基于Profibus的结冰风洞防除冰系统设计与实现

刘小安，张艳清，杨洪涛

(北京特种机械研究所，北京 100143)

基于Profibus的结冰风洞防除冰系统设计与实现

刘小安，张艳清，杨洪涛

(北京特种机械研究所，北京 100143)

为了解决某结冰风洞防除冰系统分布较分散、各点之间距离较远、防除冰控制通道和温度采集点较多等问题，提出了基于Profibus的分布式控制系统，采用动力集中控制、测量数据分布式采集方案，综合了集中式控制和总线分布式控制的优点。采用面向对象的编程理念，通过模块化设计解决了多控制通道问题；通过特殊的工作模式控制策略，解决了多人机界面的问题；通过引入总线诊断功能，解决了复杂系统故障实时检测与快速定位问题。实际运行结果表明，基于Profibus的结冰风洞防除冰系统运行平稳，收到了预期效果。关键词：Profibus；结冰风洞；分布式控制；防除冰系统

0 引言

飞机在飞行过程中，部分部件表面容易结冰，从而改变飞机迎风面的气动外形，进而改变飞机的气动特性和飞行性能，尤其是其稳定性和操纵性[1]。为了验证飞机防除冰系统的有效性，有必要进行结冰风洞试验。结冰风洞试验是验证飞行器防除冰系统有效性的最佳手段，而风洞防除冰系统是保障结冰风洞正常运行的关键。

某结冰风洞采用电加热防除冰系统，防冰系统用于试验过程中防止部件表面结冰，除冰系统用于试验后除冰。本文设计的基于Profibus的结冰风洞防除冰系统，在保证风洞正常运行的前提下，提高了系统的自动化水平，增强了系统的可靠性。

1 结冰风洞防除冰系统组成

本系统主要由电加热系统和控制系统两部分组成，其组成框图如图1所示。

电加热系统包括一拐导流片前缘除冰系统、一拐下表面内壁除冰系统、一拐排水管道除冰系统、二拐导流片前缘除冰系统、二拐下表面内壁除冰系统、二拐排水管道除冰系统、三拐沟槽除冰系统、四拐沟槽除冰系统、试验段唇口防冰系统、试验段转盘密封件防冰系统以及腹撑机构风挡防冰系统。控制系统包括主控制柜、辅控制柜、一二拐控制柜、一拐导流片功率柜、二拐导流片功率柜、一拐转接箱、二拐转接箱、三拐汇线盒、四拐汇线盒、试验段转接箱、唇口汇线盒、温度传感器以及连接电缆等。

本系统总功率为894 kW，为了便于控制柜的统一配电与安全控制，采用了动力集中控制的方案；另外，由于系统控制通道数和传感器数量较多，且各通道位置较分散，采用了传感器数据分布式采集的方案。

图1 防除冰系统组成框图

2 网络拓扑设计

本防除冰控制系统主要由风洞远程测控间、本地控制室、除冰点1、除冰点2、除冰点3、除冰点4、防冰点1、防冰点2和防冰3组成，其分布如图2所示。

从图2可以看出，系统各部分比较分散，且各部分之间距离较远，普通的集中式控制系统已经难以满足要求，因此本文采用了基于Profibus总线的分布式控制系统方案。整个控制系统网络拓扑结构如图3所示。

Profibus总线采用串行连接方式，共有从站6个，总长度200 m左右，采用西门子公司提供的A型专用电缆，理论通信速率可以达到500 kb/s。由于总线主要用于温度采集，对实时性要求不是特别高，为了提高总线抗干扰能力，系统中采用187.5 kb/s的通信速率，经测试，完全可以满足要求。

图2 防除冰控制系统分布

由于整个防除冰控制系统温度采集点比较多，接近260个，采用本文所述的基于Profibus总线的分布式结构，大大减少了信号电缆的数量，不仅节约了项目成本，而且提高了系统的可靠性和可维修性。

图3 防除冰控制系统网络拓扑结构

3 软件设计

本系统软件主要包括主控PLC软件、本地操作显示屏软件、本地工控机软件以及风洞测控间远程控制软件4部分。本小节主要对主控PLC软件进行介绍。3.1 系统运行流程

系统运行流程如图4所示。

图4 系统运行流程

系统启动后进行控制和状态复位，然后进行系统自检。自检完成后根据当前控制模式等待用户操作指令，随后进入除冰/防冰子程序，结束后再次进入待命状态。

3.2 主控PLC软件总体设计

主控PLC软件组成见图5。

主循环是PLC程序的入口，该循环每隔一段时间执行一次，时间间隔与CPU设置相关，默认是150 ms。

主控PLC软件中，主循环内主要执行以下几个一级模块：上位机接口参数处理模块、故障处理模块、除冰模块以及防冰模块。其中，故障处理模块属于概念型模块，软件中并不存在独立的故障处理模块，子系统运行过程中的故障实时检测与处理都在其相应的模块中实现。

