陳 巍,謝武俊,閔立武,李 翔,田紫鋒

(1.航宇救生裝備有限公司,湖北 襄陽 430000;2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

低壓艙迅速減壓艙主要用于模擬高空飛行時(shí)座艙失壓導(dǎo)致的壓力快速變化和模擬飛機(jī)乘員高空出艙時(shí)面臨的瞬時(shí)自增壓座艙至稀薄大氣環(huán)境狀態(tài)和出艙后下落至地面過程中的稀薄大氣至濃密大氣環(huán)境狀態(tài)[1-3]。低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的設(shè)備包括真空系統(tǒng)、管道閥門、低壓艙、負(fù)壓艙、物理參數(shù)采集裝置和快速減壓機(jī)構(gòu)等,主要用于低壓艙的迅速減壓試驗(yàn)。真空系統(tǒng)為了滿足低壓艙的極端真空度和高度變化率的要求,并確保更好的效率和經(jīng)濟(jì)性,使用真空系統(tǒng)來獲得測試所需的真空度。真空系統(tǒng)由負(fù)壓艙和真空泵單元組成,分別滿足迅速減壓時(shí)間和壓力的要求。

針對低壓艙迅速減壓艙的功能要求,對低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制部分進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。其中:在試驗(yàn)艙內(nèi)的高度上升速率精確控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)、重點(diǎn)。真空系統(tǒng)管路控制試驗(yàn)艙模擬當(dāng)?shù)睾０沃?0000米高空壓力環(huán)境,高度變化速度的控制采用管路中設(shè)置調(diào)節(jié)閥及真空泵變頻控制的方式實(shí)現(xiàn)高度變化速率。圖1為低壓艙和負(fù)壓艙實(shí)物圖。

圖1 低壓艙和負(fù)壓艙

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

艙內(nèi)設(shè)備組成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的核心控制器為西門子公司CPU為S7-1500和S7-1200 PLC,其運(yùn)行穩(wěn)定,能在極其惡劣的環(huán)境中正常工作,屬于自動(dòng)化裝備的頂尖設(shè)備;上位機(jī)軟件采用的是LabView,是NI公司集生產(chǎn)自動(dòng)化、測試和過程自動(dòng)化于一體,實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合,并大量應(yīng)用于各種輕、重工業(yè)領(lǐng)域;采用DSC模塊將PLC的控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過OPC協(xié)議傳輸?shù)絆PC Client,在利用LabView調(diào)用PLC儲(chǔ)存與OPC Client中的控制點(diǎn)位,相應(yīng)時(shí)間小于0.5 s,實(shí)現(xiàn)PLC與LabView之間的數(shù)據(jù)通信,從而達(dá)到兩個(gè)客戶端之間的數(shù)據(jù)互通和調(diào)用[4-6]。

圖2 設(shè)備組成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制設(shè)備采用SIMATIC S7-1500 PLC為核心,S7-1200 PLC為輔的集散控制系統(tǒng)(DCS),圖3為S7-1500和S7-1200控制器。按照“集中監(jiān)測、分散控制”的原則,由操作站和控制站組成工業(yè)級控制網(wǎng)絡(luò),對真空設(shè)備等進(jìn)行集中監(jiān)控,具備完善的過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測及報(bào)警等功能。系統(tǒng)按照試驗(yàn)要求,完成壓力的監(jiān)測與控制,從而達(dá)到試驗(yàn)所需求的環(huán)境,完成試驗(yàn)。控制設(shè)備的傳感器包括壓力、溫度等,控制的設(shè)備包括真空機(jī)組、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等。操作人員可通過計(jì)算機(jī)發(fā)布控制指令,使設(shè)備按設(shè)定程序運(yùn)行。

圖3 控制核心PLC設(shè)備

圖3(a)為SIMATIC S7-1500 PLC,除了1500的核心CPU外,還包含了模擬量輸入輸出模塊,數(shù)字量輸入輸出模塊,RS-485通訊模塊以及數(shù)字IO模塊等控制模塊,主要對迅速減壓系統(tǒng)中高精度傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控,對真空機(jī)組、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等主要設(shè)備進(jìn)行控制,以相應(yīng)的技術(shù)要求,使得迅速減壓系統(tǒng)自動(dòng)化程度和控制精度高;圖3(b)為SIMATIC S7-1200 PLC,其主要功能主要是對快開爆破機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)控制,包含快速爆破門、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。

