周期控制律電加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

冉林，熊建軍，趙照，何苗

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

飛機(jī)在含大量過冷水滴環(huán)境飛行時(shí)，機(jī)外部件撞擊水滴聚積成冰層于表面，致使氣動(dòng)性能下降，且有相關(guān)研究結(jié)果表明，即使結(jié)冰量相當(dāng)小，若出現(xiàn)在關(guān)鍵器件，也會(huì)引發(fā)安全事故[1]。因此，飛機(jī)易結(jié)冰部件必須采取防除冰措施，避免發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[2]。

目前常用的防/除冰的手段有熱氣防冰、電熱防/除冰、機(jī)械除冰[3-4]等，其中電熱防/除冰技術(shù)通常采用周期性的工作方式，進(jìn)行一定時(shí)間規(guī)律地加熱，使表面溫度高于零點(diǎn)，防止表面結(jié)冰，或破壞表面冰層，靠氣動(dòng)外力除冰[5]，具有能耗低、易控制的優(yōu)點(diǎn)，且成熟度較高。文獻(xiàn)[6]研究了電熱除冰系統(tǒng)加熱周期控制律對(duì)表面溫度的影響，計(jì)算得到兩者的關(guān)系，表明合理的供電周期有益于除冰效果。文獻(xiàn)[7]研究了飛行過程中電熱防/除冰系統(tǒng)瞬態(tài)除冰的優(yōu)化應(yīng)用，通過改善熱能空間分布和周期控制律，實(shí)現(xiàn)能耗降低。文獻(xiàn)[8]對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩周期性加熱過程數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比連續(xù)加熱方式，得到同功同耗的效果。文獻(xiàn)[9]通過試驗(yàn)研究了復(fù)合材料部件電加熱防冰性能。以上研究都只是概述了電加熱控制系統(tǒng)，為其提供任意周期控制律，未對(duì)控制系統(tǒng)本身進(jìn)行討論，文獻(xiàn)[10-11]則設(shè)計(jì)了電加熱控制系統(tǒng)，可是周期控制律的設(shè)定較為固定，主要針對(duì)連續(xù)性周期電加熱，而且都未用于大型結(jié)冰風(fēng)洞，不能滿足真實(shí)機(jī)型的電熱防/除冰試驗(yàn)要求。

本文結(jié)合上述問題以及應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了適用于大型結(jié)冰風(fēng)洞[12]防除冰試驗(yàn)的電加熱控制系統(tǒng)，配備與機(jī)載使用相符的DC 28 V，DC 270 V，AC 115 V電源[13]，上位機(jī)與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，具備溫度開、閉環(huán)控制模式，適合不同應(yīng)用場(chǎng)合。設(shè)計(jì)任意性周期控制律程序，以滿足試驗(yàn)任務(wù)要求，自動(dòng)進(jìn)行周期性電加熱。系統(tǒng)最大單位面積加熱功率可達(dá)到3 W/cm2，溫度控制精度≤±1℃。最后，通過某型號(hào)飛機(jī)槳轂罩模型結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的工作性能。

1 電加熱控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

結(jié)冰風(fēng)洞電加熱控制系統(tǒng)是以工業(yè)設(shè)備控制器西門子S7-400系列PLC為核心，與運(yùn)行管理設(shè)備PC機(jī)通過PROFINET協(xié)議接入工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行交互，增加擴(kuò)展模塊通過DP-MODBUS轉(zhuǎn)換器連接支持MODBUS協(xié)議的程控電源、溫度巡檢儀，實(shí)現(xiàn)模擬飛機(jī)電熱防除冰功能，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電加熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of electric heating control system

控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層次至上而下可劃分為運(yùn)行管理層、電氣驅(qū)動(dòng)層、設(shè)備執(zhí)行層，各層相互獨(dú)立。其中運(yùn)行管理層包括PC機(jī)、觸摸屏以及內(nèi)部的軟件，向下發(fā)送相關(guān)指令給驅(qū)動(dòng)層控制電源運(yùn)作，并接收來自執(zhí)行層的上行測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；電氣驅(qū)動(dòng)層則由PLC、擴(kuò)展模塊組成，負(fù)責(zé)處理運(yùn)行管理層的指令信息和執(zhí)行層的測(cè)量信息，分別輸出給設(shè)備執(zhí)行層和運(yùn)行管理層；底層的設(shè)備執(zhí)行層是指DC 28 V，DC 270 V，AC 115 V等程控電源、溫度巡檢儀及其他測(cè)量器件，用以輸出電壓及相關(guān)數(shù)據(jù)采集，再與模型對(duì)接構(gòu)成完整的電熱防/除冰模擬體系。

1.2 支路控制原理

電加熱控制系統(tǒng)電源輸出由3種程控電源提供，采用冗余性設(shè)計(jì)方法，單臺(tái)大容量電源帶10條工作支路，滿足單支路大容量和多支路小容量電加熱，通訊實(shí)現(xiàn)有限范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)壓，直流穩(wěn)壓精度可達(dá)±1%F.S，交流可達(dá)±0.5%F.S。在電路設(shè)計(jì)上，工作支路均受斷路器保護(hù)，電流互感器反饋支路電流，選用無觸點(diǎn)型固態(tài)繼電器通斷主回路，開/關(guān)響應(yīng)時(shí)間≤0.01 s，支路控制原理框圖如圖2所示。

