基于PROFINET和VXI總線的1.2 m風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

1.2 m×1.2 m跨超聲速風(fēng)洞是一座半回流暫沖式跨超聲速風(fēng)洞，是我國(guó)先進(jìn)飛行器研制重要地面試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。在國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)、重大工程研制中發(fā)揮了不可替代的重要作用，是我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈研制試驗(yàn)的主力風(fēng)洞[1]。原有的1.2 m風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)采用的是Client/Server體系結(jié)構(gòu)和VXI總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的繼電器相結(jié)合的集中式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以VXI總線為基本框架，將控制與測(cè)量合為一體。但近年來，由于試驗(yàn)任務(wù)的增加，風(fēng)洞設(shè)備運(yùn)行頻繁，風(fēng)洞的測(cè)控系統(tǒng)逐漸暴露出不足：部分設(shè)備老化嚴(yán)重，無法很好地滿足試驗(yàn)發(fā)展的需求；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡合理，可靠性低會(huì)導(dǎo)致一個(gè)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)出現(xiàn)故障從而使整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行，自動(dòng)化程度低給風(fēng)洞安全運(yùn)行帶來了隱患。

本次設(shè)計(jì)任務(wù)是重新構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)與PLC控制技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線，形成基于現(xiàn)場(chǎng)總線、功能分散、指揮集中的開放式集散系統(tǒng)，形成信號(hào)采集傳輸可靠性高、便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障分析的可靠性系統(tǒng)。使1.2 m風(fēng)洞整體能力得到大幅的提升。

1 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

1)提高1.2 m風(fēng)洞可靠性和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)1.2 m風(fēng)洞試驗(yàn)吹風(fēng)流程自動(dòng)化；

2)實(shí)現(xiàn)柔壁型面各節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)(定位螺母)位置控制精度為±0.01 mm。

1.2 總體設(shè)計(jì)

1.2 m風(fēng)洞控制系統(tǒng)主要包括閥門控制系統(tǒng)、引射器控制系統(tǒng)、柔壁噴管控制系統(tǒng)、模型迎角控制系統(tǒng)、柵指控制系統(tǒng)、超擴(kuò)段控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)等。

本次設(shè)計(jì)主要包括閥門控制系統(tǒng)、柔壁噴管控制系統(tǒng)、模型迎角控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)適應(yīng)性改造等。

采用PROFINET通訊和VXI總線搭建整個(gè)風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)框架。閥門、迎角、柔壁噴管控制系統(tǒng)作為子站點(diǎn)?？紤]到網(wǎng)絡(luò)的可靠性，本系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可確保在一條傳輸鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，使用備用通信鏈路。系統(tǒng)布線采用光纜。在測(cè)控間可完全操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，異常報(bào)警，并保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。每個(gè)站均可手動(dòng)/自動(dòng)操作，操作站可通過觸摸屏現(xiàn)場(chǎng)控制，或者通過按鈕進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，以保證系統(tǒng)的安全性要求。新測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理參見圖1。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 閥門控制系統(tǒng)

閥門控制系統(tǒng)包括閘閥系統(tǒng)、蝶閥系統(tǒng)和調(diào)壓閥系統(tǒng)。

閘閥系統(tǒng)包括閘閥和閘旁閥，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。蝶閥系統(tǒng)由蝶閥和蝶旁閥組成。蝶閥由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，蝶旁閥是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

該系統(tǒng)保留原有驅(qū)動(dòng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不變，閥門控制系統(tǒng)作為子站點(diǎn)。通過PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，通過HMI實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，并同時(shí)完成開關(guān)狀態(tài)采集和氣源壓力、圍帶壓力、蝶閥后壓力等模擬量采集。對(duì)調(diào)壓閥同樣是通過PLC和HMI實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程開關(guān)控制。而調(diào)壓閥的位置伺服控制仍采用VXI系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的控制方式。閥門控制原理圖參見圖2。

圖2 閥門控制PLC原理圖

為了保證設(shè)備人員的安全，保護(hù)蝶閥的密封圍帶。進(jìn)行閥門系統(tǒng)操作時(shí)，在PLC程序上做了充分設(shè)計(jì)。在控制間進(jìn)行打開蝶旁閥操作時(shí)，只有在安全聯(lián)鎖正常時(shí)方可進(jìn)行。在每次試驗(yàn)開車前先打開蝶旁閥，使蝶閥前后壓力兩平衡，再給蝶閥圍帶放氣，直到圍帶內(nèi)壓力與蝶閥前后壓力實(shí)現(xiàn)“三平衡”才打開蝶閥。關(guān)車時(shí)，是先關(guān)蝶閥，給圍帶充氣，再關(guān)蝶旁閥。實(shí)現(xiàn)了閥門系統(tǒng)順序控制。