為實(shí)現(xiàn)迅速減壓試驗(yàn)的高精度下的數(shù)據(jù)采集,測試設(shè)備采用NI公司的C系列多功能高速模塊,傳感器信號(hào)的采集采用NI 9203高精度數(shù)采模塊,其中NI 9203共有8個(gè)模擬量采集通道,其采樣率高達(dá)200 ks/s,分辨率為16位,為電流型模擬量采集卡。壓力變送器的信號(hào)經(jīng)板卡高速采集后送入工控機(jī)中保存和顯示。

低壓艙迅速減壓系統(tǒng)中主要使用的壓力數(shù)據(jù)采集傳感器是HELM AG-HM-22絕對壓力變送器,低壓艙和負(fù)壓艙使用HM-22絕對壓力變送器進(jìn)行實(shí)時(shí)壓力檢測,高精度壓力傳感器可以更好地分析爆炸試驗(yàn)中的迅速減壓時(shí)間和壓力變化。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

PLC控制軟件主要根據(jù)設(shè)備控制參數(shù)要求,對管路上的真空泵、調(diào)節(jié)閥、電磁閥等系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)規(guī)定的試驗(yàn)條件。

試驗(yàn)艙內(nèi)高度上升速率精確控制是真空的難點(diǎn)、重點(diǎn)。真空系統(tǒng)管路控制試驗(yàn)艙模擬當(dāng)?shù)睾０沃?0000米高空壓力環(huán)境,采用管路中設(shè)置調(diào)節(jié)閥及真空泵變頻控制的方式實(shí)現(xiàn)對高度變化速率的控制。試驗(yàn)艙高度控制試驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)艙高度控制流程

為保證上升速率控制精度,真空機(jī)組通過變頻器可以調(diào)節(jié)抽速,在抽氣端管路設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,圖5是試驗(yàn)艙高度變化速度控制原理圖。

圖5 高度變化速度控制原理圖

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流通能力按滿足最大上升速率的要求進(jìn)行選擇,根據(jù)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)范圍、基本誤差、回差、死區(qū)、始終點(diǎn)偏差、線性特性等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。該調(diào)控方式在其他類似項(xiàng)目已應(yīng)用多年,技術(shù)成熟、穩(wěn)定。

迅速減壓的自動(dòng)控制流程如圖6所示。其中圖6(a)為迅速減壓自動(dòng)控制過程,圖6(b)為低壓艙和負(fù)壓罐升降壓的工作流程。

圖6 迅速減壓自動(dòng)控制流程

上升速度和高度的控制原理基本相同,均是從艙內(nèi)壓力變送器采集壓力信號(hào)送入PLC,在PLC中經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到艙內(nèi)的實(shí)際壓力值,實(shí)際壓力值被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實(shí)際的海拔高度并計(jì)算出升降速度,海拔高度和升降速度的實(shí)際值和設(shè)定值被送入PID調(diào)節(jié)器,PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后將運(yùn)算結(jié)果用于設(shè)定真空泵的轉(zhuǎn)速和連接負(fù)壓罐的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度,從而可以控制艙內(nèi)的實(shí)際海拔的升降速度和高度與設(shè)定值相同。

2.2 高速采集軟件設(shè)計(jì)

減壓過程中通過NI的數(shù)據(jù)采集卡對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采集軟件通過LabView來開發(fā)。低壓艙迅速減壓系統(tǒng)LabView程序后面板設(shè)計(jì)采用Producer/Consumer Design Pattern (Events)(響應(yīng)事件的生產(chǎn)者與消費(fèi)者模式)和Producer/Consumer Design Pattern (Data)(處理數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者與消費(fèi)者模式)以及Queued Message Handler(消息隊(duì)列處理器)框架,生產(chǎn)者與消費(fèi)者模式能更好地響應(yīng)程序中的事件與數(shù)據(jù)處理,即將要存放的數(shù)據(jù)和指令存入隊(duì)列中,如若需要會(huì)在隊(duì)列中進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用,從而極大地提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,減少了內(nèi)存占用。高速采集控制系統(tǒng)主要用于迅速減壓試驗(yàn)過程中對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,包含迅速減壓曲線、迅速減壓時(shí)間、面罩壓、服裝壓、對抗壓以及呼吸流量計(jì)等物理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存,高速采集系統(tǒng)還包含數(shù)據(jù)回看功能,如圖7所示。