图5 主控PLC软件组成框图

本系统中，共有45个除冰控制通道和29个防冰控制通道，为了降低主控PLC软件的复杂程度，本文采用了面向对象的编程思路，进行了充分的模块化设计，对于参数相同的子系统调用同一个二级模块，在PLC中实现为功能块的多重背景数据块。

3.3 人机界面接口设计

由于系统中存在3个人机操作界面，为了防止产生冲突，特别是为了防止本地操作和远程控制相互干扰，本文采取了以下的接口策略：①主控PLC分为3种工作模式：空闲模式、本地控制模式和远程控制模式，其中本地操作显示屏和本地工控机使用本地控制模式，风洞远程测控间工控机使用远程控制模式；②为两种控制模式建立不同的接口数据块；③为了防止工作模式切换对系统正常运行造成影响，本文规定了严格的工作模式切换流程：只有当系统处于空闲模式时，才接收本地或者远程的控制申请。当系统处于本地控制模式时，如需切换到远程控制模式，则必须先停止所有操作，由本地人机界面退出本地控制模式，使系统切换到空闲模式，反之亦然。

3.4 总线诊断

系统运行过程中，用户需随时掌握各从站的工作状态，为此，本文引入了总线诊断模块PNIODiag，即FB126，该模块可以实时诊断系统已组态的各从站状态。

添加FB126后，需要在相应的OB(组织块)中进行故障中断处理，最终触发相应的故障报警信息并在人机界面中加以显示。

本地操作显示屏中的总线诊断画面如图6所示。

图6 总线诊断画面

运行过程中，若某个从站工作正常，将会显示为绿色；若某个从站故障，则会红黑闪烁。

4 系统测试

按以下步骤依次进行系统测试：①导通、绝缘检测：依次对每一通道的动力电缆进行导通和绝缘检测，并对相应的信号电缆进行导通检测；②总线通讯测试；③单通道测试：依次进行单通道功能测试，由于系统采用AC380 V/220 V进行加热，因此要额外进行漏电保护器动作响应测试；④满功率测试：所有通道同时运行，测试各功率器件及配电系统的承载能力，验证各控制柜的散热效果，并验证主控PLC的性能。

测试结果表明：在设定速率下，总线通讯正常，未出现通讯故障报警；各通道除冰/防冰工作正常，漏电保护器能够及时响应，控制柜散热效果良好；系统整体运行平稳，达到了预期效果。

5 结论

本文提出的基于Profibus的分布式控制系统，采用动力集中控制、测量数据分布式采集方案，综合了集中式控制和总线分布式控制的优点，解决了大功率配电和安全控制、分散点温度采集的问题。另外，本文针对系统中的多控制通道、多人机界面、复杂系统故障实时检测与快速定位等问题分别给出了详细的解决方案并予以实现。实际运行结果表明，本系统运行平稳，达到了预期效果。

[1] 刘政崇,彭强,肖斌,等.3 m×2 m结冰风洞设计总体初步方案[G]//大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集.深圳：中国航空学会，2007：1-7.[2] 张雪苹.飞机结冰适航审定与冰风洞试验方法[D].南京：南京航空航天大学，2010：6-11.

[3] 肖春华，桂业伟，杜雁霞，等.电热除冰传热特性的结冰风洞实验研究[J].实验流体力学，2010(4)：21-24.

[4] 肖春华，桂业伟，杜雁霞，等.电加热过程的冰脊形成实验研究[J].实验流体力学，2010(6)：52-56.

Design and Implementation of Anti-icing and Deicing System Based on Profibus for Icing Wind Tunnel

LIU Xiao-an, ZHANG Yan-qing, YANG Hong-tao

(Beijing Institute of Specialized Machinery, Beijing 100143, China)

Since the nodes of anti-icing and deicing system are disperse, and there are many control tunnels and temperature sensors in anti-icing and deicing system, this paper proposes a distributed system based on Profibus. The solutions to multiple control tunnels, multiple human-machine intefaces, and bus real-time diagnosis are put forward. The practical results show that the system works well.

Profibus; icing wind tunnel; distributed control; anti-icing and deicing system

1672- 6413(2015)06- 0174- 02

2015- 01- 28；

2015- 09- 21

刘小安(1986-)，男，江西吉安人，工程师，硕士，主要从事控制系统设计工作。

TP273

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