王曉宇 周易 高楊

摘要：射流預(yù)冷技術(shù)是改善航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高空高速高性能的技術(shù)之一，該技術(shù)已經(jīng)在航空領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用。為滿足射流預(yù)冷技術(shù)的試驗(yàn)需求，開(kāi)展射流預(yù)冷技關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了地面驗(yàn)證用射流預(yù)冷試驗(yàn)器，其中，使用可編程邏輯控制器（PLC）設(shè)計(jì)射流預(yù)冷試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)。為了提高控制系統(tǒng)的效率，便于后期維護(hù)和使用，本文提出了一種結(jié)構(gòu)化編程的方法，應(yīng)用在射流預(yù)冷試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)中。

Abstract： Jet precool is one of the technologies which improving the property of aerojet engine ，and it has been widely used in aviation .To meet the test requirements，using the PLC to design the control system. In order to improve the control system efficiency，convenient for later maintenance and use ，the paper proposes a structured programming method ，and uses it in the control system of the jet precooling tester.

關(guān)鍵詞：射流預(yù)冷;控制系統(tǒng);PLC;結(jié)構(gòu)化

Key words： jet precool;control system;PLC;structured

中圖分類(lèi)號(hào)：V241.06????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0232-02

0? 引言

近些年，國(guó)內(nèi)航空工業(yè)領(lǐng)域研究的射流預(yù)冷技術(shù)是指在常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口前加裝射流預(yù)冷試驗(yàn)器，管道中的來(lái)流氣體經(jīng)過(guò)射流預(yù)冷試驗(yàn)器后，與冷卻介質(zhì)相互摻混，通過(guò)介質(zhì)的蒸發(fā)，進(jìn)而冷卻管道內(nèi)的高溫氣流，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口前的氣流溫度滿足常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣要求，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在高馬赫數(shù)下工作，擴(kuò)大了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包線1-3。

射流預(yù)冷試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)作為“神經(jīng)系統(tǒng)”貫穿始終，使用西門(mén)子公司的可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并采用結(jié)構(gòu)化的編程方法來(lái)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。射流預(yù)冷試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)是該試驗(yàn)器的重要組成部分，可以實(shí)時(shí)收集各種傳感器反饋信號(hào)，對(duì)水泵、閥門(mén)、水箱電加熱器等設(shè)備進(jìn)行控制和匹配調(diào)節(jié)，確保試驗(yàn)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在給定工作狀態(tài)下完成試驗(yàn)任務(wù)。控制系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，使試驗(yàn)器高效運(yùn)行，提高試驗(yàn)器的安全性和可靠性。為了完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要滿足以下需求：

①試驗(yàn)器安全穩(wěn)定運(yùn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)器控制不當(dāng)容易導(dǎo)致設(shè)備的故障、損壞，影響試驗(yàn)成果，因此控制系統(tǒng)的安全性很重要。

②正確的故障處理方式。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備難免出現(xiàn)故障，在出現(xiàn)故障后能及時(shí)反饋給試驗(yàn)操作人員，以便及時(shí)做故障處理工作，防止耽誤試驗(yàn)進(jìn)程。

③合理的參數(shù)反饋與給定設(shè)置。試驗(yàn)過(guò)程中需要時(shí)刻關(guān)注各個(gè)傳感器的反饋數(shù)值和各個(gè)執(zhí)行器的運(yùn)行反饋狀態(tài)。靈活設(shè)置泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度等參數(shù)來(lái)保證射流預(yù)冷試驗(yàn)器滿足試驗(yàn)的需要。

1? 現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)

目前在航空工業(yè)的地面試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常用線性化編程思想，特點(diǎn)是新手易學(xué)，但是重復(fù)性工作多，效率較低。對(duì)于控制邏輯相同的不同設(shè)備，需要多次重復(fù)編寫(xiě)相同的控制程序，浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且會(huì)造成程序冗長(zhǎng)，影響PLC運(yùn)行速度，不便于程序的后期維護(hù)與升級(jí)改造。