圖7 高速采集軟件

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)PC機(jī)采用研華IPC610工控機(jī),軟件采用LabVIEW,低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的控制分為高速采集控制系統(tǒng)和迅速減壓自動(dòng)控制系統(tǒng)。壓力變送器的信號(hào)經(jīng)板卡高速采集后送入工控機(jī)中保存和顯示,在高精度數(shù)采卡對所有的數(shù)據(jù)采集處理之后,上位機(jī)軟件LabView會(huì)以圖形曲線和數(shù)字的方式顯示在上位機(jī)屏幕上。在NI的Compact DAQ高速采集模塊對所有的數(shù)據(jù)采集處理之后,上位機(jī)軟件LabView會(huì)以圖形曲線和數(shù)字的方式顯示在上位機(jī)屏幕上。通過對LabView進(jìn)行組態(tài)創(chuàng)建,OPC Client服務(wù)器進(jìn)行PLC數(shù)據(jù)調(diào)用,完成了低壓艙迅速減壓自動(dòng)控制系統(tǒng)和高速采集控制系統(tǒng)[7]。自動(dòng)控制系統(tǒng)用于完成對低壓艙迅速減壓試驗(yàn)的過程控制,包含手動(dòng)與自動(dòng)控制模式、自動(dòng)參數(shù)設(shè)置、緊急事故報(bào)警與急停、高精度壓力傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控等主要功能,如圖8和圖9所示

圖8 控制界面菜單結(jié)構(gòu)圖

圖9 控制系統(tǒng)界面

3 迅速減壓試驗(yàn)

低壓迅速減壓艙主要用于模擬高空飛行時(shí)座艙失壓導(dǎo)致的壓力變化,以及模擬飛行員出艙時(shí)面臨的瞬時(shí)環(huán)境狀態(tài)變化。整個(gè)迅速減壓過程在300 ms以內(nèi),而首次到達(dá)減壓目標(biāo)高度的時(shí)間最快達(dá)到50 ms以內(nèi)。

為滿足實(shí)際需求,采用HELM AG-HM-22絕對壓力變送器對低壓艙和負(fù)壓艙的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,該高精度壓力傳感器可以更好地采集迅速減壓試驗(yàn)中的壓力變化。并利用NI-9203高精度采集板卡將數(shù)據(jù)采集處理后送入工控機(jī)中保存和顯示,最終在上位機(jī)軟件LabView中以圖形曲線和數(shù)字的方式顯示出來。

設(shè)定壓力氣缸壓力為0.8 MPa的情況下進(jìn)行了迅速減壓試驗(yàn)。圖10所示為喉道管徑為800 mm的迅速減壓試驗(yàn)結(jié)果。

圖10 喉道管徑為800 mm迅速減壓結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在該控制系統(tǒng)下,迅速減壓時(shí)間在100～200 ms之間。滿足迅速減壓要求,同時(shí)可看出,當(dāng)快要到達(dá)目標(biāo)壓力時(shí),艙內(nèi)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。隨著壓力的逐漸穩(wěn)定,振蕩波也逐漸恢復(fù)。當(dāng)管徑和兩艙之間的壓差不變時(shí),由于初始壓力的變化,產(chǎn)生了不同的振幅。當(dāng)初始壓力為65～5 kPa時(shí),振幅對艙內(nèi)的影響最大。可見,該系統(tǒng)收集的迅速減壓過程中產(chǎn)生的壓力變化可為分析壓力振蕩對低壓艙所產(chǎn)生的影響提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

所開發(fā)的低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)低壓艙迅速減壓系統(tǒng)的低壓艙和負(fù)壓艙等主要設(shè)備的控制,根據(jù)技術(shù)方案,確定以西門子S7-1500PLC和S7-1200為控制系統(tǒng)的核心控制器,并對迅速減壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局,完成對快速爆破門、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、球閥等主要設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制;結(jié)合LabView完成對迅速減壓系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行研究開發(fā),完成了迅速減壓自動(dòng)控制系統(tǒng)和物理參數(shù)測試系統(tǒng),為迅速減壓試驗(yàn)的開展和數(shù)據(jù)獲取提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)。