某亞跨超聲速風洞安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)研制

馬列波，高 鵬，陳海峰，閻 成，唐子奇

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽 621000)

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是關(guān)系到整個風洞運行安全的重要系統(tǒng)，其完備性直接影響整個風洞控制系統(tǒng)的可靠性。安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主要進行風洞啟動條件判斷及狀態(tài)監(jiān)控[1]，緊急情況下自動停止風洞運行，保證風洞運行過程中的人員和設(shè)備安全，防止由設(shè)備準備條件不足或風洞洞體、試驗模型及測控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)異常等引發(fā)的不安全因素對風洞試驗和參試人員造成損失和傷害。

某亞跨超聲速風洞為1 m量級半回流暫沖式亞跨超聲速風洞，噴管出口尺寸為1.2 m×1.2 m，試驗馬赫數(shù)范圍為0.3～4.5，風洞設(shè)備主要包括：氣源系統(tǒng)、進氣管路和閥門系統(tǒng)、風洞主體、測量系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)和輔助設(shè)施。進氣管路和閥門系統(tǒng)包括主進氣路管路系統(tǒng)和引射進氣管路系統(tǒng)，兩條氣路分別配置有閘閥、快速閥和調(diào)壓閥；風洞主體包括穩(wěn)定段、噴管段、試驗段(2個)、支架段、超擴段、吸入引射器、增量引射器等。

通過主進氣路管路系統(tǒng)、引射進氣管路系統(tǒng)以及增量引射器的組合使用，形成5種運行方式，分別為增量引射式、下吹式、下吹吸入引射式、增量+吸入引射式，增量+下吹吸入引射式，滿足了0.3～4.5Ma的寬試驗馬赫數(shù)范圍，但同時也導致運行工況復雜、高馬赫數(shù)運行風險高等問題。運行方式組合示意圖如圖1所示。

圖1 運行方式組合示意圖

為了保證風洞運行安全，需要研制一套狀態(tài)數(shù)據(jù)采集處理全面準確、通信實時性高、可根據(jù)運行工況自動配置安全控制策略、具備多種安全關(guān)車手段的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

1 總體方案

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)由安全監(jiān)控計算機(上位機)、安全聯(lián)鎖PLC(下位機)以及控制臺組成。由于安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備安裝地點分散，監(jiān)控信息點多，為了減少施工量，系統(tǒng)布置基于分布式測控技術(shù)[2-5]，采用基于現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)化的開放式集散系統(tǒng)，功能分散，指揮集中[6-7]。安全聯(lián)鎖PLC(下位機)部署在風洞現(xiàn)場地下室，安全監(jiān)控計算機(上位機)和控制臺部署在風洞測控間。安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)功能主要包括：風洞現(xiàn)場各控制分系統(tǒng)及關(guān)鍵部段狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測及存儲功能，安全聯(lián)鎖控制策略自動配置功能，系統(tǒng)實時通信功能，風洞各控制分系統(tǒng)的控制功能，復雜運行工況下的自動回零、手動和緊急3種安全關(guān)車功能。

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)方式包括軟件控制和手動控制。手動控制部分通過操作測控間控制臺實現(xiàn)手動安全關(guān)車功能；軟件控制部分通過安全監(jiān)控計算機以及PLC共同實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測存儲、參數(shù)處理、自動回零安全關(guān)車等功能。

2 硬件組成

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)安全監(jiān)控計算機(上位機)選用聯(lián)想ThinkCentre系列計算機，下位機采用西門子的S7-1500系列PLC(CPU1516-3PN/DP)，PLC硬件輸入輸出模塊包括：3個32路數(shù)字量輸入模塊、2個32路數(shù)字量輸出模塊、3個8路模擬量輸入模塊和1個8路模擬量輸出模塊。安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)硬件拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)對風洞狀態(tài)的監(jiān)控通過網(wǎng)絡(luò)通信和傳感器硬件采集兩種途徑實現(xiàn)。

圖2 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信拓撲結(jié)構(gòu)圖

為了保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，風洞網(wǎng)絡(luò)通信基于測控環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)[8]，由西門子交換機組成光纖環(huán)網(wǎng)，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)PLC、各風洞控制分系統(tǒng)與環(huán)網(wǎng)交換機采用Profinet實時以太網(wǎng)連接，為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的實時性、實現(xiàn)狀態(tài)實時監(jiān)測以及減小異常情況下安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的響應時間，Profinet實時以太網(wǎng)采用RT實時通信協(xié)議，相比于常規(guī)的TCP/IP通信協(xié)議，系統(tǒng)通信周期可以由100 ms縮短至2～4 ms。由于安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)上位機在試驗運行過程中僅起狀態(tài)顯示與記錄功能，不參與執(zhí)行控制，對通信實時性要求不高，因此安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)上位機與下位機PLC之間通過OPC進行通信，通信周期為100 ms。

