高壓壓氣機試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

張迪ZHANG Di；陳志龍CHEN Zhi-long；岳柳煦YUE Liu-xu

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責任公司，上海201306）

0 引言

高壓壓氣機是航空發(fā)動機的重要組成部件，由于其系統(tǒng)相當復雜，設(shè)計、加工、裝配等各環(huán)節(jié)都會影響其性能，目前還沒有計算方法能夠較為精確預估其氣動性能和動力特性，往往需要通過試驗來驗證是否已達到氣動設(shè)計指標及不同的結(jié)構(gòu)因素對壓氣機性能的影響，以便對設(shè)計或其他工藝環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改進[1-2]。民用高壓壓氣機試驗臺主要就是為檢驗壓氣機試驗件不同的設(shè)計點性能提供特定的工況狀態(tài)，并獲取不用工況下的試驗數(shù)據(jù)。而試驗技術(shù)的先進水平很大程度取決于試驗測控技術(shù)，需通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)試驗件參數(shù)的測量與存儲、試驗臺工況的過程控制。且民用高壓壓氣機試驗具有測點多、單次試驗運行時間長、工藝控制參數(shù)多等特點，為試驗臺建立一套高性能、高可靠運行的測控系統(tǒng)是研制高性能民用高壓壓氣機部件的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

1 測控系統(tǒng)架構(gòu)概述

以實時測量、安全操作為原則，對測控系統(tǒng)進行功能性分工，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)和閥門控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責壓氣機試驗件溫度、壓力等參數(shù)的實時采集、處理、顯示，與控制系統(tǒng)的通訊及全臺架試驗的過渡態(tài)記錄，保證了各系統(tǒng)試驗信號的實效性，利于排故過程進行時序分析，加速了試驗技術(shù)不斷完善的進程。閥門控制子系統(tǒng)，主要是對進排氣閥、引氣閥、軸向力閥等控制；額外的，在進行各閥門特定調(diào)節(jié)規(guī)律控制試驗時，一旦出現(xiàn)不可控因素，如喘振等，緊急操作處理中，轉(zhuǎn)速控制的響應是極為關(guān)鍵的，因此轉(zhuǎn)速信號也由此系統(tǒng)進行控制。試驗臺為滿足試驗工況的控制，配備了監(jiān)控設(shè)備設(shè)施安全運行的監(jiān)控系統(tǒng)。三個系統(tǒng)間相互獨立又存在制約互鎖關(guān)系，大部分數(shù)據(jù)的交互由網(wǎng)絡通訊完成，個別關(guān)鍵信號則由硬線輸入輸出通道進行測試與控制。如圖1 所示。

圖1 測控系統(tǒng)架構(gòu)

2 測控系統(tǒng)設(shè)計

基于民用高壓壓氣機試驗臺的復雜性，工藝系統(tǒng)設(shè)備分布廣、種類多、安全性要求高等特點，在測控系統(tǒng)的設(shè)計上，優(yōu)先采用網(wǎng)絡化、智能型儀器儀表，化繁為簡的同時保障了信號的采集與控制精度。系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞均采用以太網(wǎng)通訊方式：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間采用Modbus協(xié)議傳輸需要記錄與觸發(fā)的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)間采用高速的EDG 通訊[4]以實現(xiàn)快速交互保障控制安全；控制系統(tǒng)內(nèi)部，包括主從站、控制器與HMI，則采用profibus 總線組成局域網(wǎng)。實現(xiàn)了各系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的集中管理與安全監(jiān)控。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1.1 軟件功能設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有管理、實時采集/計算/報警/顯示/通訊、存儲和后處理功能，同時支持時鐘同步、系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)歸檔、用戶權(quán)限管理、在線計量、計時/定時等其他輔助功能。主要地：

①管理分為配置管理和試驗管理：配置管理令每個試驗的配置具有唯一標識，溯源清晰；試驗管理支持掃描采集和數(shù)據(jù)回放兩種模式；

②采集功能支持氣體壓力掃描閥、溫度掃描閥、VXI板卡等設(shè)備，以實現(xiàn)對氣體壓力、溫度、電流/電壓、直流應變、交流電壓、頻率、數(shù)字量等信號的采集；

