet總線模塊用以實(shí)現(xiàn)和測(cè)控間PLC主站的通訊，接受主站的指令和輸送數(shù)據(jù)。DI模塊、DO模塊、AI模塊和AO模塊提供了從站與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口，屬于主站CPU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的橋梁，此外，每個(gè)油源控制柜均安裝有觸摸屏(HMI人機(jī)界面)，用戶可以進(jìn)行本地控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程/本地控制兩種控制方式。氣密封控制箱硬件設(shè)計(jì)原理與此一致，DI模塊主要接收的信號(hào)有供電狀態(tài)、門密封狀態(tài)、試驗(yàn)段密封狀態(tài)和二元段密封狀態(tài)等，DO模塊輸出門密封控制指令、試驗(yàn)段密封控制指令、二元段密封控制指令，以及異常故障報(bào)警等。

油源控制柜內(nèi)電氣、線路設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 控制柜內(nèi)電氣、線路設(shè)計(jì)方案

油源控制柜中主要有6種電纜，分別為380 V交流電源線、220 V交流電源線、profinet光纖、以太網(wǎng)線、24 V開(kāi)關(guān)電源線、24 V線性電源線和信號(hào)屏蔽線，1#油源控制柜與外部電纜連接包括1#配電柜、高壓低壓循環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓力表、人機(jī)界面、比例溢流閥等。1#～4#油源控制柜中資源配置和電氣設(shè)計(jì)類似，不做贅述。油源控制柜設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)每個(gè)IO模塊的資源通道進(jìn)行配置，主要包括分配地址、PLC程序中對(duì)應(yīng)變量名，以及通道物理含義等，資源通道配置完畢后方可進(jìn)行PLC軟件設(shè)計(jì)。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)搭建

油源控制系統(tǒng)具有通信設(shè)備數(shù)量多、通信方式種類多(觸摸屏采用以太網(wǎng)、Genius，PLC主站與從站采用Profinet)的特點(diǎn)，且油源現(xiàn)場(chǎng)距測(cè)控間距離較遠(yuǎn)(線纜敷設(shè)長(zhǎng)度最長(zhǎng)近百米)，如采用純網(wǎng)絡(luò)電纜敷設(shè)的方式極易出現(xiàn)信號(hào)傳輸干擾的問(wèn)題。且Profinet總線協(xié)議[5]與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)總線協(xié)議兼容性較差，如將使用同一網(wǎng)絡(luò)傳輸上述兩種總線協(xié)議信息，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞及設(shè)備掉線的情況。為保證系統(tǒng)各設(shè)備間通信穩(wěn)定、可靠，油源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用光纖環(huán)網(wǎng)(通過(guò)Profinet總線協(xié)議傳輸控制指令及油源狀態(tài)信息)+星型網(wǎng)絡(luò)(通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議完成觸摸屏、PLC主站CPU、試驗(yàn)管理運(yùn)行計(jì)算機(jī)間通信[4])相結(jié)合的方式搭建。使Profinet總線通信網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)隔離，保證油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠。油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)圖如圖4所示。

此次論壇的宗旨是：以引導(dǎo)和促進(jìn)燕麥?zhǔn)w麥青年工作者積極投身科技創(chuàng)新，提高自身科技水平和素養(yǎng)為目標(biāo)，以“綠色產(chǎn)業(yè)與鄉(xiāng)村振興”為主題，圍繞種質(zhì)資源、遺傳育種、栽培生理、植物保護(hù)、食品加工、旅游開(kāi)發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展學(xué)術(shù)交流，助推燕麥?zhǔn)w麥青年科技創(chuàng)新工作又好又快地發(fā)展。

圖4 油源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)圖

2.4 油液溫度監(jiān)控和供電壓力控制

為實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)功能，在1#～4#油源控制柜各安裝一只久貿(mào)電流輸出型(4 mA～20 mA)902120/10-402型溫度變送器完成溫度采集。溫度變送器使用油源控制柜內(nèi)配置的24 V線性電源供電，輸出信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜接至控制柜內(nèi)AI模塊接線端。系統(tǒng)內(nèi)其余壓力、液位傳感器采用同樣方式接入系統(tǒng)中。油源系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)同時(shí)具備本地和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，故溫度傳感器信號(hào)由AI模塊采集并數(shù)字化，然后采用在油箱顯示面板去安裝雙指針型圓盤(pán)形溫度表實(shí)現(xiàn)溫度本地顯示功能，采用油源系統(tǒng)控制柜內(nèi)的觸摸屏軟件及測(cè)控間實(shí)驗(yàn)運(yùn)行管理及上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