圖2 支路控制原理框圖Fig.2 The block diagram of branch control principle

系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況，由上位機(jī)發(fā)出相關(guān)控制命令，PLC接收后運(yùn)算處理，與程控電源通訊調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)量模塊輸出控制信號(hào)，控制主回路固態(tài)繼電器通斷，從而控制電加熱回路導(dǎo)通或關(guān)斷。

開環(huán)控制模式時(shí)，系統(tǒng)控制主回路固態(tài)繼電器按照控制律通斷進(jìn)行加熱；另外閉環(huán)控制模式時(shí)，還需反饋溫度信號(hào)，由溫度傳感器采集溫度量值，送至溫度巡檢儀處理后，傳回PLC形成溫度閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)主回路通斷控制，保持電源電壓不變，繼電器通斷主回路來調(diào)控溫度，以及調(diào)壓控制，保持主回路導(dǎo)通，調(diào)節(jié)電源電壓來調(diào)控溫度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電加熱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)界面設(shè)計(jì)和PLC控制程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)、發(fā)送指令、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)電熱控制律，PLC控制設(shè)備運(yùn)作、處理數(shù)據(jù)、邏輯判斷及暫存數(shù)據(jù)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，兩者承上啟下，數(shù)據(jù)傳輸通過通訊協(xié)議上傳下達(dá)、協(xié)同工作達(dá)到電熱防/除冰的應(yīng)用需求。

2.1 主程序控制流程

主程序控制主要包括如下幾個(gè)方面：上位機(jī)與PLC程序初始化、相關(guān)控制參數(shù)設(shè)置、上位機(jī)觸發(fā)信號(hào)及PLC接收后驅(qū)動(dòng)底層設(shè)備工作，具體主程序控制流程如圖3所示，其中，控制律控制主要依靠于開環(huán)模式，由外部控制器或附屬子系統(tǒng)提供，而閉環(huán)模式還包括主回路通斷和調(diào)壓兩種方式，需要設(shè)置工作方式。

圖3 主程序控制流程圖Fig.3 The flow chart of main program control

2.2 界面設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)界面應(yīng)用LabVIEW圖形化編程軟件編寫，其顯示內(nèi)容可反映出整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如系統(tǒng)的通訊狀況、當(dāng)前的工作模式等，還包含按鈕觸發(fā)控件實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、AC 115 V電源、DC 28 V電源、DC 270 V電源、報(bào)警事件等其他8個(gè)子界面切換，再在子界面中配置符合試驗(yàn)要求的供電電源。人機(jī)界面（human machine interaction，HMI）具體可實(shí)現(xiàn)的功能如圖4所示。

圖4 HMI功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The functional structure diagram of the HMI

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，上位機(jī)與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程交互，而實(shí)質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)則依靠OPC技術(shù)。利用NI的OPC Servers組件建立OPC服務(wù)器，針對(duì)PLC的網(wǎng)絡(luò)地址選擇性訪問內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)塊信息，再在LabVIEW程序中建立OPC客戶端，創(chuàng)建變量綁定OPC對(duì)象構(gòu)成共享變量，上位機(jī)便可直接讀、寫PLC的數(shù)據(jù)寄存器。因此，應(yīng)用OPC將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)組合成許多共享變量，經(jīng)程序拆分在人機(jī)界面上顯示，但是控制的關(guān)聯(lián)開關(guān)量較多，若批量單獨(dú)處理程序會(huì)較為復(fù)雜，于是設(shè)計(jì) Bool Impulse Command.vi，F(xiàn)loat Set Command.vi等子程序與OPC中綁定的PLC控制開關(guān)量及相關(guān)參數(shù)等控制變量進(jìn)行匹配，通過Datascoket函數(shù)鏈接控制變量的URL從而控制開關(guān)量的輸出以及參數(shù)設(shè)置。

2.3 電熱控制律程序

電熱控制律是周期性電熱防/除冰的關(guān)鍵，合理的配置可節(jié)省能耗、提升防/除冰性能，實(shí)質(zhì)上是指主回路工作的時(shí)間規(guī)律，根據(jù)支路控制原理可知，即為控制繼電器通斷的占空比規(guī)律。

