周期控制律電加熱控制系統設計與應用

冉林，熊建軍，趙照，何苗

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

飛機在含大量過冷水滴環境飛行時，機外部件撞擊水滴聚積成冰層于表面，致使氣動性能下降，且有相關研究結果表明，即使結冰量相當小，若出現在關鍵器件，也會引發安全事故[1]。因此，飛機易結冰部件必須采取防除冰措施，避免發生結冰現象[2]。

目前常用的防/除冰的手段有熱氣防冰、電熱防/除冰、機械除冰[3-4]等，其中電熱防/除冰技術通常采用周期性的工作方式，進行一定時間規律地加熱，使表面溫度高于零點，防止表面結冰，或破壞表面冰層，靠氣動外力除冰[5]，具有能耗低、易控制的優點，且成熟度較高。文獻[6]研究了電熱除冰系統加熱周期控制律對表面溫度的影響，計算得到兩者的關系，表明合理的供電周期有益于除冰效果。文獻[7]研究了飛行過程中電熱防/除冰系統瞬態除冰的優化應用，通過改善熱能空間分布和周期控制律，實現能耗降低。文獻[8]對旋轉帽罩周期性加熱過程數值進行計算，對比連續加熱方式，得到同功同耗的效果。文獻[9]通過試驗研究了復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，為其提供任意周期控制律，未對控制系統本身進行討論，文獻[10-11]則設計了電加熱控制系統，可是周期控制律的設定較為固定，主要針對連續性周期電加熱，而且都未用于大型結冰風洞，不能滿足真實機型的電熱防/除冰試驗要求。

本文結合上述問題以及應用環境，設計了適用于大型結冰風洞[12]防除冰試驗的電加熱控制系統，配備與機載使用相符的DC 28 V，DC 270 V，AC 115 V電源[13]，上位機與PLC通過工業以太網連接，實時監控系統運行，具備溫度開、閉環控制模式，適合不同應用場合。設計任意性周期控制律程序，以滿足試驗任務要求，自動進行周期性電加熱。系統最大單位面積加熱功率可達到3 W/cm2，溫度控制精度≤±1℃。最后，通過某型號飛機槳轂罩模型結冰風洞電熱防冰試驗驗證了系統的工作性能。

1 電加熱控制系統

1.1 控制系統網絡結構

結冰風洞電加熱控制系統是以工業設備控制器西門子S7-400系列PLC為核心，與運行管理設備PC機通過PROFINET協議接入工業以太網進行交互，增加擴展模塊通過DP-MODBUS轉換器連接支持MODBUS協議的程控電源、溫度巡檢儀，實現模擬飛機電熱防除冰功能，控制系統結構如圖1所示。

圖1 電加熱控制系統結構Fig.1 The structure of electric heating control system

控制系統采用分布式網絡結構，結構層次至上而下可劃分為運行管理層、電氣驅動層、設備執行層，各層相互獨立。其中運行管理層包括PC機、觸摸屏以及內部的軟件，向下發送相關指令給驅動層控制電源運作，并接收來自執行層的上行測量數據實時顯示設備運行狀態；電氣驅動層則由PLC、擴展模塊組成，負責處理運行管理層的指令信息和執行層的測量信息，分別輸出給設備執行層和運行管理層；底層的設備執行層是指DC 28 V，DC 270 V，AC 115 V等程控電源、溫度巡檢儀及其他測量器件，用以輸出電壓及相關數據采集，再與模型對接構成完整的電熱防/除冰模擬體系。

1.2 支路控制原理

電加熱控制系統電源輸出由3種程控電源提供，采用冗余性設計方法，單臺大容量電源帶10條工作支路，滿足單支路大容量和多支路小容量電加熱，通訊實現有限范圍內無級調壓，直流穩壓精度可達±1%F.S，交流可達±0.5%F.S。在電路設計上，工作支路均受斷路器保護，電流互感器反饋支路電流，選用無觸點型固態繼電器通斷主回路，開/關響應時間≤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

系統工作時，根據實際使用情況，由上位機發出相關控制命令，PLC接收后運算處理，與程控電源通訊調節輸出電壓，開關量模塊輸出控制信號，控制主回路固態繼電器通斷，從而控制電加熱回路導通或關斷。

開環控制模式時，系統控制主回路固態繼電器按照控制律通斷進行加熱；另外閉環控制模式時，還需反饋溫度信號，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形成溫度閉環控制，可實現主回路通斷控制，保持電源電壓不變，繼電器通斷主回路來調控溫度，以及調壓控制，保持主回路導通，調節電源電壓來調控溫度。

2 系統軟件設計

電加熱控制系統軟件設計主要包括上位機界面設計和PLC控制程序設計，上位機監視設備狀態、發送指令、存儲數據及實現電熱控制律，PLC控制設備運作、處理數據、邏輯判斷及暫存數據。對于整個系統而言，兩者承上啟下，數據傳輸通過通訊協議上傳下達、協同工作達到電熱防/除冰的應用需求。

