基于網絡化的某試驗設備測控系統設計

楊海濱，熊 健，黃 輝，陳海峰，夏洪亞

(中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

某試驗設備是開展風扇、壓氣機和渦輪葉片相關試驗研究、驗證設計方法的一種重要設施。作為試驗設備的重要組成部分，測控系統承擔了所有設備的靜態調試、參數設置、動態試驗、設備監控、數據采集以及試驗完成后的數據處理等任務，其性能的好壞直接關系到設備能否安全、高效地運行。

隨著網絡技術的飛速發展，其高效的通訊速度和靈活的組態方式使得網絡技術在工業測控領域得到了大量的應用。尤其是在分布式集散測控系統中，合理采用網絡化技術可以使得布線簡潔，而且系統組態靈活，便于擴展，可以大大縮短測控系統的研制調試時間，并降低系統安裝與維護成本[1]。某試驗設備建設中，測控系統的設計過程中應用了工業以太網和Profibus等總線技術，將核心控制器、PLC和PXIe測量系統整合起來。從而實現了上位計算機系統和各個測控分系統的高效通訊和有機統一，收到了較好的應用效果。

1 試驗設備總體介紹

圖1為試驗設備總體輪廓圖[2]。包括：主氣流調壓系統、半柔壁噴管、穩定段、試驗艙、排氣收集段、引射系統、排氣消聲系統、抽吸次流系統等。

1)主氣流調壓系統：包括進氣管路和閥門系統。

2)穩定段：包括殼體、蜂窩整流器和阻尼網等。

3)試驗艙：包括擴壓葉柵試驗艙和渦輪葉柵試驗艙。

4)排氣收集段：包括收集器、方變園過渡段、膨脹節和排氣調壓閥等。

5)引射系統：包括三級引射器及其管路等。

6)抽吸次流系統：包括真空泵、電動閘閥、氮氣罐、加熱器、調壓閥、流量計及柔性補償段等。

測控系統主要完成對上述系統設備的運行監控及數據采集，包括核心控制系統、進氣控制系統、半柔壁噴管控制系統、試驗艙控制系統、抽吸次流控制系統、引射控制系統、安全聯鎖系統、測量系統等子系統。

圖1 試驗設備總體輪廓圖

2 技術要求及技術指標

2.1 總體技術要求

1)充分利用現場總線和實時網絡，合理設計系統的拓撲結構。

2)驅動器具備在線監測及自校正功能。

3)測控系統應具備對試驗設備閥門、半柔壁噴管、試驗艙、引射系統、抽吸次流等子系統進行實時監控、數據采集以及安全保護的功能。

2.2 主要技術指標

測控系統研制的技術指標要求如下：

1)馬赫數Ma≤1.0時，|△Ma|≤0.005；Ma>1.0時，總壓P0控制精度：0.3%。

2)引射壓力控制精度：0.5%。

3)抽吸壓力控制精度：0.3%。

4)次流流量控制精度：3%。

5)數據采集通道數：32，測量不確定度：0.01%FS。

6)電子掃描閥壓力測量通道數：320，測量不確定度：0.05%FS。

3 測控系統總體方案

測控系統采用基于網絡和現場總線的三層結構,圖2為總體網絡框圖。第一層為管理監控層。主要由負責試驗調度管理、設備運行監控、數據采集處理、存儲服務等上位計算機組成;第二層為現場控制層。其功能為現場實現主氣流進氣、半柔壁噴管型面、試驗艙、引射、抽吸次流控制和數據采集等。主要包括現場控制器(核心控制器、PLC控制器、采集機箱、壓力掃描閥等計算處理單元)、輸入輸出模塊與接口(包括AIO、DIO、基于數字傳送的通訊接口)、觸摸屏等現場信息顯示與操作單元;第三層為傳感器與執行層。包括各類傳感元件(壓力、流量、溫度、位移、觸點、限位開關等)、執行機構與動作元件(電機、電動缸、電磁閥、繼電器等)。

管理監控層與現場控制層的通訊站點多，傳輸速度快、可靠性要求較高，通訊采用工業以太網，Profinet通訊協議。數據采集計算機、壓力掃描閥、數據庫服務器的通訊則采用TCP/IP通訊協議。子系統PLC則通過其PN口或DP口與伺服控制器或觸摸屏通訊。

