基于EtherCAT和LabVIEW的風(fēng)洞安全聯(lián)鎖及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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

0 引言

1.2米×1.2米半回流暫沖式跨超聲速風(fēng)洞(簡稱1.2米風(fēng)洞)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，主要作用是通過對一些影響風(fēng)洞設(shè)備和人員安全的設(shè)備和環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，確保人員和設(shè)備的安全[1]。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)作為設(shè)備使用和維護中很好的輔助手段[2-4]，在機械、電力及風(fēng)洞等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

本文基于1.2米風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)信號覆蓋不全、缺少設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，利用EtherCAT總線技術(shù)實現(xiàn)安全聯(lián)鎖信號冗余采集，增大聯(lián)鎖信號覆蓋范圍，并對重點設(shè)備狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)測，選用LabVIEW作為上位機軟件開發(fā)平臺[5]，利用多種通訊方式獲取更廣泛監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了功能完善、實時性好、監(jiān)測分析能力強的安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.2米風(fēng)洞安全聯(lián)鎖及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)作為保障風(fēng)洞安全的重要系統(tǒng)，系統(tǒng)對實時性、可靠性具有很高要求。傳統(tǒng)的線纜直連接方式有很好的實時性，但針對大量監(jiān)測點，線纜走線復(fù)雜。本系統(tǒng)選擇德國倍福CX5010作為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)下位PLC，其具備EtherCAT通訊協(xié)議，滿足了實時性和可靠性要求[6-9]。安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)利用分布式子站點采集安全聯(lián)鎖信號和部分分散設(shè)備狀態(tài)信息，并通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，主站點以硬連接方式與VXI系統(tǒng)相連，實現(xiàn)吹風(fēng)試驗的安全聯(lián)鎖和應(yīng)急報警；安全聯(lián)鎖上位機具有多網(wǎng)卡，分別連接安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)、測控網(wǎng)、自主式網(wǎng)絡(luò)。在安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)中作為系統(tǒng)上位機，對安全聯(lián)鎖PLC下位機數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示與存儲、故障預(yù)警等；測控網(wǎng)絡(luò)中通過OPC獲取控制系統(tǒng)上位機關(guān)于柔壁噴管控制系統(tǒng)運行狀態(tài)信號，并與測量上位機通信獲取吹風(fēng)車次及試驗馬赫數(shù)等信息；自主式網(wǎng)絡(luò)中將通過Modbus協(xié)議發(fā)布控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測信號給自主式系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)故障診斷。系統(tǒng)總體組成原理如圖1所示。

圖1 安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成原理圖

2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

2.1 聯(lián)鎖及監(jiān)測信號配置

安全聯(lián)鎖信號主要針對影響風(fēng)洞運行安全、影響試驗正常進(jìn)行的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行選取，而監(jiān)測信號主要為重點設(shè)備運行狀態(tài)，其狀態(tài)直接影響風(fēng)洞運行性能或者設(shè)備安全等。本文聯(lián)鎖與監(jiān)測信號主要包括以下幾大類：

1)開閉聯(lián)鎖，包括風(fēng)洞超擴段合攏狀態(tài)、試驗段掛鉤狀態(tài)、亞擴段人孔、超擴段內(nèi)壁應(yīng)急按鈕、增量引射器人孔狀態(tài)檢測，此類信號均為數(shù)字量信號，確保試驗前各風(fēng)洞洞體設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)壓力聯(lián)鎖，包括風(fēng)洞調(diào)壓閥后和前室電接點壓力表(一級安全聯(lián)鎖)，為數(shù)字量信號；調(diào)壓閥后和前室壓力變送器(二級安全聯(lián)鎖)，為模擬量信號。在聯(lián)鎖策略中，先觸發(fā)二級安全聯(lián)鎖，再觸發(fā)一級安全聯(lián)鎖，分別確保試驗安全和風(fēng)洞設(shè)備安全。