③實時計算功能支持常規(guī)運算（數(shù)學運算、查表插值運算、多項式運算、條件判斷運算等）、通道實時賦予強制仿真值功能；

④實時報警功能支持多類型報警（包括低極限值、低報警值、高報警值、高極限值、變化速率）及多類型動作觸發(fā)；

⑤實時顯示功能支持自定義界面圖形化顯示、彈窗顯示、表格化顯示，支持報警提示顯示及系統(tǒng)信息狀態(tài)監(jiān)視顯示；

⑥存儲功能包括歷程數(shù)據(jù)存儲、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)存儲和系統(tǒng)信息的存儲；

⑦后處理功能支持歷史數(shù)據(jù)的查詢顯示、數(shù)據(jù)導出；數(shù)據(jù)導出包括歷程數(shù)據(jù)導出、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)導出與二次生成、自定義報告等。

2.1.2 物理架構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)、硬件子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)、配置數(shù)據(jù)庫、試驗數(shù)據(jù)與校準數(shù)據(jù)庫、應用軟件、實時采集軟件、輔助功能子系統(tǒng)組成。具體地：

①計算機系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理主機、管理計算機、顯示計算機組成。數(shù)據(jù)處理主機具有多網(wǎng)口，以便分別與硬件子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、NDDS 動態(tài)通訊系統(tǒng)等交互數(shù)據(jù)。

②硬件子系統(tǒng)由壓力采集子系統(tǒng)、溫度采集子系統(tǒng)、模擬量/數(shù)字量輸入輸出子系統(tǒng)、Modbus 通訊子系統(tǒng)組成。硬件子系統(tǒng)的每個通道，均在離試驗件最近的現(xiàn)場設(shè)置一接線轉(zhuǎn)接面板，以便于與試驗件的連接拆卸、排故等操作。

其中，壓力采集子系統(tǒng)由壓力掃描閥、交換機、網(wǎng)線、各種規(guī)格型號的尼龍引壓管/管路/轉(zhuǎn)接件/線纜、泄壓閥、壓力信號開關(guān)、手閥、電磁閥、電氣柜等組成；壓力掃描閥盡可能近的靠近試驗件測點，以減少采集時的容腔效應[1]，并利于系統(tǒng)的反吹操作將氣壓管線內(nèi)的灰塵等雜質(zhì)吹出。

溫度采集子系統(tǒng)由溫度掃描閥、交換機、各種規(guī)格類型的熱電偶延長線/轉(zhuǎn)接件/線纜、恒溫空調(diào)柜等組成；溫度掃描閥采用VTI EX1048A 模塊熱電偶通道內(nèi)置冷端補償，可通過軟件選擇自校準操作，簡化了外部線纜連接[5]，且為進一步保障其測量精度特性，將其布置在恒溫空調(diào)柜中，并由設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視空調(diào)報警信號。

③軟件子系統(tǒng)由計算通道、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)服務、限制值與動作響應等組成，布置于數(shù)據(jù)處理主機。

④數(shù)據(jù)庫：配置數(shù)據(jù)庫，用于存儲系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)，布置于管理計算機；試驗數(shù)據(jù)與校準數(shù)據(jù)庫，是一個用于存儲試驗數(shù)據(jù)與校準數(shù)據(jù)的ORACLE 數(shù)據(jù)庫，布置于數(shù)據(jù)處理主機。

⑤應用軟件，由配置軟件、常用工具軟件、系統(tǒng)備份軟件、殺毒軟件等組成，布置于管理計算機和顯示計算機。

2.2 設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1 軟件功能設(shè)計

支撐試驗安全穩(wěn)定運行的設(shè)備設(shè)施有：支撐液壓閥門作動的液壓系統(tǒng)，提供冷卻氣、儀表氣、封嚴氣等的壓縮空氣系統(tǒng)，為動力傳動系統(tǒng)組件提供滑油的動力滑油系統(tǒng)，為變頻器、引氣熱交換、電機等設(shè)備提供冷卻循環(huán)水的冷卻水系統(tǒng)，提供試驗件轉(zhuǎn)動動力源的傳動、變頻系統(tǒng)，支撐試驗件等人物運輸、火警監(jiān)控以及允許人物穿行且保障氣流品質(zhì)、隔絕噪聲的聲鎖門等構(gòu)成的土建系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)遠程監(jiān)控運行的電源系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，保護系統(tǒng)緊急情況安全運行的急停/鎖定系統(tǒng)。以各設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)作為系統(tǒng)功能分解要素，主要地：