設備運行前，由管理計算機編寫試驗流程，下達試驗指令；監控計算機實現設備各子系統運行狀態的監控，同時實現整個系統的安全聯鎖。數據采集計算機同步讀取各子系統的數據；數據處理計算機實現采集數據的集中處理、存儲，數據庫服務器做為試驗數據的存儲和查詢之用。

核心控制器完成控制系統關鍵參數的集中控制，包括進氣調壓閥、進氣快速閥、抽吸調節閥、次流調節閥、引射調壓閥、引射快速閥、排氣調壓閥等。通過實時采集壓力、流量等信號，核心控制器對各調節閥進行閉環控制，消除各控制點的耦合影響，實現關鍵參數控制的快速性和精確性。

各子系統PLC與核心控制器進行通訊，在試驗過程中接收核心控制器的指令，完成各自系統的控制。手動模式下，各子系統PLC獲得本系統所有設備的控制權，實現完全本地控制。安全聯鎖系統完成充氣密封、進氣快速閥、引射快速閥等關鍵位置的聯鎖控制。

數采機箱進行溫度數據的采集，壓力掃描閥進行噴管和試驗段穩態壓力數據的采集。另外，核心控制器在控制過程中采集到的壓力和流量數據、試驗艙PLC在控制過程中采集到的位移和角度數據，也作為試驗數據上傳到數據采集計算機。

伺服驅動單元接受PLC的指令，控制伺服電機行走至相應位置，實現半柔壁噴管、試驗段壁板、圓盤以及移動測試機構等的精確控制。

4 關鍵子系統詳細設計

4.1 核心控制系統設計

核心控制系統選用NI公司PXI平臺，主要由PXIe機箱、PXIe實時控制器、輸入輸出模塊、信號隔離調理模塊，以及壓力、流量傳感器等組成。其中控制器選用PXIe-8840 RT，2.7GHz，dual-core Intel Core i5-4400E處理器，4GB內存。電壓信號輸入卡選用18位分辨率的PXI-6289，電流信號輸入卡選用24位分辨率的PXIe-4303，電流電壓輸出卡選用16位分辨率的PXIe-4322。系統框圖見圖3。

圖2 測控系統網絡框圖

圖3 核心控制系統框圖

核心控制系統通過PXIe實時控制器上的以太網接口與現場的以太網交換機連接，與上位計算機、各子系統PLC通過Profinet總線進行通訊。每次試驗前，核心控制器接收管理計算機下達的試驗程序，開始試驗控制。試驗過程中，除了對各調節閥的閉環控制，核心控制器還通過開關量輸出卡，對進氣快速閥和引射快速閥進行控制。

4.2 測量系統設計

測量系統由穩態測量系統、壓力掃描閥系統、動態測量系統等組成。其原理如圖4所示。

圖4 測量系統原理圖

與控制相關的穩態壓力信號已經由核心控制器采集，不再接入穩態測量系統。因此，穩態測量系統主要完成溫度信號的采集，包括試驗間溫度、氣源溫度、次流溫度等，由熱電偶或PT100熱電阻采集后，經補償導線進入采集系統的輸入模塊。

除核心控制器采集的壓力信號外，其余穩態壓力測點均位于噴管和試驗段，測點位置集中且數量大，按320個通道設計，全部采用9116壓力掃描閥測量。噴管和試驗段靜壓通過靜壓孔采集，經引壓管接入壓力掃描閥。試驗段移動通過一只五孔探針和一只單點附面層探針采集，經引壓管接入壓力掃描閥。壓力掃描閥具備以太網通訊接口，支持標準TCP/IP議，通過90DB分布器可將壓力測量數據通過以太網通訊傳遞到數采計算機。

考慮到動態壓力測量系統移動方便、獨立性強的需求，該系統不使用NI PXI機箱，而選用一臺奧地利德維創(DEWETRON)標準數據采集系統，配備64個模擬量同步采集通道，每通道采樣率不低于500 kHz。傳感器選用動態壓力傳感器，頻率響應不低于200 kHz。

4.3 進氣控制系統設計

進氣系統主要由主輔截止閥、主輔快速閥、主輔調壓閥組成。其控制系統由PLC、觸摸屏、閥門驅動器等組成。其系統框圖見圖5。

圖5 進氣控制系統框圖

進氣系統PLC與核心控制器通過交換機組成Profinet網絡，與進氣控制觸摸屏通過DP通訊電纜組成Profibus網絡，與主調壓閥驅動器組成Profinet網絡[3]。