3)電源狀態(tài)，對控制系統(tǒng)電源進(jìn)行監(jiān)控，以此掌握整個風(fēng)洞電源系統(tǒng)狀態(tài)，特別在風(fēng)洞停電時即時發(fā)現(xiàn)，并通過控制系統(tǒng)自動應(yīng)急處理實現(xiàn)風(fēng)洞安全關(guān)閉。

4)設(shè)備狀態(tài)，1.2米風(fēng)洞主要控制系統(tǒng)均采用電液伺服系統(tǒng)，對液壓系統(tǒng)主要工作參數(shù)如壓力、溫度和液位的狀態(tài)監(jiān)測[10]，有利于掌握液壓系統(tǒng)的性能，確保相應(yīng)設(shè)備安全。風(fēng)洞試驗前需調(diào)整增量引射器、柔壁噴管狀態(tài)以滿足試驗對洞體條件的要求，其狀態(tài)監(jiān)測也尤為重要。

2.2 PLC硬件平臺

本文構(gòu)建基于EtherCAT總線技術(shù)的PLC硬件平臺，選擇德國BECKHOFF系列產(chǎn)品。主站點選擇嵌入式控制器CX5010，從站則選用EK1100耦合器實現(xiàn)站點間通訊，并連接EtherCAT端子模塊完成信號采集，包括數(shù)字量輸入模塊EL1008、數(shù)字量輸出模塊EL2008、模擬量輸入模塊EL3058、Modbus通訊模式EL6022、EtherCAT通訊擴展模塊等，PLC硬件平臺配置如圖2所示。

圖2 PLC硬件平臺配置

2.3 傳感器配置

傳感器主要實現(xiàn)各模擬量信號采集，采集硬件為EL3058模擬量輸入模塊和EL6022串口端子模塊，傳感器主要包括：

1)壓力傳感器，包括油源壓力傳感器和氣體壓力傳感器，壓力測量范圍為0～20 MPa，均采用24VDC供電、兩線制麥克MPM483傳感器，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA模擬量電流信號。

2)油源系統(tǒng)油溫液位傳感器，采用余姚環(huán)工PB8701一體式傳感器，油溫量程為0～60 ℃，液位量程為0～1 000 mm，供電為24VDC，輸出兩路標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA模擬量電流信號，并具有一路數(shù)顯輸出，供現(xiàn)場監(jiān)測油溫顯示使用。

3)電量參數(shù)儀，選用施耐德DM2305系列，輸入電壓25～450 V，測量精度可達(dá)0.3% F S，通過RS485協(xié)議實現(xiàn)電壓信號采集。

3 軟件設(shè)計

1.2米風(fēng)洞安全聯(lián)鎖及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件根據(jù)功能特點，主要包含兩部分：PLC下位機軟件和上位機軟件。下位機PLC軟件位于CX5010控制器內(nèi)，采用TwinCAT2實現(xiàn)下位機軟件編寫。上位機通過以太網(wǎng)與測控系統(tǒng)、自主式系統(tǒng)相連，且各系統(tǒng)軟件平臺各異，包括LabVIEW、CVI、InTouch等。上位機軟件設(shè)計需要涉及多網(wǎng)絡(luò)、多系統(tǒng)，筆者采用了圖形化的編程環(huán)境LabVIEW[11]軟件進(jìn)行設(shè)計，通過OPC、TCP/IP、Modbus等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)聯(lián)鎖及狀態(tài)監(jiān)控信號的獲取與發(fā)布，系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計數(shù)據(jù)流圖

3.1 PLC下位機軟件設(shè)計

PLC軟件運行于CX5010實時內(nèi)核中，具有響應(yīng)時間快的特點，主要完成安全聯(lián)鎖信號數(shù)據(jù)采集處理、安全聯(lián)鎖策略，并以DO輸出方式向VXI系統(tǒng)、閥門和迎角控制系統(tǒng)、操作控制臺傳送安全聯(lián)鎖信號，實現(xiàn)風(fēng)洞安全聯(lián)鎖功能。

3.1.1 系統(tǒng)組態(tài)