①系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。包括匯總以下所有子系統(tǒng)就緒狀態(tài)以及設(shè)施溫度監(jiān)視（測控電氣柜超溫報警信息、壓氣機試驗間溫度）。試驗前，操作人員通過此界面，即可清晰知曉各子系統(tǒng)準備狀態(tài)，快速跟進未就緒設(shè)備信息。②液壓系統(tǒng)監(jiān)控。液壓系統(tǒng)監(jiān)控分為本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控。本地監(jiān)控具備系統(tǒng)上下電監(jiān)控、主油泵本地監(jiān)控、超溫冷卻設(shè)置等功能；遠程監(jiān)控具備監(jiān)視系統(tǒng)主油箱液位限位、油箱溫度、主供油管路壓力、壓氣機支路供回油手閥狀態(tài)、壓氣機各液壓閥支路供油壓力/供油過濾壓差。③壓縮空氣系統(tǒng)監(jiān)控。FCS 系統(tǒng)具備遠程監(jiān)視其壓縮空氣站穩(wěn)壓罐壓力、主路壓力、儀表氣支路、輔助供氣支路溫度壓力等參數(shù)，監(jiān)控輔助供氣支路主閥，監(jiān)控輔助供氣支路試驗件各分支閥前流量、壓力調(diào)節(jié)閥（自動PID/手動控制切換），監(jiān)控輔助供氣支路壓氣機軸冷卻氣支路、傳動系統(tǒng)封嚴用氣壓力、流量等信號。④土建系統(tǒng)監(jiān)控。包括對暖通系統(tǒng)、試驗間吊車、聲鎖門的遠程監(jiān)控。⑤動力滑油系統(tǒng)監(jiān)控。動力滑油系統(tǒng)監(jiān)控分為本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控。本地監(jiān)控具備油箱溫度加熱、獨立泵的啟停、供電顯示等操作。遠程監(jiān)控模式具備遠程監(jiān)視油箱液位限位，監(jiān)控油箱溫度、主泵啟動/停止及其運行狀態(tài)和其過濾壓差高限位，監(jiān)控主供油管路溫度（冷卻水閥）及壓力PID 自動/手動，監(jiān)控傳動系統(tǒng)電機、齒輪箱、測扭器各支路流量、壓力、壓力低限位及電磁閥開關(guān)、高壓泵啟動/停止等信號。⑥冷卻水系統(tǒng)監(jiān)視。具備對冷卻水系統(tǒng)遠程監(jiān)視的功能，包括對進水主路、引氣熱交換器、變頻器、電機進水壓力、溫度、流量監(jiān)視。⑦通訊系統(tǒng)監(jiān)視。具備對冗余PLC 環(huán)狀通訊狀態(tài)監(jiān)視、外圍設(shè)備通訊監(jiān)視的功能。⑧急停/鎖定系統(tǒng)監(jiān)視。包括對液壓鎖定、急停、電氣鎖定的監(jiān)視。⑨控制系統(tǒng)典型功能。包括權(quán)限登錄、報警、模擬量校準、計時等。

2.2.2 物理架構(gòu)設(shè)計

設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)由HMI 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)組成，以GE RX3i 系列PLC 為核心，采用主機雙冗余設(shè)計，遠端子站通過profinet 與主機形成一個環(huán)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這樣可以有效較少因關(guān)鍵電子元器件損壞對試驗帶來的影響。具體地：

①HMI 系統(tǒng)由HMI 硬件子系統(tǒng)和HMI 軟件子系統(tǒng)組成。其中，HMI 硬件子系統(tǒng)由計算機、鼠標/鍵盤、顯示器、硬盤組成；HMI 軟件子系統(tǒng)由Office 辦公軟件、備份還原軟件、Wonderware InTouch 界面開發(fā)自軟件、Proficy Machine Edition 可編程邏輯控制器開發(fā)軟件組成。