本地控制時，通過觸摸屏的操作，由PLC對進氣截止主輔閥、進氣快速主輔閥、進氣調壓主輔閥進行控制；遠程控制時，由PXI核心控制器對各閥進行控制。當系統發生故障時，安全聯鎖系統自動切斷進氣快速閥。

4.4 試驗艙控制系統設計

試驗艙有兩個。其中擴壓葉柵試驗艙包括試驗段殼體、試驗圓盤、上下壁板等。渦輪葉柵試驗艙的調節機構包括攻角調節機構、上下壁板角度調節機構等。移動測量機構主要由轉盤、4個滾珠絲杠以及支撐架組成。兩個試驗艙各配置一套獨立的移動測量機構。

試驗艙控制系統框圖見圖6。采用西門子伺服控制系統，實現高性能多軸同步定位控制。通過PLC的DP口連接觸摸屏，一個PN口連接交換機，另一PN口連接伺服控制器CU320和CU310。

本地操作模式時，由觸摸屏實現操作。PLC向CU320和CU310控制器發送指令，控制伺服電機轉動相應圈數和角度，將被控單元控制在指定位置。

圖6 試驗艙控制系統框圖

試驗過程中，PLC接受核心控制器的控制指令。核心控制器將試驗參數調整至穩定后，即向試驗艙PLC發送測量指令，由PLC通過Profinet傳送指令至CU310，控制伺服電機，使探針移測機構按既定路線進行移動。移動過程中，編碼器模塊采集到的位置反饋到上位機，與壓力數據結合，繪制出壓力分布圖像。

4.5 半柔壁噴管控制系統設計

半柔壁噴管由框架、上下半柔壁組件、側壁及其附件組成。采用電動推桿運動和定位，可實現M1.0～M1.8九個氣動型面?？刂葡到y采用西門子交流伺服系統，PLC通過DP口連接觸摸屏，一個PN口連接Profinet交換機，另一個PN口連接伺服控制器CU320，系統采用共直流母線方式，每個推桿通過位移傳感器構成閉環位置反饋，分別實現兩組各5套推桿的位置同步協調控制。

推桿采用同步交流伺服電機，帶絕對值編碼器和電機抱閘，每根推桿安裝一個SSI位移傳感器以及行程開關。

伺服控制器、電機模塊、電機編碼器反饋、SSI位移反饋等采用Drive_CLiQ方式聯接[4]。系統組成如圖7所示。

圖7 半柔壁控制系統框圖

4.6 引射控制系統設計

引射系統通過抽吸作用，為試驗段提供低壓條件，滿足低雷諾數試驗模擬需求。其進氣管路上配置了電動閘閥、氣動快速閥和三臺電動調壓閥。

引射控制系統見圖8，以PLC 為控制核心，通過工業以太網和核心控制器以及試驗管理上位機進行通訊。同時引射控制系統觸摸屏和CPU之間通過Profinet總線進行通信。伺服驅動控制器選用CU310-2PN，引射控制系統共包括3 套單軸伺服驅動設備，控制單元CU310 通過PN 口和PLC 進行級聯[5]。CU310伺服驅動器在試驗過程中接收核心控制器給定的模擬量信號，而試驗中如果核心控制器出現故障，接收引射系統PLC通過總線給定的數字量信號，由本地PLC實現緊急關車。

圖8 引射控制系統框圖

4.7 抽吸次流系統設計

抽吸系統包括駐室抽吸和附面層抽吸。同時，試驗設備還配備空氣次流和氮氣次流系統，并具備壓力調節和加溫功能。

抽吸次流控制系統由PLC、觸摸屏、閥門驅動器等組成，其控制系統框圖見圖9。

圖9 抽吸次流系統框圖

抽吸次流系統PLC、上位管理計算機與核心控制器通過交換機組成Profinet網絡，PLC與抽吸次流的觸摸屏通過DP通訊電纜組成Profibus網絡，與真空泵控制器、次流加熱控制器通過TCP/IP協議通訊。

本地控制時，通過觸摸屏的操作，由PLC對各閥門、控制器進行控制；遠程控制時，由核心控制器對各閥、控制器進行控制。

4.8 測控系統軟件設計

測控系統采用了一系列軟件進行了設備程序編制和上位計算機的界面組態。其中核心控制系統程序開發和調試使用LabVIEW RT開發軟件。PLC程序開發和調試采用西門子編程軟件博途V15專業版，因梯形圖語言具有直觀易懂的特點，因此主要采用梯形圖語言開發。上位計算機的界面組態均采用NI的編程軟件LabVIEW 2018專業版[6]，圖10為其中的進氣系統的操作界面圖。另外，進氣主調壓閥的倫茨驅動器還采用了倫茨的專業驅動軟件Engineer對驅動器性能進行整定，西門子S120驅動器采用了starter對其電機參數進行了優化。