油源系統(tǒng)調(diào)壓采用電控比例溢流閥完成，按輸入電信號(hào)連續(xù)、按比例控制液壓系統(tǒng)液流量，以避免存在“升壓/卸荷”過(guò)程沖擊較大的缺點(diǎn)，保證油源“升壓/卸荷”的無(wú)級(jí)精確調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)選用力士樂(lè)DBEME20-7X/315XYG24K31A1M型電控比例溢流閥作為調(diào)壓核心部件。

2.5 系統(tǒng)供電

油源控制系統(tǒng)外部供電電源包括：測(cè)控間電源屏(220 VAC)及油源現(xiàn)場(chǎng)配電柜電源(380 VAC)，其中測(cè)控間電源屏提供的電源為220 VAC不間斷電源。為避免油源控制系統(tǒng)各控制柜(箱)中PLC設(shè)備意外掉電，采用測(cè)控間電源屏提供的220 VAC不間斷電源為PLC主站及各從站供電。各控制柜中其他設(shè)備采用風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)配電柜供電，油源風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)配電柜僅提供380 VAC電源，控制柜中控制電源由380 VAC轉(zhuǎn)220 VAC隔離變壓器(施耐德ABL6TS25U)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后提供。圖5所示為系統(tǒng)供電方案原理框圖。

3 油源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

油源控制系統(tǒng)軟件包括基于LabView的上位機(jī)軟件、PLC軟件及HMI軟件。主要功能為結(jié)合PLC等相關(guān)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)油源機(jī)泵組的啟?？刂?、壓力調(diào)節(jié)控制、油液冷卻控制，同時(shí)完成對(duì)液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表曲線顯示等功能。具體軟件功能如下：

1)本地/遠(yuǎn)程切換、電機(jī)狀態(tài)、油液液位、油液溫度、油液壓力、過(guò)濾器阻塞發(fā)訊器等狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

2)根據(jù)本地/遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)油源系統(tǒng)控制的本地與遠(yuǎn)程切換功能，方便系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)；

3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟啟動(dòng)器的輸出狀態(tài)、油泵泵狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息和信號(hào)通知相關(guān)人員處理故障，并采取相應(yīng)的操作；

4)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油源系統(tǒng)的溫度和液位，當(dāng)出現(xiàn)溫度過(guò)高時(shí)啟動(dòng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可對(duì)油源的溫度進(jìn)行冷卻處理，當(dāng)出現(xiàn)液位過(guò)低時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，出現(xiàn)非常低時(shí)可停泵關(guān)閥，保證系統(tǒng)的安全；

5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油源的壓力和過(guò)濾器狀態(tài)，當(dāng)油源壓力超出設(shè)定的正常值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知相關(guān)人員及時(shí)處理故障，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)濾器阻塞狀態(tài)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通知相關(guān)人員應(yīng)及時(shí)更換新的過(guò)濾器；

6)油源系統(tǒng)主要控制的對(duì)象有比例溢流閥、報(bào)警燈、氣閥、輸出至連鎖系統(tǒng)的本系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)；

7)根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉信號(hào)實(shí)現(xiàn)油泵的啟動(dòng)和停止動(dòng)作；

8)根據(jù)設(shè)定的油源工作壓力值來(lái)調(diào)節(jié)比例溢流閥以達(dá)到預(yù)定的油壓值；

9)根據(jù)相應(yīng)的報(bào)警狀態(tài)啟動(dòng)報(bào)警燈通知操作員系統(tǒng)產(chǎn)生了故障；

10)根據(jù)每個(gè)油源子系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出至報(bào)警系統(tǒng)。

3.1 PLC軟件

系統(tǒng)PLC軟件包括PLC主站控制程序、1#～4#油源PLC控制軟件和密封系統(tǒng)PLC控制軟件。設(shè)計(jì)者采用并行化、模塊化的軟件開(kāi)發(fā)思路完成PLC軟件開(kāi)發(fā)，以保證PLC軟件高效穩(wěn)定運(yùn)行[6]。下面以1#油源為例簡(jiǎn)述PLC控制軟件的設(shè)計(jì)思路。

