基于S7-300 PLC的高超聲速高溫風洞控制系統設計

蒲旭陽 ，胡俊逸 ，李向東 ，鄧和平 ，盧傳喜

（1.中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，綿陽 621000；2.中國空氣動力研究與發展中心 吸氣式高超聲速技術研究中心，綿陽 621000）

隨著微處理器、集成電路技術和通信技術的不斷發展，計算機控制技術已經廣泛應用到幾乎所有的工業領域。以微處理器為基礎的可編程序控制器由于其功能強大、應用面廣，而且具有極高的可靠性和靈活性，成為當代工業自動化的主要支柱之一。中國空氣動力研究與發展中心的Ф5 m立式風洞[1]、8 m×6 m 風洞[2]和西北工業大學 NF-6 風洞[3]都采用PLC控制方式。本文結合作者工程研究實際，詳細描述了基于S7-300 PLC的高超聲速高溫風洞運行控制系統設計以及在閥門及時序控制、壓力及流量控制中的應用。

1 風洞組成及特點

Ф600 mm暫沖式高超聲速高溫風洞是由中國空氣動力研究與發展中心研制用于吸氣式高超聲速技術研究的高超聲速高溫風洞，它采用了“燃燒加熱+真空抽吸”運行模式，風洞主要由空氣氣源、氧氣氣源、氫氣氣源、氮氣氣源、配氣系統、循環冷卻水系統、點火系統、加熱器、噴管、試驗段、擴壓器、噴水冷卻系統、真空閥、真空球罐等組成，如圖1所示。

圖1 風洞控制對象組成Fig.1 Control object makeup of wind tunnel

由圖1及風洞的運行特點可知，整個系統包含的控制對象主要有電動截止閥、氣動快速閥、壓力調節閥、真空蝶閥、電磁閥、壓力變送器、溫度變送器、流量計、液位計、點火系統、測試系統、流場顯示系統等。對于控制系統的主要技術要求有根據試驗流程的要求完成運行程序、流量控制程序和安全聯鎖程序設計、流量控制偏差小于±2%；完成整個系統各閥門的時序控制和狀態顯示；實現所有信號的實時監測和采集記錄；與點火系統、測試系統、流場顯示系統、燃料供應系統等輔助系統實現通訊；整個系統實現安全聯鎖。

2 控制系統設計

2.1 控制系統結構

由于風洞的子系統較多，而且個別子系統的輸入/輸出點數達到百余點，綜合考慮布線、系統可靠性及風險控制等因素，控制系統采用了“分散控制、集中管理”的分布式架構方案。從網絡拓撲架構上可以分為管理層、控制層和現場設備層，如圖2所示。

圖2 控制系統結構Fig.2 Control system structure diagram

管理層主要由運行管理機、網絡設備和UPS不間斷電源等組成，運行管理機用于系統的實時監控和運行操作，網絡設備用于數據的傳輸，UPS不間斷電源用于為各種設備提供后備電源。控制層則主要由現場監控操作站、PLC控制器等組成，主要根據各個子系統和各個部件工藝要求和復雜程度的不同，來完成各個子系統和各個部件的運行管理。現場設備層則是整個系統的最底層，主要由I/O設備、傳感器、變送器、變頻器、接觸器、繼電器、流量計等現場設備組成。

2.2 控制系統硬件

控制系統選用西門子S7-300 PLC[4]作為系統的下位機，風洞的各個被控制對象的控制時序和控制邏輯均由對PLC編程實現。控制面板上的各種按鈕開關、信號指示與PLC的輸入輸出模塊相連，通過操作者→人機界面→PLC→中間轉換器件→被控對象這樣的順序，實現對風洞部件的控制，通過與之相反的順序，獲得控制對象的當前狀態信息。以工業控制微機作為控制系統的上位機，主要作用是修改PLC程序、控制操作（人機交互）界面等功能。模擬量輸入模塊的型號為SM331-AI8X16（6ES7 331-7NF10-0AB0），它提供4通道8個隔離輸入，與底板總線接口光電隔離，測量精度為15位+符號位，每個通道組可選測量范圍和測量類型，可選干擾抑制頻率。數字量 （開關量）輸入模塊型號為SM321-DI32X24（6ES7-321-1BL00-0AA0），它提供帶隔離的32個輸入點，額定輸入電壓為24 V直流。數字量（開關量）輸出模塊型號為SM332-DO 16X繼電器120/230 V AC（6ES7-322-1HH01-0AA0），它提供帶隔離的16個輸出點，負載電壓24～120 V DC、48～120 V AC。模擬量輸出模塊型號為SM332-AO 8X12（6ES7-332-5HF00-0AB0），其 D/A 輸出分辨率為 12 位；輸出范圍為 0～20 mA、4～20 mA、1～5 V、0～10 V等。

2.3 閥門及時序控制

在Ф600 mm高超聲速高溫風洞設備上包括有各式各樣的閥門，在電動類閥門中就有控制閥（亦稱調節閥）和截止閥[5]。截止閥的驅動部件為電機或電磁閥，通過電機的正反轉或電磁閥的通斷電來實現閥門的開閉。因此，通過PLC的數字量輸出模塊直接對控制器件（接觸器或繼電器）的通斷電就能實現此類閥門的控制，但在設計時要注意電氣特性的匹配。而控制閥的驅動包括了液壓驅動、氣壓驅動和步進電機驅動，這類閥門一般都包含單獨的數字式閥門控制器[6]，其結構如圖3所示。其輸入信號的電源激勵部分可以由PLC的電源模塊來完成，其輸入信號中的閥位控制和輸出信號中的閥位反饋為4～20 mA的電流信號，可以通過PLC的模擬量輸入輸出模塊來實現。