2.1 主程序控制流程

主程序控制主要包括如下幾個方面：上位機與PLC程序初始化、相關控制參數設置、上位機觸發信號及PLC接收后驅動底層設備工作，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模式，由外部控制器或附屬子系統提供，而閉環模式還包括主回路通斷和調壓兩種方式，需要設置工作方式。

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

2.2 界面設計及數據通訊

系統界面應用LabVIEW圖形化編程軟件編寫，其顯示內容可反映出整個系統運行狀態，如系統的通訊狀況、當前的工作模式等，還包含按鈕觸發控件實現參數設置、AC 115 V電源、DC 28 V電源、DC 270 V電源、報警事件等其他8個子界面切換，再在子界面中配置符合試驗要求的供電電源。人機界面（human machine interaction，HMI）具體可實現的功能如圖4所示。

圖4 HMI功能結構圖Fig.4 The functional structure diagram of the HMI

由系統結構可知，上位機與PLC通過工業以太網進行遠程交互，而實質傳輸數據則依靠OPC技術。利用NI的OPC Servers組件建立OPC服務器，針對PLC的網絡地址選擇性訪問內部設定的數據塊信息，再在LabVIEW程序中建立OPC客戶端，創建變量綁定OPC對象構成共享變量，上位機便可直接讀、寫PLC的數據寄存器。因此，應用OPC將系統運行狀態組合成許多共享變量，經程序拆分在人機界面上顯示，但是控制的關聯開關量較多，若批量單獨處理程序會較為復雜，于是設計 Bool Impulse Command.vi，Float Set Command.vi等子程序與OPC中綁定的PLC控制開關量及相關參數等控制變量進行匹配，通過Datascoket函數鏈接控制變量的URL從而控制開關量的輸出以及參數設置。

2.3 電熱控制律程序

電熱控制律是周期性電熱防/除冰的關鍵，合理的配置可節省能耗、提升防/除冰性能，實質上是指主回路工作的時間規律，根據支路控制原理可知，即為控制繼電器通斷的占空比規律。

本文所給的控制律是附屬于子系統，在上位機或PLC中設計控制律程序，但PLC的程序修改后需要重載不利于后續優化。因此提出基于上位機的控制律程序，應用延時函數與利用While結構的移位寄存器、條件結構和枚舉控件實現的狀態機配合，在枚舉控件中設置與控制律相一致的狀態數量，移位寄存器循環暫存當前運行狀態并賦值給條件結構，再在條件結構內使用延時函數保持控制律狀態輸出，同時觸發狀態控件的值（信號）屬性節點以調用主程序的開關量處理事件子程序，經OPC傳輸開關量值給PLC，從而控制繼電器按預先設計的規律通斷，以滿足任意性控制律的設計要求，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 結冰風洞電熱防冰試驗驗證

此次結冰風洞電熱防冰試驗以某型號飛機槳轂罩模型為對象，選用了兩種控制律來驗證槳轂罩前端電熱防冰的有效性。控制律（一）是52 s四等分反獨熱編碼形式通斷，相互再間隔67 s斷開狀態，如表1所示，“0”表示主回路斷開狀態，“1”表示主回路導通狀態，按序號順序執行，整個周期時長為476 s，而且4個序號周期的通斷規律都不一致，呈現任意性；控制律（二）則是連續性通斷各25 s，周期時長為50 s。

表1 控制律（一）Tab.1 Control law（one）

按照試驗要求，設置電熱控制律程序時序，選用開環控制模式工作，提供AC 115 V，400 Hz的電源。試驗對象的電加熱元件阻值為15 Ω，接入系統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個周期的控制律（一）電流變化，圖7為10個周期的控制律（二）電流變化，可見連續周期電流變化圖形與所給的控制律相符，基于上位機的控制律控制支路實現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個點位布置了熱電偶，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

試驗模擬了槳轂罩穿越易結冰環境的過程，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左右時無噴霧的溫度變化，主要靠空氣流動進行換熱，13個點位溫度變化與圖7的控制律（一）1個周期的電流變化相符，在第1個和第4個波出現了雙峰，而到達450～520 s，13個點位溫度都下降，風洞進行噴霧模擬云霧環境，大量過冷水滴撞擊其表面，促進熱交換，但后續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，根據點位布置情況，發現4個邊緣點位P1，P7，P8，P13溫度接近零度，其他點位均高于零度，槳轂罩表面大面積區域是未結冰的，達到了預期的防冰效果。因此，該電加熱控制系統符合大型結冰風洞電熱除冰試驗的應用要求。

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 結論

電加熱控制系統采用分布式網絡結構，通過PC機與PLC遠程互聯，實現控制信號傳輸網絡化、數字化，可任意控制律開環和主回路通斷、連續調壓閉環溫度控制，同時具有實時顯示、數據采集及存儲功能，提升了控制系統的自動化水平。

設計了任意性控制律程序，應用于型號模型結冰風洞電熱防冰試驗，分析試驗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，結果表明系統具備多控制律的調控能力，且運行穩定可靠，符合結冰風洞電熱防除冰試驗要求。