聯(lián)鎖信號包含開關(guān)量狀態(tài)、模擬量狀態(tài)等，通過倍福采集模塊實現(xiàn)采集，采集信號的數(shù)據(jù)處理，首先需要利用TwinCAT2軟件的System Manager模塊實現(xiàn)對硬件I/O模塊的組態(tài)，利用PLC Control模塊定義變量，并在System Manager中建立變量與硬件之間的映射關(guān)系，進(jìn)而在PLC中可以獲取硬件采集信號，并對采集信號進(jìn)行物理意義處理，整合利用數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)輸出控制。

3.1.2 聯(lián)鎖策略

聯(lián)鎖策略主要根據(jù)風(fēng)洞運行安全的需要，由采集到的單個聯(lián)鎖信號或者多個聯(lián)鎖信號的組合，對風(fēng)洞各系統(tǒng)運行進(jìn)行聯(lián)鎖控制的策略。按運行時間主要分為風(fēng)洞啟動開車安全聯(lián)鎖和風(fēng)洞停車安全聯(lián)鎖。

1)風(fēng)洞啟動安全聯(lián)鎖：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在風(fēng)洞啟動時對開閉聯(lián)鎖進(jìn)行檢查，包括超擴段合攏、試驗段掛鉤、應(yīng)急按鈕、亞擴段人孔、增量引射器人孔，并對動力電、洞體狀態(tài)(包括閥門、增量引射器開度、柔壁噴管型面等)、油源狀態(tài)信息進(jìn)行檢測(如圖4所示)，確保在風(fēng)洞開車啟動前，風(fēng)洞相應(yīng)設(shè)備處于關(guān)閉及正常運行狀態(tài)。

圖4 風(fēng)洞啟動安全聯(lián)鎖策略

在啟動安全聯(lián)鎖中，所有的開閉聯(lián)鎖為與的關(guān)系，任一條件不滿足聯(lián)鎖信號均不正常，控制上位機將不能開始試驗。同時，控制上位機也接收安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送的動力電信號、洞體條件和油源狀態(tài)信號，如若出現(xiàn)異常，也不能開始試驗、開啟風(fēng)洞。

2)風(fēng)洞運行過程中的停車聯(lián)鎖：風(fēng)洞運行過程中出現(xiàn)某些緊急情況將啟動停車程序，主要為開閉聯(lián)鎖信號異常、動力電停電、運行壓力超壓。系統(tǒng)通過485總線與電量參數(shù)儀通信，獲取動力電信號，若停電，向VXI系統(tǒng)輸出動力電停電異常信號；吹風(fēng)試驗過程中設(shè)置超壓一級、二級聯(lián)鎖機制，二級聯(lián)鎖的超壓壓力值低于一級聯(lián)鎖超壓壓力值，實現(xiàn)風(fēng)洞多重保護，若其中一個超壓，即向VXI系統(tǒng)輸出運行壓力超壓信號。在聯(lián)鎖信號異常、動力電停電和運行壓力超壓任一情況發(fā)生時，風(fēng)洞將啟動緊急停車流程，流程如圖5所示。

圖5 風(fēng)洞緊急停車安全聯(lián)鎖策略

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用LabVIEW 2015設(shè)計開發(fā)，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄與查詢、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

3.2.1 功能設(shè)計

3.2.1.1 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測

對安全聯(lián)鎖上位機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等，通過界面組態(tài)等手段，實現(xiàn)風(fēng)洞聯(lián)鎖信號、閥門、柔壁、增量引射器等系統(tǒng)的實時檢測與顯示。

此項功能主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時刷新與顯示，設(shè)計中采用LabVIEW DSC功能模塊實現(xiàn)，主要開發(fā)流程包括：設(shè)備驅(qū)動配置、變量配置和數(shù)據(jù)綁定等。