本文所給的控制律是附屬于子系統(tǒng)，在上位機(jī)或PLC中設(shè)計(jì)控制律程序，但PLC的程序修改后需要重載不利于后續(xù)優(yōu)化。因此提出基于上位機(jī)的控制律程序，應(yīng)用延時(shí)函數(shù)與利用While結(jié)構(gòu)的移位寄存器、條件結(jié)構(gòu)和枚舉控件實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)配合，在枚舉控件中設(shè)置與控制律相一致的狀態(tài)數(shù)量，移位寄存器循環(huán)暫存當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)并賦值給條件結(jié)構(gòu)，再在條件結(jié)構(gòu)內(nèi)使用延時(shí)函數(shù)保持控制律狀態(tài)輸出，同時(shí)觸發(fā)狀態(tài)控件的值（信號(hào)）屬性節(jié)點(diǎn)以調(diào)用主程序的開關(guān)量處理事件子程序，經(jīng)OPC傳輸開關(guān)量值給PLC，從而控制繼電器按預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)律通斷，以滿足任意性控制律的設(shè)計(jì)要求，程序如圖5所示。

圖5 電熱控制律程序Fig.5 The program of the electric heating control law

3 結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗(yàn)驗(yàn)證

此次結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗(yàn)以某型號(hào)飛機(jī)槳轂罩模型為對(duì)象，選用了兩種控制律來驗(yàn)證槳轂罩前端電熱防冰的有效性?？刂坡桑ㄒ唬┦?2 s四等分反獨(dú)熱編碼形式通斷，相互再間隔67 s斷開狀態(tài)，如表1所示，“0”表示主回路斷開狀態(tài)，“1”表示主回路導(dǎo)通狀態(tài)，按序號(hào)順序執(zhí)行，整個(gè)周期時(shí)長為476 s，而且4個(gè)序號(hào)周期的通斷規(guī)律都不一致，呈現(xiàn)任意性；控制律（二）則是連續(xù)性通斷各25 s，周期時(shí)長為50 s。

表1 控制律（一）Tab.1 Control law（one）

按照試驗(yàn)要求，設(shè)置電熱控制律程序時(shí)序，選用開環(huán)控制模式工作，提供AC 115 V，400 Hz的電源。試驗(yàn)對(duì)象的電加熱元件阻值為15 Ω，接入系統(tǒng)AC 115 V電源某一支路，可得主回路電流理論值約7.67 A，1 s采集一次電流值，得到控制律（一）、控制律（二）電流變化如圖6、圖7所示。

圖6 控制律（一）電流變化Fig.6 Current change with the control law（one）

圖6為2個(gè)周期的控制律（一）電流變化，圖7為10個(gè)周期的控制律（二）電流變化，可見連續(xù)周期電流變化圖形與所給的控制律相符，基于上位機(jī)的控制律控制支路實(shí)現(xiàn)周期性加熱是可行的，且滿足多控制律需求。

圖7 控制律（二）電流變化Fig.7 Current change with the control law（two）

在弧面圓錐形槳轂罩表面13個(gè)點(diǎn)位布置了熱電偶，以P4為中心成“十”字型，如圖8所示。

圖8 槳轂罩表面熱電偶布置Fig.8 Thermocouple arrangement on propeller hub surface

試驗(yàn)?zāi)M了槳轂罩穿越易結(jié)冰環(huán)境的過程，采集了不同控制律槳轂罩表面溫度變化，如圖9、圖10所示。

圖9 控制律（一）槳轂罩表面溫度變化Fig.9 Temperature change of propeller hub surface with control law（one）

圖9中0～450 s左右時(shí)無噴霧的溫度變化，主要靠空氣流動(dòng)進(jìn)行換熱，13個(gè)點(diǎn)位溫度變化與圖7的控制律（一）1個(gè)周期的電流變化相符，在第1個(gè)和第4個(gè)波出現(xiàn)了雙峰，而到達(dá)450～520 s，13個(gè)點(diǎn)位溫度都下降，風(fēng)洞進(jìn)行噴霧模擬云霧環(huán)境，大量過冷水滴撞擊其表面，促進(jìn)熱交換，但后續(xù)的溫度變化仍與電流變化相符。同理，圖10所示的溫度變化也是與控制律（二）的電流變化一致。在噴霧過程中，根據(jù)點(diǎn)位布置情況，發(fā)現(xiàn)4個(gè)邊緣點(diǎn)位P1，P7，P8，P13溫度接近零度，其他點(diǎn)位均高于零度，槳轂罩表面大面積區(qū)域是未結(jié)冰的，達(dá)到了預(yù)期的防冰效果。因此，該電加熱控制系統(tǒng)符合大型結(jié)冰風(fēng)洞電熱除冰試驗(yàn)的應(yīng)用要求。

圖10 控制律（二）槳轂罩表面溫度變化Fig.10 Temperature change of propeller hub surface with control law（two）

4 結(jié)論

電加熱控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過PC機(jī)與PLC遠(yuǎn)程互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，可任意控制律開環(huán)和主回路通斷、連續(xù)調(diào)壓閉環(huán)溫度控制，同時(shí)具有實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)功能，提升了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

設(shè)計(jì)了任意性控制律程序，應(yīng)用于型號(hào)模型結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗(yàn)，分析試驗(yàn)過程中兩種控制律的回路電流變化和模型表面溫度變化，比較電流與溫度的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明系統(tǒng)具備多控制律的調(diào)控能力，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合結(jié)冰風(fēng)洞電熱防除冰試驗(yàn)要求。