王曉宇 陶國云 周易 高楊

摘要：航空發(fā)動機地面試車臺的高溫高壓進排氣管路系統(tǒng)為試驗件提供一定溫度、壓力的工藝氣體，保證試驗件入口氣流的性能參數(shù)能滿足試驗件不同試驗狀態(tài)的需要?；谖鏖T子公司的PLC和WinCC產(chǎn)品，設計了一套遠程控制系統(tǒng)并在實際工作中得到了應用。該控制系統(tǒng)作為“神經(jīng)系統(tǒng)”貫穿于進排氣管路系統(tǒng)始終，通過對各監(jiān)控點信號的采集分析和對調節(jié)閥門的實時控制，實現(xiàn)進排氣管路系統(tǒng)各參數(shù)的監(jiān)控以及進排氣流量、壓力和溫度的調節(jié)。

關鍵詞：進排氣管路系統(tǒng);PLC;WinCC;控制系統(tǒng)

1 引言

本文所提到的航空發(fā)動機地面試車臺或部件試驗器的進排氣系統(tǒng)是通過管路系統(tǒng)供氣的方式為發(fā)動機或試驗件提供一定溫度、壓力的壓縮氣體，用來模擬發(fā)動機在不同狀態(tài)時的工作環(huán)境。為了保證試驗的有效性，對進排氣管路系統(tǒng)的供氣溫度、流量、壓力以及各個閥門的隨動能力都提出了非常嚴苛的要求[1-2]。

本文針對高溫高壓進排氣管路系統(tǒng)設計了一套基于西門子PLC-WinCC的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使用可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心進行控制系統(tǒng)的下位機控制設計，使用視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）設計人機交互界面作為上位機控制。

2 高溫高壓進排氣管路結構

進排氣管路系統(tǒng)是由氣源供氣調節(jié)系統(tǒng)、進氣流量調節(jié)系統(tǒng)、進氣壓力調節(jié)系統(tǒng)、氣體加溫系統(tǒng)、發(fā)動機進氣調壓系統(tǒng)等組成，依次實現(xiàn)進氣壓力、流量調節(jié)，管路氣體溫度、壓力調節(jié)，整流穩(wěn)壓，參數(shù)監(jiān)控等功能。高溫高壓進排氣管路結構如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)技術要求

供氣壓力采用同時調節(jié)軸流閥前壓力和穩(wěn)壓箱出口壓力的調節(jié)方案，即采取主路截流，旁路放氣的方法。試驗中，在保持旁路前的主氣路上已調好溫度的空氣總質量不變的情況下，使混合氣出口的總供氣量不受發(fā)動機試驗件狀態(tài)改變的影響，保持發(fā)動機試驗件進口恒定的模擬壓力穩(wěn)定和確保發(fā)動機試驗件在不同工作下所需要的空氣流量。供氣溫度由進氣加溫裝置調節(jié)，根據(jù)試驗所需氣體的溫度計算出所需投放的功率，調節(jié)進氣加溫裝置給氣體加溫[3]。

該系統(tǒng)由許多非線性設備組成，在溫度、壓力的調節(jié)與控制中相互干擾影響的因素較多，遵循以下兩個調節(jié)原則：

1）盡可能地將參加調節(jié)的非線性設備固定為常數(shù);

2）各氣壓容腔單一控制調節(jié)，以減少各系統(tǒng)的相互干擾對調節(jié)所帶來的影響。

為實現(xiàn)進排氣管路控制系統(tǒng)的功能，概要控制要求為：

（1）控制系統(tǒng)采用上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行操作，通過對進排氣系統(tǒng)各設備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)的調節(jié)與控制;

（2）當發(fā)生超溫、超壓等異常情況時，產(chǎn)生報警提示，具有自保護功能。

4 控制系統(tǒng)設計

進排氣控制系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

4.1 PLC選型

PLC是進排氣控制系統(tǒng)的核心，在選擇PLC時，應重點考慮CPU的性能、指令系統(tǒng)的可靠性和安全性、輸入/輸出點數(shù)、物理結構的類型等。經(jīng)過對比，選擇了西門子公司的S7-300作為控制核心。這款PLC運行速度快、抗干擾能力強、可操作性好，能夠滿足進排氣控制系統(tǒng)的設計要求。PLC選型列表如表1所示。

