高溫高壓進(jìn)排氣管路控制系統(tǒng)設(shè)計

王曉宇 陶國云 周易 高楊

摘要：航空發(fā)動機地面試車臺的高溫高壓進(jìn)排氣管路系統(tǒng)為試驗件提供一定溫度、壓力的工藝氣體，保證試驗件入口氣流的性能參數(shù)能滿足試驗件不同試驗狀態(tài)的需要。基于西門子公司的PLC和WinCC產(chǎn)品，設(shè)計了一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)并在實際工作中得到了應(yīng)用。該控制系統(tǒng)作為“神經(jīng)系統(tǒng)”貫穿于進(jìn)排氣管路系統(tǒng)始終，通過對各監(jiān)控點信號的采集分析和對調(diào)節(jié)閥門的實時控制，實現(xiàn)進(jìn)排氣管路系統(tǒng)各參數(shù)的監(jiān)控以及進(jìn)排氣流量、壓力和溫度的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：進(jìn)排氣管路系統(tǒng);PLC;WinCC;控制系統(tǒng)

1 引言

本文所提到的航空發(fā)動機地面試車臺或部件試驗器的進(jìn)排氣系統(tǒng)是通過管路系統(tǒng)供氣的方式為發(fā)動機或試驗件提供一定溫度、壓力的壓縮氣體，用來模擬發(fā)動機在不同狀態(tài)時的工作環(huán)境。為了保證試驗的有效性，對進(jìn)排氣管路系統(tǒng)的供氣溫度、流量、壓力以及各個閥門的隨動能力都提出了非常嚴(yán)苛的要求[1-2]。

本文針對高溫高壓進(jìn)排氣管路系統(tǒng)設(shè)計了一套基于西門子PLC-WinCC的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)使用可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心進(jìn)行控制系統(tǒng)的下位機控制設(shè)計，使用視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）設(shè)計人機交互界面作為上位機控制。

2 高溫高壓進(jìn)排氣管路結(jié)構(gòu)

進(jìn)排氣管路系統(tǒng)是由氣源供氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、氣體加溫系統(tǒng)、發(fā)動機進(jìn)氣調(diào)壓系統(tǒng)等組成，依次實現(xiàn)進(jìn)氣壓力、流量調(diào)節(jié)，管路氣體溫度、壓力調(diào)節(jié)，整流穩(wěn)壓，參數(shù)監(jiān)控等功能。高溫高壓進(jìn)排氣管路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)技術(shù)要求

供氣壓力采用同時調(diào)節(jié)軸流閥前壓力和穩(wěn)壓箱出口壓力的調(diào)節(jié)方案，即采取主路截流，旁路放氣的方法。試驗中，在保持旁路前的主氣路上已調(diào)好溫度的空氣總質(zhì)量不變的情況下，使混合氣出口的總供氣量不受發(fā)動機試驗件狀態(tài)改變的影響，保持發(fā)動機試驗件進(jìn)口恒定的模擬壓力穩(wěn)定和確保發(fā)動機試驗件在不同工作下所需要的空氣流量。供氣溫度由進(jìn)氣加溫裝置調(diào)節(jié)，根據(jù)試驗所需氣體的溫度計算出所需投放的功率，調(diào)節(jié)進(jìn)氣加溫裝置給氣體加溫[3]。

該系統(tǒng)由許多非線性設(shè)備組成，在溫度、壓力的調(diào)節(jié)與控制中相互干擾影響的因素較多，遵循以下兩個調(diào)節(jié)原則：

1）盡可能地將參加調(diào)節(jié)的非線性設(shè)備固定為常數(shù);

2）各氣壓容腔單一控制調(diào)節(jié)，以減少各系統(tǒng)的相互干擾對調(diào)節(jié)所帶來的影響。

為實現(xiàn)進(jìn)排氣管路控制系統(tǒng)的功能，概要控制要求為：

（1）控制系統(tǒng)采用上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作，通過對進(jìn)排氣系統(tǒng)各設(shè)備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制;

（2）當(dāng)發(fā)生超溫、超壓等異常情況時，產(chǎn)生報警提示，具有自保護(hù)功能。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)排氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.1 PLC選型

PLC是進(jìn)排氣控制系統(tǒng)的核心，在選擇PLC時，應(yīng)重點考慮CPU的性能、指令系統(tǒng)的可靠性和安全性、輸入/輸出點數(shù)、物理結(jié)構(gòu)的類型等。經(jīng)過對比，選擇了西門子公司的S7-300作為控制核心。這款PLC運行速度快、抗干擾能力強、可操作性好，能夠滿足進(jìn)排氣控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。PLC選型列表如表1所示。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 模塊化編程思想