對于關(guān)系風洞運行安全的關(guān)鍵信號，如各控制分系統(tǒng)的就緒故障信號、關(guān)鍵部段的人孔開關(guān)信號、控制臺按鈕信號、穩(wěn)定段壓力和集氣室壓力等信號，通過直接接線方式連接到PLC輸入模塊進行硬件采集，同時將風洞閥門系統(tǒng)以及彎刀機構(gòu)通過直接接線方式接入到PLC輸出模塊，保證網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送故障時，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)仍能通過硬件輸出對風洞閥門、彎刀進行控制，確保風洞不失控。

穩(wěn)定段、集氣室和調(diào)壓閥后壓力信號通過壓力傳感器和電接點壓力表同時采集監(jiān)測，由人孔以及閥門開關(guān)信號等通過限位開關(guān)進行采集監(jiān)測。

3 軟件設(shè)計

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)軟件分為上位機系統(tǒng)管理軟件和下位機PLC控制軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理、狀態(tài)實時監(jiān)測、各分系統(tǒng)監(jiān)控，以及自動回零、手動安全關(guān)車等功能。上位機軟件采用LabVIEW編寫，下位機軟件采用西門子Portal的SCL語言編寫。圖3為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件主要功能圖。

圖3 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件主要功能圖

3.1 上位機軟件

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)管理軟件可以通過接收下位機PLC上傳的信息實現(xiàn)各監(jiān)測狀態(tài)的實時顯示與存儲，包括各控制分系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各閥門的開關(guān)狀態(tài)以及油源壓力溫度等；接收解析核心控制系統(tǒng)發(fā)送的試驗運行參數(shù)進行部署，根據(jù)試驗運行工況，自動配置安全聯(lián)鎖控制策略下發(fā)至下位機PLC，包括試驗開始前開車條件的檢測與控制、運行過程中異常情況下的關(guān)車流程等；控制指令的下發(fā)，在開車準備及試驗正常結(jié)束后根據(jù)部署的控制策略下發(fā)相關(guān)啟停指令，在試驗等待階段，下發(fā)手動操作控制指令；對控制指令進行聯(lián)鎖，如未打開快速閥均壓閥時，快速閥打開指令無效。

由于風洞復雜的運行工況，導致安全聯(lián)鎖控制策略復雜多變，為了實現(xiàn)其自動配置的高效性，縮短調(diào)試期間調(diào)整控制策略所需時間，對安全聯(lián)鎖控制策略進行模塊化設(shè)計。對風洞所有運行部段的工作模式以及控制方式等進行編號，對相應工作模式涉及到的控制分系統(tǒng)進行梳理，形成對應的操作指令，編寫相應的功能塊，然后根據(jù)運行工況對各部段編號進行排列組合，形成相應的安全聯(lián)鎖控制策略。表1為風洞部分部段的工作模式編號情況。

表1 風洞部分部段的工作模式編號表

3.2 PLC軟件

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)功能的執(zhí)行部分主要通過下位機PLC控制軟件實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)采集與處理，對PLC輸入輸出模塊信號進行安全邏輯、高低有效、強制性、上下閾值等預處理；與各控制分系統(tǒng)進行信息交互，將采集接收的壓力、油溫、就緒故障、閥門開關(guān)狀態(tài)等信息上傳至上位機；執(zhí)行上位機下發(fā)的控制指令及控制策略，進行開車條件檢測與控制，包括啟動油源、氣密封充氣和打開快速閥均壓閥等，并對其就緒狀態(tài)進行檢測，同時將未就緒條件上傳至上位機進行顯示，為試驗運行做好準備工作；運行過程中異常情況的判斷以及完成安全關(guān)車流程。圖4為PLC軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

圖4 PLC軟件功能結(jié)構(gòu)圖

安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)安全關(guān)車策略包括自動回零、手動以及緊急關(guān)車。其中自動回零關(guān)車通過下位機PLC軟件實現(xiàn)；手動關(guān)車通過控制臺按鈕操作實現(xiàn)；緊急關(guān)車通過硬件聯(lián)鎖實現(xiàn)，PLC軟件僅對其進行監(jiān)測記錄。

3.2.1 自動回零關(guān)車策略

基于風洞復雜運行工況，為了確保風洞洞體以及模型安全，對試驗運行過程中的異常狀態(tài)進行了分類，共分為三級報警信號。一級報警信號包括氣密封系統(tǒng)、油源系統(tǒng)和模型支撐系統(tǒng)等各分系統(tǒng)故障信號以及控制臺回零關(guān)車按鈕信號；二級報警信號包括核心控制系統(tǒng)故障、穩(wěn)定段總壓超低壓和控制臺PLC關(guān)車按鈕等信號；三級報警信號包括穩(wěn)定段總壓超高壓、集氣室壓力超高壓、洞內(nèi)有人、人孔打開以及控制臺緊急停車按鈕等信號。

當一級報警信號觸發(fā)后，PLC軟件向核心控制系統(tǒng)發(fā)送回零關(guān)車信號，由核心控制系統(tǒng)判斷并控制模型回零關(guān)車，包括調(diào)節(jié)調(diào)壓閥穩(wěn)定壓力，控制模型回到零位后關(guān)閉調(diào)壓閥，再關(guān)閉快速閥。