2? 結(jié)構(gòu)化編程思想

利用PLC的結(jié)構(gòu)化編程思想，將射流預(yù)冷試驗(yàn)器中一些常用的控制邏輯編寫(xiě)為通用的功能模塊，在控制程序的編寫(xiě)過(guò)程中根據(jù)需要調(diào)用預(yù)先編寫(xiě)好的功能模塊，通過(guò)設(shè)置不同的控制變量地址，實(shí)現(xiàn)各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的控制。

結(jié)構(gòu)化編程的優(yōu)點(diǎn)有：

①邏輯清晰，程序結(jié)構(gòu)層次分明，對(duì)于控制邏輯相同的不同設(shè)備，例如射流預(yù)冷試驗(yàn)器中的多個(gè)閥門(mén)控制，不需重復(fù)編寫(xiě)控制程序，只需多次調(diào)用功能模塊即可;

②便于后期維護(hù)，控制邏輯需要更改時(shí)，線性化程序中需要對(duì)每一個(gè)程序段進(jìn)行更改，結(jié)構(gòu)化程序中只需更改功能模塊的內(nèi)容，調(diào)用處不需更改;

③可以建立功能模塊庫(kù)，將現(xiàn)有的功能模塊轉(zhuǎn)用于未來(lái)其他試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，并在設(shè)計(jì)工作中不斷補(bǔ)充完善。

3? 結(jié)構(gòu)化編程的應(yīng)用

本文根據(jù)射流預(yù)冷試驗(yàn)器的需求，提出五種常用功能塊應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。分別是急?？刂颇K、報(bào)警與消音控制模塊、故障檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊（延時(shí)）、設(shè)備啟?？刂颇K。功能模塊中的語(yǔ)句使用接口變量進(jìn)行編寫(xiě)，程序中無(wú)實(shí)際的變量地址。在模塊被調(diào)用處用實(shí)際變量的地址為接口變量賦值，從而實(shí)現(xiàn)功能模塊對(duì)實(shí)際變量的控制。

3.1 急?？刂颇K

急?？刂颇K的控制功能一般應(yīng)用在射流預(yù)冷試驗(yàn)器水系統(tǒng)的水泵和主要調(diào)節(jié)閥門(mén)上。當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中遇到緊急狀況需要采取應(yīng)急措施時(shí)，可以利用人機(jī)界面以及操作臺(tái)上的實(shí)體按鈕，實(shí)現(xiàn)急停信號(hào)的發(fā)生與復(fù)位，一般有“本地”和“遠(yuǎn)程”兩個(gè)操作地點(diǎn)，“急?！毙盘?hào)分為“即時(shí)急?！焙汀把訒r(shí)急停”。“急?！毙盘?hào)可不分控制地點(diǎn)隨時(shí)發(fā)出，“復(fù)位”信號(hào)需要在對(duì)應(yīng)的控制地點(diǎn)才能發(fā)出。急?？刂颇K的梯形圖如圖1所示。

3.2 報(bào)警與消音控制模塊

報(bào)警與消音控制模塊一般用于試驗(yàn)操作臺(tái)的報(bào)警蜂鳴器、報(bào)警消音燈的控制。當(dāng)射流預(yù)冷試驗(yàn)器在試驗(yàn)過(guò)程中，某個(gè)部件或執(zhí)行器出現(xiàn)故障，必須發(fā)出報(bào)警提示現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員，參試人員根據(jù)報(bào)警查看發(fā)生故障的部位，確定是繼續(xù)試驗(yàn)或是暫停試驗(yàn)排故。若故障不影響試驗(yàn)進(jìn)行，便可按下試驗(yàn)臺(tái)上的報(bào)警消音按鈕，略過(guò)此報(bào)警，繼續(xù)試驗(yàn)。