4.2 系統(tǒng)軟件設計

4.2.1 模塊化編程思想

模塊化編程思想是將PLC控制程序根據(jù)控制功能劃分為不同的功能塊來實現(xiàn)，不同于以往線性化編程，每個功能塊之間相互獨立，這樣不僅可降低編程的工作量，而且可以提高程序的效率。此外，采用模塊化思想編程可將控制系統(tǒng)劃分為不同層級結構的程序，可根據(jù)需要直接調用相關的功能塊，進而縮短控制系統(tǒng)的響應時間;可根據(jù)用戶的需求對不同的功能塊進行適應性修改和調試，提高控制系統(tǒng)的可維護性;通過對控制程序的模塊化結構設計，克服了傳統(tǒng)線性化編程方法中對所有程序全部循環(huán)掃描的弊端，減少調用程序的冗余，提高了CPU的利用率。

4.2.2 軟件程序設計

根據(jù)模塊化編程思想，設計了設備啟停控制模塊、報警與消音控制模塊、急停控制模塊和故障檢測模塊。

設備啟停控制模塊一般運用在電機、泵和閥門等設備的啟動停止控制當中，可以選擇控制地點是本地控制還是遠程控制，給予啟停指令的同時可以反饋設備當前運行狀態(tài)，接收到“急?！毙盘枙r可以使正在運行的設備停止運行。

報警與消音控制模塊一般用于指示現(xiàn)場傳感器反饋的模擬量發(fā)生了超限現(xiàn)象。進排氣管路系統(tǒng)設計的管路壓力上限為1MPa，排氣塔能承受的溫度上限是380℃，管路流量上限是120kg/s 。當壓力、溫度、流量超過進排氣系統(tǒng)設計的限值時，報警與消音控制模塊會給出報警信號，以便現(xiàn)場工作人員采取相應的解決措施。該模塊也具有報警信號復位與報警蜂鳴器消音功能，嚴重故障會直接觸發(fā)急停功能。

急?？刂颇K在發(fā)生緊急狀況需要停止試驗時使用，急停信號可以分為即時和延時兩種，控制地點也有本地急停信號和遠程急停信號之分，同時提供急停復位信號來消除急停指示。

故障檢測模塊一般用于現(xiàn)場執(zhí)行器的故障讀取與反饋，分為即時和延時兩種。部分閥門會出現(xiàn)受到干擾而誤報故障的情況，這時根據(jù)故障來源的不同選擇延時故障報警功能。故障反饋信號可以起到一定的提示作用，對試驗件的安全運行提供了保障。

4.2.3 上位機人機界面設計

上位機人機界面使用西門子公司的WinCC軟件，主要功能可以從PLC和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集卡等設備中實時采集試驗數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令并監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運行。使用S7協(xié)議中的工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）與下位機通訊連接。

人機界面上包括了進排氣管路的布局和氣路走向、閥門的位置和工作狀態(tài)、現(xiàn)場傳感器的數(shù)值反饋、一些數(shù)值設定輸入框、批處理快捷鍵、故障報警顯示等，具體畫面如圖3所示?？梢怨┰囼灢僮魅藛T遠程操作各個執(zhí)行器，并且讀取試驗相關的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并且能夠及時獲取試驗過程中產(chǎn)生的故障報警信號。

5 結束語

本文介紹了高溫高壓進排氣管路的布局與其控制系統(tǒng)設計，從硬件部分PLC模塊的組態(tài)到軟件部分的上位機與下位機的程序編寫都給出了詳細的設計。目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)運用到了實際的科研試驗中，使用方便高效，運行情況良好，達到了設計目的。

參考文獻：

[1] 張松，郭迎清，侯敏杰，等.復合控制技術在高空臺進排氣調壓系統(tǒng)中的技術研究[J].測控技術，2009，28（11）：29-33.

[2] 喬彥平，黃單.基于遺傳算法的高空臺進排氣控制仿真研究[J].測控技術，2012，31（6）：83-86.

[3] 趙涌，侯敏杰，黃振南，等.航空發(fā)動機高空模擬試驗進氣壓力復合控制研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2010，23（1）：37-41.

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