圖3 閥門控制器結構Fig.3 Valve controller configuration diagram

在Ф600 mm高超聲速高溫風洞運行時，要求運行的準備工作、啟動、運行、關車以及其它的操作都自動完成，也就是要求按照設定的時間間隔來依次動作風洞設備上的各個閥門，完成精確的時序控制。這類任務可以利用PLC中的定時器和計數器來完成，PLC能提供最小10 ms的定時器中斷，能夠基本滿足風洞時序控制精度的要求。

2.4 流量控制

在Ф600 mm高超聲速高溫風洞中，要求實現各組分高壓試驗氣體的流量控制。通過分析，采用了如圖4所示的流量控制布局方式。在沿各高壓氣體流入方向上，串聯調節閥和文丘里管，并在文丘里管和調節閥的上下游布置壓力測點。

圖4 流量控制布局Fig.4 Flux control layout diagram

圖中，p101～p106為壓力測點，由文丘里管的工作原理[7]可知，入口圓筒段的低速氣流流入圓錐收縮段后速度不斷增大，在上下壓差足夠時在圓筒喉道段的某個位置達到音速流動而形成音速截面；根據氣體流量公式（式1），在喉道直徑、當地溫度和氣體性質等參數確定后，氣體流量唯一取決于上游壓力，對流量的控制就轉換為對文丘里管上游壓力的控制。

對文丘里管上游壓力控制是如圖5所示的一個閉環系統。其控制過程為采集文丘里管上游的壓力，把它與設定的壓力值相比較，將其差值送入PID控制算法進行處理，最后由PID控制算法輸出的模擬信號來調節調壓閥的開度，使文丘里管上游壓力不斷逼近于設定壓力值。

圖5 壓力控制方案Fig.5 Pressure control scheme diagram

采用PID控制的理由為被控對象對外界信號的響應有一定的慣性；能量和信息的傳輸會因為管道和線路等原因引起時間上的滯后，這些使得系統的動態響應變差。如果僅用偏差的比例控制很難達到理想的效果。因此，為了改善系統的調節品質，需要引入偏差的積分控制以提高精度，引入偏差的微分控制來克服慣性滯后。

PID算法的模擬表達式為

其傳遞函數的形式為

式中：Kp為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

對于實際的控制系統，通常利用采樣方式來實現檢測和控制。因此，把連續系統的微分方程由相應離散系統的差分方程來代替。

將式（2）中的積分項和微分項離散化并經過整理，得到其增量型表達式：

由于式（4）的控制輸出對應每次調節閥開度的增量，故稱之為PID控制的增量式算法。由于控制系統一般采用恒定的采樣周期T，故在確定了Kp、Ki、Kd3個控制參數后，根據前后3次測量值偏差即可由式（4）求出控制增量。

在Ф600 mm高超聲速高溫風洞上采用這種流量控制方式成功實現了流入燃燒加熱器各組分氣體的流量控制。圖6是在控制目標壓力為8.03 MPa狀態下的系統調試結果圖，其流量控制偏差達到了1.0%。

圖6 流量控制調試結果Fig.6 Debugging result of flux control

2.5 安全聯鎖設計

安全運行作為風洞的一項關鍵技術，運行程序的設計必須考慮安全聯鎖，控制程序必須按照試驗要求來實現風洞的開啟運行。試驗前的軟件安全聯鎖條件為應完成設置參數寫入；試驗段艙門狀態、緊急停車按鈕狀態、試驗段放空閥狀態、循環冷卻水出水閥狀態、點火電源狀態應滿足要求；低壓驅動氣壓力、高壓驅動氣壓力、循環冷卻水出水壓力、真空蝶閥驅動油壓、循環冷卻水出水流量、冷卻水罐液位、試驗段壓力、真空罐壓力、氣源壓力應達到需求值；空氣壓力調節閥、氧氣壓力調節閥、氫氣壓力調節閥應完成開度預置。這些安全聯鎖條件通過上位機編程設置來實現，只有在所有安全聯鎖條件都滿足的情況下，風洞才被允許開車試驗。而試驗中的安全聯鎖是嵌入到主控制器內，在風洞運行中實時監測聯鎖狀態，一旦聯鎖狀態條件滿足便觸發相應的安全聯鎖程序，完成風洞運行的緊急停車。

3 結語

綜上所述，由于PLC功能強大、應用面廣，既能滿足普遍需求任務中的閥門控制及時序控制，又能完成壓力流量這樣的閉環控制，控制精度高，還能對各種智能設備進行組網，實現集中管理、分散控制，所以它已經成為風洞控制系統中的主要控制方式及手段。中國空氣動力研究與發展中心Ф600 mm高超聲速高溫風洞就采用了分布式控制方式，選用西門子公司的S7-300系列PLC，通過MPI總線對S7-300系統進行組網。實驗結果表明：運行控制系統性能穩定，壓力控制精度達到1.0%，滿足了使用需求。

[1]張賢德，陳今潤，熊建軍，等.基于S7-400 PLC的立式風洞動力監控系統的研制[J].電氣傳動，2008，38（3）：50-53.

[2]汪華松，施洪昌.Profibus在風洞動力系統網絡設計中的應用[J].測控技術，2001，20（2）：34-36.

[3]姚凱，高超，何智，等.PLC在NF-6風洞風機控制系統中的應用[J].機械與電子，2005（6）：67-69.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]J.L.萊昂斯.閥門技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1991.

[6]何衍慶，邱宣振，楊潔，等.控制閥工程設計與應用[M].北京：化學工業出版社，2005.

[7]孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手則[M].北京：化學工業出版社，2000.

[8]倪遠平，羅毅平.計算機控制技術[M].重慶：重慶大學出版社，1997.