當觸發(fā)二級報警時，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)將接管核心控制系統(tǒng)的風洞控制權(quán)限，由 PLC軟件控制風洞模型回零關(guān)車。目前共有5種關(guān)車策略，過程包括控制調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力、控制模型迎角回零以及按照上位機下發(fā)的關(guān)車控制策略關(guān)閉相關(guān)閥門完成安全關(guān)車。為了實現(xiàn)上位機關(guān)車控制策略自動配置功能，便于調(diào)試關(guān)車控制策略，對PLC關(guān)車程序進行了模塊化設(shè)計，通過對風洞所有關(guān)車工況需要使用到的部段功能進行分解，形成基本的功能塊，包括各調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能，彎刀機構(gòu)實現(xiàn)模型迎角回零功能，各調(diào)壓閥關(guān)閉功能。然后根據(jù)上位機下發(fā)的關(guān)車策略，將基本功能塊進行組合，形成相應的關(guān)車控制策略。調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)控制策略采用智能PID控制，為了防止調(diào)壓閥控制權(quán)切換到PLC時閥位調(diào)節(jié)量突變，在不同壓力誤差范圍內(nèi)，采用不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)[9-10]。PLC關(guān)車策略如圖5所示。

圖5 PLC關(guān)車策略圖

3.2.2 手動及緊急關(guān)車策略

當試驗運行過程中發(fā)生異常時，需要終止試驗進行關(guān)車，若因PLC程序故障等原因?qū)е伦詣雨P(guān)車流程無法執(zhí)行，需要通過控制臺進行手動關(guān)車，包括切換彎刀控制權(quán)限為手動，操作控制臺上全摸正向/負向按鈕控制模型回零，待模型回零到位后，按下緊急關(guān)車按鈕，關(guān)閉快速閥，完成安全關(guān)車。

緊急關(guān)車作為風洞最后一道安全關(guān)車保障，當試驗運行過程中觸發(fā)了三級報警信號或者自動回零關(guān)車執(zhí)行時間超時，將執(zhí)行緊急關(guān)車。當電接點壓力表、人孔開關(guān)以及控制臺按鈕等硬件信號被觸發(fā)后，直接控制關(guān)閉快速閥，不進行模型回零及壓力調(diào)節(jié)。

4 調(diào)試結(jié)果

針對安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的主要功能進行了測試，主要包括數(shù)據(jù)采集處理顯示功能、各控制分系統(tǒng)的控制功能、安全聯(lián)鎖控制策略自動配置功能以及3種安全關(guān)車功能。

圖6為安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)上位機狀態(tài)顯示界面。從圖中可以看到，界面可以實時顯示油源系統(tǒng)、氣密封系統(tǒng)、柔壁系統(tǒng)等控制分系統(tǒng)的狀態(tài)、閥門的開關(guān)狀態(tài)和調(diào)壓閥的開度信息等。

圖6 上位機狀態(tài)顯示界面圖

圖7為安全聯(lián)鎖控制策略自動配置界面。從圖7中可以看到，安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)運行參數(shù)的接收解析部署功能，能夠?qū)崿F(xiàn)控制策略的自動配置功能。

圖7 安全聯(lián)鎖控制策略自動配置界面圖

圖8為試驗前開車檢測狀態(tài)顯示界面，表明PLC軟件可以在試驗準備階段實現(xiàn)各分系統(tǒng)控制和就緒狀態(tài)檢測功能。

圖8 開車檢測狀態(tài)顯示界面圖

對安全關(guān)車進行調(diào)試，在空風洞試驗過程中分別模擬一級、二級和三級報警信號，觸發(fā)安全關(guān)車。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，模擬模型支撐系統(tǒng)故障信號觸發(fā)一級報警時，核心控制系統(tǒng)能夠收到回零關(guān)車信號；當穩(wěn)定段壓力穩(wěn)定后，模擬穩(wěn)定段超低壓信號觸發(fā)二級報警，PLC能夠進行壓力調(diào)節(jié)，同時進行模型回零，然后關(guān)閉調(diào)壓閥，完成PLC安全關(guān)車；當按下控制臺緊急關(guān)車按鈕觸發(fā)三級報警時，快速閥能夠立即關(guān)閉，完成安全關(guān)車。圖9為二級報警安全關(guān)車調(diào)試過程中穩(wěn)定段壓力的變化曲線。從圖中可以看到，當觸發(fā)二級報警時，PLC能夠根據(jù)上位機下發(fā)控制策略進行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定段壓力。

圖9 穩(wěn)定段壓力變化曲線

5 結(jié)束語

某亞跨超聲速風洞安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在風洞復雜運行工況下，通過采用Profinet實時以太網(wǎng)RT通信協(xié)議，對安全聯(lián)鎖控制策略以及PLC軟件關(guān)車程序進行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)測、安全聯(lián)鎖控制策略的自動配置部署以及3種安全關(guān)車手段，保證了風洞試驗的高效安全運行。