高壓壓氣機試驗臺測控系統設計

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

（中國航發上海商用航空發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動機的重要組成部件，由于其系統相當復雜，設計、加工、裝配等各環節都會影響其性能，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計指標及不同的結構因素對壓氣機性能的影響，以便對設計或其他工藝環節進行優化改進[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計點性能提供特定的工況狀態，并獲取不用工況下的試驗數據。而試驗技術的先進水平很大程度取決于試驗測控技術，需通過測控系統實現試驗件參數的測量與存儲、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是研制高性能民用高壓壓氣機部件的關鍵技術之一[3]。

1 測控系統架構概述

以實時測量、安全操作為原則，對測控系統進行功能性分工，分別為數據采集系統、設備設施監控系統和閥門控制系統。數據采集系統主要負責壓氣機試驗件溫度、壓力等參數的實時采集、處理、顯示，與控制系統的通訊及全臺架試驗的過渡態記錄，保證了各系統試驗信號的實效性，利于排故過程進行時序分析，加速了試驗技術不斷完善的進程。閥門控制子系統，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節規律控制試驗時，一旦出現不可控因素，如喘振等，緊急操作處理中，轉速控制的響應是極為關鍵的，因此轉速信號也由此系統進行控制。試驗臺為滿足試驗工況的控制，配備了監控設備設施安全運行的監控系統。三個系統間相互獨立又存在制約互鎖關系，大部分數據的交互由網絡通訊完成，個別關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 測控系統架構

2 測控系統設計

基于民用高壓壓氣機試驗臺的復雜性，工藝系統設備分布廣、種類多、安全性要求高等特點，在測控系統的設計上，優先采用網絡化、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。系統間數據傳遞均采用以太網通訊方式：數據采集系統與控制系統之間采用Modbus協議傳輸需要記錄與觸發的數據，控制系統間采用高速的EDG 通訊[4]以實現快速交互保障控制安全；控制系統內部，包括主從站、控制器與HMI，則采用profibus 總線組成局域網。實現了各系統關鍵設備參數的集中管理與安全監控。

2.1 數據采集系統

2.1.1 軟件功能設計

數據采集系統具有管理、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、系統備份、數據歸檔、用戶權限管理、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據回放兩種模式；

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

③實時計算功能支持常規運算（數學運算、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；

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信息狀態監視顯示；

⑥存儲功能包括歷程數據存儲、穩態數據存儲和系統信息的存儲；

⑦后處理功能支持歷史數據的查詢顯示、數據導出；數據導出包括歷程數據導出、穩態數據導出與二次生成、自定義報告等。

2.1.2 物理架構設計

數據采集系統由計算機系統、硬件子系統、軟件子系統、配置數據庫、試驗數據與校準數據庫、應用軟件、實時采集軟件、輔助功能子系統組成。具體地：

①計算機系統由數據處理主機、管理計算機、顯示計算機組成。數據處理主機具有多網口，以便分別與硬件子系統、控制系統、NDDS 動態通訊系統等交互數據。

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

其中，壓力采集子系統由壓力掃描閥、交換機、網線、各種規格型號的尼龍引壓管/管路/轉接件/線纜、泄壓閥、壓力信號開關、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]，并利于系統的反吹操作將氣壓管線內的灰塵等雜質吹出。

溫度采集子系統由溫度掃描閥、交換機、各種規格類型的熱電偶延長線/轉接件/線纜、恒溫空調柜等組成；溫度掃描閥采用VTI EX1048A 模塊熱電偶通道內置冷端補償，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柜中，并由設備設施監控系統監視空調報警信號。

③軟件子系統由計算通道、穩態數據生成、數據回放、數據服務、限制值與動作響應等組成，布置于數據處理主機。

④數據庫：配置數據庫，用于存儲系統的配置數據，布置于管理計算機；試驗數據與校準數據庫，是一個用于存儲試驗數據與校準數據的ORACLE 數據庫，布置于數據處理主機。

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

2.2 設備設施監控系統

2.2.1 軟件功能設計

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

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

2.2.2 物理架構設計

設備設施監控系統由HMI 系統和PLC 系統組成，以GE RX3i 系列PLC 為核心，采用主機雙冗余設計，遠端子站通過profinet 與主機形成一個環狀網絡結構，這樣可以有效較少因關鍵電子元器件損壞對試驗帶來的影響。具體地：

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

②PLC 系統由1 組冗余主從站、4 個遠端子站、輔助硬件系統組件組成。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/數字量輸入輸出模塊、頻率輸入模塊等組成。輔助硬件系統包括信號轉化電路板、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

2.3.1 軟件功能設計

試驗過程中需要控制的關鍵參數有：轉速、節流比、壓比、VSV 角度、引氣率、軸向力。具體地：

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

②進氣系統監控。具備監測進氣塔門限位、過濾壓差、進氣流量、穩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 參數配置等功能。

③排氣系統監控。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 參數配置等功能。

④VSV 系統監控。具備監控VSV 功能，控制方式分為手動目標值控制、自動隨轉控制、一鍵聯動控制、機械全開/全關控制，同時具備按鍵最小輸出間隔、控制模式切換限制條件、PID 參數配置等功能。

⑤引氣系統監控。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、隨轉自動控制模式。同時具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數配置等功能。

⑥軸向力系統監控。具備氣動軸向力閥位目標值錄入等功能。

2.3.2 物理架構設計

閥門控制系統物理架構設計原理與設備設施系統相同，同樣由HMI 系統和PLC 系統組成。特別地：

①HMI 系統：VSV HMI 控制獨立于閥門控制系統HMI 控制。

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

3 結論

硬件的合理選擇與布局、軟件的聯鎖邏輯與自動功能設計，充分響應了試驗臺功能與系統技術指標需求的同時。與傳統的試驗臺測控系統相比：

①在物理架構方面，增強了測控系統的可維護性、可靠性、拓展性；②在試驗數據管理方面，設備設施監控系統與閥門控制系統作為數據采集系統通訊子系統，將控制參數與試驗件參數存儲一體化，便于數據分析與排故；③在遠程監控方面，集成覆蓋了各閥門系統及設備設施系統的常用關鍵設備，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，三個系統間的互鎖監控設計，相互獨立又協調，避免了誤操作，提高了試驗的安全性；⑤在自動試驗方面，設計了包括自動控制功能在內的多種控制模式，提高了試驗效率與操控的靈活性。

經過長時間的應用，此系統運行安全、可靠、穩定，對于高壓壓氣機試驗而言，整體提高了試驗的交付質量。