1#油源控制對(duì)象包括：1#電機(jī)、2#電機(jī)、3#電機(jī)、溫控泵、電磁水閥、比例溢流閥等。1#油源監(jiān)測(cè)對(duì)象包括：1#油泵油壓、2#油泵油壓、3#油泵油壓、油液液位、油液溫度等。結(jié)合風(fēng)洞運(yùn)行模式綜合考慮，有操作臺(tái)遠(yuǎn)程、上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程和觸摸屏軟件本地控制3種控制方式，每種控制方式下又對(duì)應(yīng)多種運(yùn)行模式，比如，1#油源啟動(dòng)(停止)可分為：?jiǎn)闻_(tái)電機(jī)啟動(dòng)、升壓、停止單獨(dú)控制和單臺(tái)電機(jī)或2臺(tái)電機(jī)(1#和2#、1#和3#)1鍵啟動(dòng)并升壓(降壓并停止)兩種方式。最終1#油源運(yùn)行、控制模式多達(dá)38種，每種模式對(duì)應(yīng)一套控制工藝流程。下面以1#油源1#電機(jī)啟動(dòng)控制為例，對(duì)相應(yīng)的控制工藝流程進(jìn)行描述。篇幅有限，其部分PLC控制軟件不再進(jìn)行贅述。

1#油源1#電機(jī)單獨(dú)啟動(dòng)操作方式為：1#油源控制柜切換至遠(yuǎn)程模式，點(diǎn)擊觸摸屏軟件中的啟動(dòng)1#電機(jī)按鈕。因循環(huán)泵及電磁水閥控制較為簡(jiǎn)單，無(wú)需單獨(dú)配置控制工藝流程，故將其與1#電機(jī)啟動(dòng)控制工藝流程合并，1#油源2#電機(jī)、1#油源3#電機(jī)單獨(dú)啟動(dòng)控制工藝流程與1#油源1#電機(jī)相同。其他如1鍵啟動(dòng)并升壓等，不做贅述。

圖5 油源控制系統(tǒng)供電方案原理框圖

圖6 1#油源1#電機(jī)啟動(dòng)控制工藝流程

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用LabView2015軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，通過(guò)LabView軟件附帶的DSC軟件模塊建立OPC服務(wù)器并綁定PLC中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通訊。上位機(jī)功能主要包含操作與顯示畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置與存儲(chǔ)、參數(shù)狀態(tài)顯現(xiàn)，歷史數(shù)據(jù)記錄，實(shí)時(shí)報(bào)警功能等內(nèi)容。

1)系統(tǒng)權(quán)限管理：設(shè)置賬戶和密碼，分別實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)修改的的操作管理權(quán)限。

2)操作與顯示畫(huà)面：以現(xiàn)場(chǎng)油源使用方式為模版，設(shè)計(jì)等效的結(jié)構(gòu)布局和動(dòng)作運(yùn)行過(guò)程顯示畫(huà)面，參數(shù)狀態(tài)、數(shù)值和動(dòng)作過(guò)程與畫(huà)面相應(yīng)機(jī)構(gòu)信號(hào)關(guān)聯(lián)，直觀形象的顯示現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)注對(duì)象和運(yùn)行過(guò)程。根據(jù)每種對(duì)象的動(dòng)作控制在畫(huà)面上設(shè)置相應(yīng)的操作按鈕，之間關(guān)聯(lián)下位機(jī)PLC程序中的動(dòng)作控制。

3)參數(shù)設(shè)置與存儲(chǔ)：包含油源控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行指令、輔助參數(shù)等的設(shè)置功能，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)在本地上位機(jī)和下位PLC內(nèi)部的雙重存儲(chǔ)；

4)歷史數(shù)據(jù)記錄：油源控制系統(tǒng)的控制指令參數(shù)、監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)、控制輔助參數(shù)、運(yùn)行畫(huà)面參數(shù)等記錄到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；

5)實(shí)時(shí)報(bào)警功能：實(shí)時(shí)顯示油源控制系統(tǒng)下位PLC發(fā)送來(lái)的報(bào)警信號(hào)。

本系統(tǒng)所研制的上位機(jī)軟件操作界面圖如圖7所示(以1#油源為例)。

圖7 上位機(jī)操作界面-1#油源

4 結(jié)束語(yǔ)

采用GE PLC作為油源控制系統(tǒng)的控制模塊，同時(shí)采用LabView2015軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)洞油源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞油源系統(tǒng)的機(jī)泵組啟停控制、油壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、油液冷卻控制、油源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、本地/遠(yuǎn)程控制等功能。該控制系統(tǒng)已投入使用，運(yùn)行可靠，安全性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，完全能夠滿足在風(fēng)洞油源控制中的應(yīng)用需求。