3.3 故障檢測(cè)模塊

故障檢測(cè)模塊用于射流預(yù)冷試驗(yàn)器設(shè)備故障信號(hào)的檢測(cè)與保持，可用“復(fù)位”信號(hào)消除。但是有些設(shè)備比較容易誤觸發(fā)故障信號(hào)，通過(guò)加入延時(shí)定時(shí)器過(guò)濾掉誤觸發(fā)的信號(hào)，由于加入了延時(shí)定時(shí)器，故障信號(hào)需要發(fā)生并保持一定時(shí)間才能觸發(fā)故障響應(yīng)。例如射流預(yù)冷試驗(yàn)器中的一些閥門(mén)遇到強(qiáng)電干擾會(huì)誤報(bào)故障信號(hào)，這時(shí)就可以使用故障檢測(cè)延時(shí)模塊。故障檢測(cè)模塊（延時(shí)）梯形圖如圖2所示。

3.4 設(shè)備啟?？刂颇K

設(shè)備啟停控制模塊可以用于射流預(yù)冷試驗(yàn)器水系統(tǒng)泵電機(jī)的合閘/分閘操作和啟動(dòng)/停止操作，可以調(diào)用兩次該模塊實(shí)現(xiàn)。也可用在水系統(tǒng)變頻水泵的本地/遠(yuǎn)程控制地點(diǎn)切換、自動(dòng)/手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ角袚Q等。

這個(gè)模塊的功能可以利用人機(jī)界面或設(shè)備的實(shí)體按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)/停止控制、狀態(tài)點(diǎn)的置位/復(fù)位操作，利用設(shè)備的運(yùn)行反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的自鎖，有“本地”和“遠(yuǎn)程”兩個(gè)控制地點(diǎn)。設(shè)備啟?？刂颇K的梯形圖如圖3所示。

4? 結(jié)構(gòu)化編程的效果

以射流預(yù)冷試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)程序?yàn)槔?，?duì)比結(jié)構(gòu)化編程與線性化編程的不同效果。

結(jié)構(gòu)化編程共計(jì)54個(gè)程序段，使用了上述的5個(gè)功能模塊，共計(jì)被調(diào)用12次。其中，設(shè)備啟?？刂颇K調(diào)用次數(shù)最多，為5次。

在程序調(diào)試過(guò)程中，若需修改設(shè)備啟?？刂七壿?，在結(jié)構(gòu)化編程中只需對(duì)設(shè)備啟?？刂颇K進(jìn)行1次修改，而線性化編程則需要對(duì)5處邏輯相同的程序段進(jìn)行重復(fù)性的修改。結(jié)構(gòu)化編程相對(duì)于線性化編程，在實(shí)際的工程應(yīng)用中有更高的效率。

假如需要編寫(xiě)另一個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的控制程序時(shí)，結(jié)構(gòu)化編程可以直接復(fù)制功能模塊庫(kù)并調(diào)用，只需為模塊內(nèi)的接口變量賦值即可。而線性化編程需要對(duì)程序段進(jìn)行復(fù)制，并對(duì)程序內(nèi)的所有變量進(jìn)行重新賦值，有大量的重復(fù)性工作，且容易出現(xiàn)錯(cuò)漏。結(jié)構(gòu)化編程相對(duì)于線性化編程，在實(shí)際的工程應(yīng)用中有更低的錯(cuò)誤率。

5? 結(jié)論與展望

實(shí)際上，在PLC的工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)化編程和功能模塊庫(kù)的概念很常見(jiàn)，但是在航空工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，此方法并未大規(guī)模使用。本文以射流預(yù)冷試驗(yàn)器為例，將結(jié)構(gòu)化編程思想應(yīng)用在該試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，取得了良好的效果。因此在航空工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)中推廣結(jié)構(gòu)化編程思想是很有必要的，并且本文提出的5個(gè)模塊是在實(shí)際的工程實(shí)踐中總結(jié)、優(yōu)化而產(chǎn)生的，考慮了不同場(chǎng)景、不同設(shè)備和不同控制目的的兼容性問(wèn)題，具有一定的通用性，能為設(shè)計(jì)人員提升效率，降低錯(cuò)誤率，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和后期維護(hù)。

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