2.2 柔壁噴管控制系統(tǒng)

柔壁噴管是該風(fēng)洞的核心部段，為二元多支點(diǎn)全柔壁噴管。主要由上下梁，左、右側(cè)壁，上下柔板，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及框架組成。噴管上下柔板分別由15套執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓-電氣系統(tǒng)控制，使其在兩平行側(cè)壁之間改變型面并定位，以得到各M數(shù)下的柔板型面。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用機(jī)械定位，液壓成型并鎖緊，對(duì)于確保型面的準(zhǔn)確定位和定位的重復(fù)性精度起關(guān)鍵作用[2]。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖如圖3。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

1.2 m風(fēng)洞柔壁噴管型面驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為三相異步交流電動(dòng)機(jī)，上下各15個(gè)節(jié)點(diǎn)。電機(jī)功率0.55 kW，額定轉(zhuǎn)速1380 r/min，帶電磁制動(dòng)。

整個(gè)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)包括柔壁型面定位控制系統(tǒng)共有電機(jī)(含電磁制動(dòng))30臺(tái)，交流變頻器30臺(tái)，選用了臺(tái)達(dá)MV300系列，帶通訊DP卡。30臺(tái)電磁換向閥、1臺(tái)柔壁低壓油源電機(jī)、1臺(tái)柔壁高壓油源電機(jī)及其他外圍設(shè)備構(gòu)成。反饋系統(tǒng)由30個(gè)多圈旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式編碼器、30個(gè)拉線絕對(duì)式編碼器、120個(gè)微動(dòng)開關(guān)、60個(gè)壓力變送器及其他外圍設(shè)備構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主要由柔壁型面控制管理計(jì)算機(jī)(上位機(jī))、柔壁型面控制PLC(下位機(jī))、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)組成。柔壁型面控制PLC由1臺(tái)觸摸屏、1臺(tái)CX5130嵌入式控制器、2個(gè)EtherCAT總線耦合器、18個(gè)8通道數(shù)字量輸入模塊、13個(gè)8通道數(shù)字量輸出模塊、8個(gè)8通道模擬量輸入模塊、4個(gè)DP模塊和3個(gè)末端端子模塊組成。

柔壁型面控制管理計(jì)算機(jī)、觸摸屏與CX5130嵌入式控制器通過TCP/IP通訊，CX5130嵌入式控制器與分布在柔壁上下的PLC功能模塊通過EtherCAT總線通訊，柔壁型面控制PLC與多圈旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式編碼器、拉線絕對(duì)式編碼器、交流變頻器通過Profibus-DP總線通訊。

圖6 迎角控制PLC原理圖

圖5 軟件功能圖

多圈旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式編碼器的選擇，定位螺母行走距離最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)為750 mm，編碼器旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)定位螺母距離為0.1 mm，因此編碼器需要的總?cè)?shù)為7 500圈。該方案中選取的編碼器總?cè)?shù)為8 192，旋轉(zhuǎn)編碼器單圈精度為4 096，編碼器每個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)0.000 024 4 mm，在零點(diǎn)時(shí)編碼器讀數(shù)最大。倍福PLC讀取的旋轉(zhuǎn)編碼器值與旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)際值存在高低八位的轉(zhuǎn)化問題，所以需先對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比如：旋轉(zhuǎn)編碼器值為00FF865A，而PLC讀取值為FF005A86，所以需要使用PLC內(nèi)部ROL指令(循環(huán)移位)將PLC讀取值轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)際值。電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位螺母精確定位的控制方法為：PLC控制電機(jī)行走到目標(biāo)位置，通過旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的實(shí)時(shí)位置，形成閉環(huán)控制。

壓力變送器量程：0～16 MPa，信號(hào)輸出形式：4～20 mA。倍福PLC模擬量采集模塊(4～20 mA)對(duì)應(yīng)數(shù)字量：0～32 767，油壓傳感器壓力值(MPa)=模塊數(shù)字量/32 767×16。