1)設(shè)備驅(qū)動配置：NI OPC Server2013中集成了很多廠家的PLC通信模塊，且通信周期≤100 ms，可便利地獲取PLC數(shù)據(jù)信息。在NI OPC Server2013新建通訊通道，并配置其PLC Device ID、安全聯(lián)鎖PLC TPY文件、通道號，具圖6所示。

圖6 設(shè)備驅(qū)動配置圖

2)變量配置：安全聯(lián)鎖上位機與下位機通信方式為OPC，通過OPC Server2013配置通訊變量，建立LabVIEW與PLC通信通道，實現(xiàn)兩者間數(shù)據(jù)傳輸。

3)數(shù)據(jù)綁定：變量配置完成后，變量與安全聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)測軟件中控件綁定后才能讀/寫。數(shù)據(jù)綁定在控件屬性窗口中操作，數(shù)據(jù)綁定如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)綁定窗口

4)數(shù)據(jù)通信：安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測軟件與其他設(shè)備進(jìn)行通信主要采用了TCP/IP、串口和Modbus通訊協(xié)議。

(1)TCP/IP通信模塊：安全聯(lián)鎖上位機與測量系統(tǒng)計算機通信獲取相關(guān)信息與數(shù)據(jù)，采用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行通信。設(shè)計TCP/IP通信程序，偵聽TCP讀取從測控計算機傳輸給安全聯(lián)鎖上位機的車次號、馬赫數(shù)、開車信號等消息。

(2)串口通信模塊：安全聯(lián)鎖上位機與直流線性電源(普源精電D8321A和安捷倫E4634)通信獲取相關(guān)信息與數(shù)據(jù)。根據(jù)電源通訊接口選用串口(VISA)進(jìn)行通信，首先需要配置串口端口號或者IP地址，再輸入電源讀寫字符串指令讀取通道電壓電流狀態(tài)，指令字符串如下所示：

:INST CH1

:MEASure:VOLTage:DC?(*通道1電壓*)

:INST CH2

:MEASure:VOLTage:DC? (*通道2電壓*)

:INST CH3

:MEASure:VOLTage:DC? (*通道3電壓*)

:INST CH1

:MEASure:CURRent:DC? (*通道1電流*)

:INST CH2

:MEASure: CURRent:DC? (*通道1電流*)

:INST CH3

:MEASure: CURRent:DC? (*通道1電流*)

3.2.1.2 數(shù)據(jù)存儲與查詢

安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)除實時顯示外，還需要有追溯功能，便于通過過程數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而分析設(shè)備性能狀況。因此，軟件需實現(xiàn)變量數(shù)據(jù)存儲與查詢功能。數(shù)據(jù)存儲功能使用LabVIEW DSC功能模塊實現(xiàn)，將變量信息存儲在NI數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫配置方法如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)存儲配置

軟件調(diào)用Historical Trend (DSC)子VI模塊，實現(xiàn)了查詢起始時間和終止時間的選擇、數(shù)據(jù)歷史曲線查詢顯示功能。為了方便查詢使用圖形化語言設(shè)計了車次號的刷新選擇和變量的刷新選擇程序。軟件調(diào)用Alarm & Event Query 子VI模塊，在報警顯示界面實現(xiàn)了查詢起始時間和終止時間的選擇、歷史報警信息查詢顯示功能，在主界面設(shè)計調(diào)用read alarm子VI實時顯示報警信息。

3.2.1.3 基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳

軟件采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，程序內(nèi)使用循環(huán)調(diào)用“Read Variable”VI依次讀取柔壁系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)庫文件中變量的值，再調(diào)用“Write Variable”VI將相應(yīng)的值寫入到“TOALMSS”MODBUS庫文件變量地址中，InTouch軟件通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。