②PLC 系統(tǒng)由1 組冗余主從站、4 個遠端子站、輔助硬件系統(tǒng)組件組成。其中主從站由PLC 機架、PLC 電源模塊、CPU 模塊、冗余模塊、主站掃描模塊、通訊模塊、擬量/數(shù)字量輸入輸出模塊、頻率輸入模塊等組成。輔助硬件系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)化電路板、接線端子排、保險絲、各型號電纜、交換機、電氣柜、24V DC 電源等組成。

2.3 閥門控制系統(tǒng)

2.3.1 軟件功能設(shè)計

試驗過程中需要控制的關(guān)鍵參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、節(jié)流比、壓比、VSV 角度、引氣率、軸向力。具體地：

①轉(zhuǎn)速系統(tǒng)監(jiān)控。轉(zhuǎn)速的控制方式分為機械物理轉(zhuǎn)速控制和相對換算轉(zhuǎn)速控制模式，同時具備啟動/停止電機、轉(zhuǎn)速目標值/升降轉(zhuǎn)速率/限制值配置等功能。

②進氣系統(tǒng)監(jiān)控。具備監(jiān)測進氣塔門限位、過濾壓差、進氣流量、穩(wěn)壓箱壓力溫度等信號功能，進氣液壓閥門的控制方式分為閥位手動控制、進氣壓力自動控制及一鍵全開控制模式，同時具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

③排氣系統(tǒng)監(jiān)控。排氣液壓閥門的控制方式分為閥位手動控制、壓比自動控制及換算流量自動控制模式，同時具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

④VSV 系統(tǒng)監(jiān)控。具備監(jiān)控VSV 功能，控制方式分為手動目標值控制、自動隨轉(zhuǎn)控制、一鍵聯(lián)動控制、機械全開/全關(guān)控制，同時具備按鍵最小輸出間隔、控制模式切換限制條件、PID 參數(shù)配置等功能。

⑤引氣系統(tǒng)監(jiān)控。無論是正壓引氣還是負壓引氣，均具有閥位手動控制、引氣率自動控制、隨轉(zhuǎn)自動控制模式。同時具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

⑥軸向力系統(tǒng)監(jiān)控。具備氣動軸向力閥位目標值錄入等功能。

2.3.2 物理架構(gòu)設(shè)計

閥門控制系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計原理與設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)相同，同樣由HMI 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)組成。特別地：

①HMI 系統(tǒng)：VSV HMI 控制獨立于閥門控制系統(tǒng)HMI 控制。

②PLC 系統(tǒng)：由于閥門控制系統(tǒng)控制模式及被控設(shè)備的多樣性，配備了以GE RX3i 系列PLC 為核心的三組冗余主從站。

3 結(jié)論

硬件的合理選擇與布局、軟件的聯(lián)鎖邏輯與自動功能設(shè)計，充分響應了試驗臺功能與系統(tǒng)技術(shù)指標需求的同時。與傳統(tǒng)的試驗臺測控系統(tǒng)相比：

①在物理架構(gòu)方面，增強了測控系統(tǒng)的可維護性、可靠性、拓展性；②在試驗數(shù)據(jù)管理方面，設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)與閥門控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊子系統(tǒng)，將控制參數(shù)與試驗件參數(shù)存儲一體化，便于數(shù)據(jù)分析與排故；③在遠程監(jiān)控方面，集成覆蓋了各閥門系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的常用關(guān)鍵設(shè)備，大大降低試驗人員試驗準備期間的工作強度；④在安全操作方面，三個系統(tǒng)間的互鎖監(jiān)控設(shè)計，相互獨立又協(xié)調(diào)，避免了誤操作，提高了試驗的安全性；⑤在自動試驗方面，設(shè)計了包括自動控制功能在內(nèi)的多種控制模式，提高了試驗效率與操控的靈活性。

經(jīng)過長時間的應用，此系統(tǒng)運行安全、可靠、穩(wěn)定，對于高壓壓氣機試驗而言，整體提高了試驗的交付質(zhì)量。