該子系統(tǒng)安全聯(lián)鎖內(nèi)容如下：所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均通過多圈絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器位置反饋設(shè)置軟限位，保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行在可控行程范圍內(nèi)；定位螺母調(diào)節(jié)過程中，柔壁型面控制PLC對(duì)多圈絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)進(jìn)行位置檢測(cè)，當(dāng)對(duì)應(yīng)變頻器工作狀態(tài)為運(yùn)行而位置反饋值無變化時(shí)，立刻停止電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并向柔壁型面控制管理計(jì)算機(jī)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出“噴管故障”信號(hào)。

柔壁型面控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如圖5：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)定位螺母精確定位，協(xié)調(diào)油源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油缸回零、低壓成型，高壓鎖緊等操作；柔壁定位螺母位置的顯示；柔壁每組執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)套筒到位情況、柔壁油缸油壓、柔壁喉道監(jiān)測(cè)點(diǎn)油缸運(yùn)行行程的監(jiān)視。實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔壁噴管系統(tǒng)螺母的精確定位，柔板的成型、鎖死，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)。

2.3 迎角控制系統(tǒng)

模型迎角控制系統(tǒng)分為全模迎角控制和半模迎角控制兩部分，均包含自動(dòng)和手動(dòng)控制功能，通過控制臺(tái)選擇開關(guān)切換。

自動(dòng)控制部分保留原有VXI系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的控制方式，對(duì)試驗(yàn)過程中的模型迎角進(jìn)行控制；保留控制臺(tái)手動(dòng)控制功能，由轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)全模/半模、手動(dòng)/自動(dòng)切換；通過PLC實(shí)現(xiàn)模型迎角手動(dòng)控制和油源系統(tǒng)啟停控制；新增迎角油源系統(tǒng)軟啟動(dòng)；現(xiàn)場(chǎng)控制有控制箱和手操器兩種控制功能，手操器方便在更換迎角機(jī)構(gòu)時(shí)使用；遠(yuǎn)程由上位機(jī)控制，通過TCP/IP協(xié)議向模型迎角PLC發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)。迎角控制原理圖參見圖6。

2.4 風(fēng)洞流場(chǎng)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)是在原有的VXI系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造而成的。主要完成風(fēng)洞的流場(chǎng)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)的采集。VXI系統(tǒng)控制原理圖如圖7。

圖7 VXI系統(tǒng)原理圖

計(jì)算機(jī)通過E1413C A/D模塊采集由總壓和靜壓傳感器測(cè)量得前室總壓和駐室靜壓，計(jì)算出實(shí)際的M數(shù)值與給定值進(jìn)行比較。若馬赫數(shù)偏差在要求范圍內(nèi)，通過采集卡采集該M數(shù)下各氣動(dòng)參數(shù)，否則按PID算法輸出新的控制量，經(jīng)E1418A-D/A轉(zhuǎn)換由伺服驅(qū)動(dòng)器變換為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電液伺服閥控制調(diào)壓閥開度，從而達(dá)到控制馬赫數(shù)和總壓目的[3]。

壓力調(diào)節(jié)算法采用增量式PID控制算法，由比例、積分、微分控制的增量式PID控制算法為[4]：

Δu(k)=KpΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，跨聲速M(fèi)數(shù)控制采用分段調(diào)節(jié)即先調(diào)總壓后調(diào)M數(shù)的控制方式。啟動(dòng)段采用的是比例-微分調(diào)節(jié)器，而在變迎角階梯是采用純比例調(diào)節(jié)器。M數(shù)的名義控制精度為0.005。超聲速試驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)段采用比例-微分調(diào)節(jié)器，而變迎角階梯時(shí)采用比例-積分調(diào)節(jié)器?？倝旱目刂凭葹?.003。

2.5 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能是完成各子系統(tǒng)的監(jiān)控和VXI系統(tǒng)進(jìn)行通訊完成風(fēng)洞吹風(fēng)流程。主程序設(shè)計(jì)采用多線程設(shè)計(jì)思想進(jìn)行構(gòu)建，其中主要包括通訊及數(shù)據(jù)處理線程、操作線程、事件及報(bào)警記錄線程等。上位機(jī)和PLC采用TCP通訊方式，其中PLC做TCP服務(wù)器，上位機(jī)做客戶端，上位機(jī)運(yùn)行軟件后，自動(dòng)與PLC建立TCP通訊鏈接，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。上位機(jī)采用通訊VI：建立通訊鏈接VI CONNECT；接收VI RETCP；發(fā)送VI SENDTCP。上位機(jī)和VXI系統(tǒng)通過TCP/IP通訊，通過命令字完成兩系統(tǒng)的交互。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 柔壁定位螺母變頻控制定位精度問題