3.2.2 界面設(shè)計

圖9 安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測軟件組成

根據(jù)軟件功能劃分和監(jiān)測信號站點分布等特點，軟件主要包含7個子界面，如圖9所示。軟件界面主要實現(xiàn)人機交互，需要具有較好的人機界面。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)多、狀態(tài)信號廣等特點，對軟件主界面，即試驗監(jiān)視界面進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，一共分為9個功能區(qū)：界面切換區(qū)、壓力顯示區(qū)、閥門狀態(tài)顯示區(qū)、迎角機構(gòu)狀態(tài)顯示區(qū)、柔壁成型狀態(tài)顯示區(qū)、風(fēng)洞密封與人孔監(jiān)視區(qū)、油源狀態(tài)顯示區(qū)、報警顯示區(qū)和試驗運行參數(shù)顯示區(qū)，如圖10所示。

圖10 安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測上位機主界面

4 應(yīng)用效果分析

1.2米風(fēng)洞安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)建成以后已運行兩年，一直應(yīng)用于風(fēng)洞試驗過程中，有效保障了風(fēng)洞試驗和人員設(shè)備安全。在風(fēng)洞狀態(tài)檢查、運行壓力差壓、動力電停電等突發(fā)情況下均能準(zhǔn)確報警并觸發(fā)緊急關(guān)車流程。對所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)的查詢及回溯分析，通過數(shù)據(jù)對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確定量分析，便于掌握風(fēng)洞設(shè)備性能狀態(tài)，應(yīng)用效果明顯。

如系統(tǒng)運行期間，曾多次準(zhǔn)確應(yīng)對風(fēng)洞超壓報警，將風(fēng)洞運行壓力限制在當(dāng)前超壓壓力值，并向控制系統(tǒng)上位機發(fā)出超壓警報，觸發(fā)應(yīng)急關(guān)車流程，保證了風(fēng)洞運行安全。報警顯示界面中報警信息可對單個或者多個變量進(jìn)行查詢，并對報警信號進(jìn)行確認(rèn)。如圖11所示為某次跨聲速試驗時的超壓報警信息，由于試驗?zāi)Ｐ驮诖蠊ソ菚r堵塞度太大，致使總壓持續(xù)增加，觸發(fā)風(fēng)洞前室[1]電接點壓力表超壓。

圖11 歷史報警信息查詢界面

針對本系統(tǒng)聯(lián)鎖和監(jiān)測信號多，根據(jù)吹風(fēng)車次和時間類別，設(shè)置了數(shù)據(jù)查詢界面。通過車次號和時間段可對系統(tǒng)中各變量進(jìn)行查詢，并可對顯示曲線進(jìn)行多種設(shè)置。圖12給出按照車次號查詢的1#油源進(jìn)出口壓力數(shù)據(jù)曲線圖，通過對進(jìn)出口油壓的分析，可以有效掌握油缸和液壓閥組的工作狀態(tài)，進(jìn)而掌握設(shè)備性能狀態(tài)。

圖12 吹風(fēng)車次及歷史數(shù)據(jù)查詢界面

5 結(jié)論

1.2米風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)安全聯(lián)鎖對象分布特點，基于EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建分布式站點采集安全聯(lián)鎖對象數(shù)據(jù)，設(shè)置主站點對安全聯(lián)鎖進(jìn)行集中處理。下位機通過TwinCAT2編程實現(xiàn)了安全聯(lián)鎖功能，上位機通過多種網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，獲取了較為全面的風(fēng)洞設(shè)備運行數(shù)據(jù)，利用LabVIEW強大的設(shè)計功能實現(xiàn)了友好的用戶界面和數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)風(fēng)洞運行狀態(tài)信號的監(jiān)測顯示與查詢分析。系統(tǒng)建成運行結(jié)果表面，系統(tǒng)在出現(xiàn)緊急情況時，聯(lián)鎖策略均能及時響應(yīng)，并給操作人員發(fā)出即時警告，系統(tǒng)實時性和可靠性均有可靠保證；系統(tǒng)各子界面功能分配清晰、各項監(jiān)測報警功能完備、用戶界面友好，并實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)的詳細(xì)查詢功能，有效保證了風(fēng)洞洞體本身和其他設(shè)備安全，并為設(shè)備性能分析提供有效分析手段，為其他類似系統(tǒng)建設(shè)提供了經(jīng)驗借鑒。