模塊化編程思想是將PLC控制程序根據(jù)控制功能劃分為不同的功能塊來實現(xiàn)，不同于以往線性化編程，每個功能塊之間相互獨立，這樣不僅可降低編程的工作量，而且可以提高程序的效率。此外，采用模塊化思想編程可將控制系統(tǒng)劃分為不同層級結(jié)構(gòu)的程序，可根據(jù)需要直接調(diào)用相關(guān)的功能塊，進(jìn)而縮短控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間;可根據(jù)用戶的需求對不同的功能塊進(jìn)行適應(yīng)性修改和調(diào)試，提高控制系統(tǒng)的可維護(hù)性;通過對控制程序的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服了傳統(tǒng)線性化編程方法中對所有程序全部循環(huán)掃描的弊端，減少調(diào)用程序的冗余，提高了CPU的利用率。

4.2.2 軟件程序設(shè)計

根據(jù)模塊化編程思想，設(shè)計了設(shè)備啟停控制模塊、報警與消音控制模塊、急停控制模塊和故障檢測模塊。

設(shè)備啟停控制模塊一般運用在電機、泵和閥門等設(shè)備的啟動停止控制當(dāng)中，可以選擇控制地點是本地控制還是遠(yuǎn)程控制，給予啟停指令的同時可以反饋設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)，接收到“急停”信號時可以使正在運行的設(shè)備停止運行。

報警與消音控制模塊一般用于指示現(xiàn)場傳感器反饋的模擬量發(fā)生了超限現(xiàn)象。進(jìn)排氣管路系統(tǒng)設(shè)計的管路壓力上限為1MPa，排氣塔能承受的溫度上限是380℃，管路流量上限是120kg/s 。當(dāng)壓力、溫度、流量超過進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計的限值時，報警與消音控制模塊會給出報警信號，以便現(xiàn)場工作人員采取相應(yīng)的解決措施。該模塊也具有報警信號復(fù)位與報警蜂鳴器消音功能，嚴(yán)重故障會直接觸發(fā)急停功能。

急停控制模塊在發(fā)生緊急狀況需要停止試驗時使用，急停信號可以分為即時和延時兩種，控制地點也有本地急停信號和遠(yuǎn)程急停信號之分，同時提供急停復(fù)位信號來消除急停指示。

故障檢測模塊一般用于現(xiàn)場執(zhí)行器的故障讀取與反饋，分為即時和延時兩種。部分閥門會出現(xiàn)受到干擾而誤報故障的情況，這時根據(jù)故障來源的不同選擇延時故障報警功能。故障反饋信號可以起到一定的提示作用，對試驗件的安全運行提供了保障。

4.2.3 上位機人機界面設(shè)計

上位機人機界面使用西門子公司的WinCC軟件，主要功能可以從PLC和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實時采集試驗數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令并監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運行。使用S7協(xié)議中的工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）與下位機通訊連接。

人機界面上包括了進(jìn)排氣管路的布局和氣路走向、閥門的位置和工作狀態(tài)、現(xiàn)場傳感器的數(shù)值反饋、一些數(shù)值設(shè)定輸入框、批處理快捷鍵、故障報警顯示等，具體畫面如圖3所示。可以供試驗操作人員遠(yuǎn)程操作各個執(zhí)行器，并且讀取試驗相關(guān)的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并且能夠及時獲取試驗過程中產(chǎn)生的故障報警信號。

5 結(jié)束語

本文介紹了高溫高壓進(jìn)排氣管路的布局與其控制系統(tǒng)設(shè)計，從硬件部分PLC模塊的組態(tài)到軟件部分的上位機與下位機的程序編寫都給出了詳細(xì)的設(shè)計。目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)運用到了實際的科研試驗中，使用方便高效，運行情況良好，達(dá)到了設(shè)計目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張松，郭迎清，侯敏杰，等.復(fù)合控制技術(shù)在高空臺進(jìn)排氣調(diào)壓系統(tǒng)中的技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2009，28（11）：29-33.

[2] 喬彥平，黃單.基于遺傳算法的高空臺進(jìn)排氣控制仿真研究[J].測控技術(shù)，2012，31（6）：83-86.

[3] 趙涌，侯敏杰，黃振南，等.航空發(fā)動機高空模擬試驗進(jìn)氣壓力復(fù)合控制研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2010，23（1）：37-41.

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