實(shí)現(xiàn)定位螺母精確定位的控制方法為：PLC控制電機(jī)行走到目標(biāo)位置，通過旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的實(shí)時(shí)位置，計(jì)算比率決定電機(jī)運(yùn)行速度，待電機(jī)低速走到接近目標(biāo)位置時(shí)停止電機(jī)，然后判斷旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)際值與目標(biāo)值差值是否在0.01mm內(nèi)，若在則變頻器停止并抱閘。各節(jié)點(diǎn)根據(jù)行程的不同采用了不同的控制策略[5]。

三段速的判定方式為：比率=(目標(biāo)位置-實(shí)際位置)/總距離。電機(jī)控制速度=輸入值/100。

應(yīng)用于行走距離較長(zhǎng)的站點(diǎn)，三段速的臨界點(diǎn)為：高速：比率>0.05;中速：0.005<比率≤0.05;低速：0.000 5<比率≤0.005。比率≤0.000 5后，先停止，然后判斷旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)際值與目標(biāo)值差值是否在0.01 mm內(nèi)，若在則變頻器停止并抱閘，若不在則繼續(xù)運(yùn)行直到差值在0.01 mm內(nèi)。

應(yīng)用于行走距離較短的站點(diǎn)，三段速的臨界點(diǎn)為：高速：比率>0.15；中速：0.1<比率≤0.15；低速：0.005<比率≤0.1。比率≤0.005后，先停止，然后判斷旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)際值與目標(biāo)值差值是否在0.01 mm內(nèi)，若在則變頻器停止并抱閘，若不在則繼續(xù)運(yùn)行直到差值在0.01 mm內(nèi)。通過優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)精確定位。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊可靠性問題

本系統(tǒng)采用PROFINET將PLC連接到環(huán)網(wǎng)控制交換機(jī)，而PROFINE交換機(jī)選用具有管理和診斷功能的模塊[6]。同時(shí)，還做以下考慮：所有網(wǎng)絡(luò)接插件及電纜均選用西門子原裝產(chǎn)品，最大限度保證通訊硬件平臺(tái)的兼容性和可靠性；另外，硬件上采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保障了通訊的可靠性；軟件組態(tài)及編程中均考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的監(jiān)視與診斷，并利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的故障信號(hào)觸點(diǎn)。

4 調(diào)試結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用情況

筆者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)各模塊逐步測(cè)試，硬件正常，軟件邏輯滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了開車流程自動(dòng)化。柔壁噴管控制系統(tǒng)中柔壁型面各節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)(定位螺母)位置經(jīng)過調(diào)試，最終目標(biāo)值和實(shí)際值的差值始終在0.01 mm以內(nèi)。表1為其中一次從1#噴管定位到0#噴管的情況。

測(cè)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試完成后，進(jìn)行了標(biāo)模試驗(yàn)，選取2016年維修月后試驗(yàn)流校數(shù)據(jù)和本期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)重復(fù)性良好，數(shù)據(jù)結(jié)果達(dá)到了國(guó)軍標(biāo)要求。

表1 機(jī)構(gòu)定位參數(shù)表

注：機(jī)械計(jì)數(shù)器100個(gè)數(shù)=1 mm。

5 主要結(jié)論

1)新系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)?？刂凭雀?。柔壁型面各節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)(定位螺母)位置控制精度為±0.01 mm。柔壁型面各節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)(定位螺母)位置由當(dāng)前位置到目標(biāo)位置最長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間由大于25分鐘縮短到11分鐘，操作人員由2人減為1人。

2)實(shí)現(xiàn)了1.2 m風(fēng)洞試驗(yàn)吹風(fēng)流程自動(dòng)化，提高了試驗(yàn)效率。

3)地面調(diào)試和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證表明，新設(shè)計(jì)的集散式測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)便，試驗(yàn)結(jié)果合理可靠，表明測(cè)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目取得了圓滿成功。

測(cè)控系統(tǒng)改造項(xiàng)目的成功，不僅提高了風(fēng)洞試驗(yàn)自動(dòng)化水平，而且提高了1.2 m風(fēng)洞安全性、運(yùn)行效率，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫秸w提升，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值[7-8]。