圖10 進氣系統操作界面

根據試驗工況，設備共有六種運行模式，即渦輪葉柵下吹試驗，渦輪葉柵下吹引射試驗，擴壓葉柵亞跨下吹試驗，擴壓葉柵超聲速下吹試驗，擴壓葉柵亞跨下吹引射試驗和擴壓葉柵超聲速下吹引射試驗。主控程序分別針對這六種運行模式進行了軟件編程。圖11為渦輪葉柵下吹試驗的流程圖[7]。

圖11 渦輪葉柵下吹試驗流程

5 技術難點及解決措施

5.1 馬赫數控制

在早期的設計中，通過單獨調節主氣流調壓閥即可實現亞跨聲速條件下的馬赫數控制，但由于總靜壓之間存在較強的耦合，控制精度相對較低，且穩定時間較長。

本系統中，采取了以下三點措施解決馬赫數控制的精度和調節速度：

1)總靜壓解耦控制策略[8]。設獨立的靜壓與總壓控制回路，即抽吸引射控制和主氣流進氣控制。

2)主氣流進氣采取主輔兩個調壓閥，滿足大流量比條件下，不同流量時的精確控制要求。

3)采用不同量程高精度壓力傳感器，實現大壓力比范圍內，不同壓力值的精確測量。

采取以上措施后，馬赫數控制精度和速度問題得以解決，圖12為馬赫數控制原理圖。

圖12 馬赫數控制原理圖

5.2 聯鎖保護系統

因測控系統包含的子系統比較多，各子系統之間以及子系統與上位計算機的聯絡信號繁瑣，因而如何作好聯鎖保護系統，保障整個試驗設備的安全運行也是一個難點[9]。設計中采取了以下措施以保障設備和人員安全：

1)試驗開車的允許條件中檢測如下一些必要條件：充氣密封、子系統伺服驅動器、核心控制器、PLC運行、數采系統，如有異常則不能開車。

2)故障情況設置三級聯鎖保護。一級為一般故障，不影響試驗運行；二級為待處理故障，試驗可以繼續，但需采取一定措施；三級為嚴重故障，必須馬上停止試驗。

3)試驗停止有3種方式：正常情況下由核心控制器關車；如核心控制器故障則切換到PLC實現各閥門關閉；如PLC也無法停止試驗，則由急停按鈕直接從電路上切斷主氣流快速閥和引射快速閥控制回路供電，從而保護試驗設備。

6 調試結果

測控系統經過集成后，完成了各個子系統的靜態調試，在此基礎上進行了各個狀態下試驗設備的綜合性能調試。參數調節時采取的控制策略為分兩段調節，即首先根據氣源壓力、總壓、靜壓摸索閥門的開度或機構位置，直接快開到接近閥門的目標位置。然后再根據馬赫數或總壓的計算公式進行PID運算，閉環調節[10]。這樣既保證了調節的快速性，又保證了調節精度[11]。經調試證明：設備運行性能達到甚至超過了預期的各項指標要求。

本文列出了兩個典型的試驗狀態。圖13為馬赫數0.6的調試曲線。采用渦輪葉柵試驗艙，下吹試驗，主調壓閥調節，馬赫數穩定時間約16秒，控制精度達到了|△Ma|≤0.002。

圖13 馬赫數Ma=0.6曲線

圖14為馬赫數為1.5時的總壓曲線。采用擴壓葉柵試驗艙，超聲速下吹引射試驗，主調壓閥調節，總壓穩定時間約50 s，精度滿足0.3%的要求。

圖14 馬赫數Ma=1.5時總壓曲線

7 結束語

本項目采用NI的PXIe核心控制器、倫茨及西門子電機、S120驅動系統、1500系列PLC、PXIe數采系統等一系列先進的設備構建了基于網絡化的試驗設備測控系統，確保實現對試驗設備的本地及遠程控制、狀態監測、實時數據采集、數據處理及存儲、緊急故障處理等。本測控系統自動化程度及測控精度高，設計先進，經過實踐證明達到了設計指標要求，能夠優質高效地保證試驗順利進行。