混合总线测控系统在R0110燃气轮机低排放试验中的应用

陈海清，孙永飞，熊进星

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

混合总线测控系统在R0110燃气轮机低排放试验中的应用

陈海清，孙永飞，熊进星

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

针对R0110燃气轮机低排放试验内容的要求，提出了对试验平台的测试与控制系统的设计方案，并详细介绍了该试验平台测试系统与控制系统的硬件与软件结构和功能的实现，其中通过利用混合总线方式将原测试系统与新测试系统相结合，扩展了试验器的测试能力。根据试验中多路燃料供给规律的要求，提出燃料供给手动、自动2种控制方式，进一步提高了试验控制上的智能性。在自动控制程序设计中，充分考虑了燃料供应的风险，并制定了相应的处理方案，保障了试验的顺利完成，而且提高了该试验器的智能化水平和整体测控能力。

混合总线；测控系统；LabV eiw；网络通讯；自动控制；低排放试验；燃气轮机

0　引言

传统燃烧室试验器的测控系统主要以RS232总线、GPIB总线为主。考虑到安全性，试验采用机械按钮或上位机组态软件远程控制的方式。随着总线技术的进步，近些年一些新建试验器采用了VXI总线、PXI总线形式搭建测试系统［1-2］，提高了测试的采集速度和精度。

在已建成的大型试验器上，单一总线形式的测控系统往往不能满足新型测试任务的需要，而重新对整个测控系统进行设计、施工、调试、验证，又会耗费大量的时间和资金。在分析比较了不同总线优势后，根据不同的测试任务选择不同的总线形式，在此基础上构建1个混合总线的测控系统［3］，扩大原系统的测试能力。

为研究R0110燃气轮机燃烧室的燃料供给方式对排放影响规律的影响，在测试系统中选用混合总线的方式进行搭建，在多路燃料供给的控制方式上采用手动和自动2种控制方式，软件采用LabView和组态王进行联合开发，利用OPC通讯方式将虚拟仪器技术和PLC控制技术相结合，实现了复杂的逻辑控制过程［4-5］。根据试验中可能出现的风险［6-7］，制定了多种方案进行预防，保障了试验顺利进行。

本文介绍了混合总线测控系统在R0110燃气轮机低排放试验中的应用情况。

1　R0110燃气轮机试验测控要求

1.1试验对测控系统的需求

根据给定的燃烧室进、出口状态参数，录取指定试验条件下的状态数据，测点参数见表1。其中1～21项为新增测试内容，22项为原系统已有测试内容。

表1　测试内容

天然气燃料分3路供应，分别对应不同的燃料喷嘴。燃料供应方式分为定量供应和按设定规律供应。其中定量供应可以通过手动对调节阀的控制，逐渐调节燃料流量大小，不严格限定调节过程的时间长度。而按规律供应燃料方式需要考虑供应模式、时间、燃料量、温度、点火动作、火焰状态、压力脉动等因素的影响，如图1所示。

图1　燃料按规律供应

现场新增15个阀门、1支点火器，采用远程上位机控制，阀门反馈值、点火状态需要计算机显示和记录。

1.2燃料气控制系统难点

由于天然气管路［8］采用单一天然气气源供气，分为3路后分别供气，如图2所示。在燃料动态切换过程中，手动操作很难实现多路同步切换过程，所以燃料供应需采用手动和自动2种控制方式，在软件中需要设置控制的权限，防止误操作。

图2　室内天然气管路流程

根据试验条件下燃料流速计算出流量计安装位置与燃料入口位置之间的距离产生的滞后时间约为100～1000 ms。调节阀动态响应时间（阀门从全关位置到打开63%位置所需要的时间）为4000 ms，阀门的死区和回差指标均为1.0%。考虑到动态切换过程时间短，闭环控制方式难以满足实际燃料按规律供应。

R0110燃气轮机低排放试验需要探索天然气供气的切换规律，在探索过程中要经常对燃料供应规律进行调整。软件设计时需对多参数（如时间点、时间长度、流量目标值等）界面化设定，通过参数修改，实现对规律的调整。

在R0110燃气轮机试验中需要考察多路燃料在短时间（10～60 s）内从1个状态稳定切换到另1个状态的过程，自动切换过程中需要加入壁温、出口温度、火焰状态和压力脉动等因素，对自动执行进行制约。

1.3试验风险预估

R0110燃气轮机燃烧室试验所用燃料为天然气，天然气为易燃易爆气体，泄漏可能造成火灾、爆炸，对设备和人员造成损害。

在对试验设备操作过程中，存在手动操作不当引起设备超温、试验件损坏等风险；在多路燃料自动供应时，燃烧室内壁面温度若超过限定值，会造成试验件损坏；在多路燃料自动供应时，燃烧室内若出现异常回火现象，会造成燃烧室内部烧蚀现象；在多路燃料自动供应时，若在阀门联动过程出现逻辑错误，会造成燃料供应异常，存在试验风险。在试验过程中若出现振荡燃烧，会干扰燃烧室的燃烧过程，损坏燃烧室的构件，并使燃烧效率降低［9］。

2　试验平台的原有测控系统介绍

试验平台由气路、水路、加温、燃料气、监控、测控6大系统组成。其中测试系统需要对试验平台上的参数（最大测试能力240路测试通道）进行监控和记录，参数类型包括温度、压力、流量和角度等，采用VXI总线仪器进行采集，硬件采集速度设置为20次/s，仪器模数转换精度达到0.05%，测试软件采用LabWindows CVI8.1编程实现，试验数据采用文本文档形式单次记录。

控制系统中的被控对象主要为现场的阀门和电机，控制器采用智能控制仪表和变频器。上位机与控制器的通讯采用串口总线的形式，控制软件采用组态王编写实现，操作人员通过对软件界面上控件的操作，实现对控制对象的远程控制。根据R0110燃气轮机试验对测试系统的需求，原系统从功能上已无法满足，所以提出了改进方案。

3　新试验平台测控系统方案介绍

3.1试验平台测控系统硬件结构

测试系统的硬件由传感器、信号调理仪器、数据采集仪器和计算机等几部分组成，控制系统由计算机、控制器、执行机构组成。改造后最大测试能力为512路模拟信号通道，控制上增加了3组PLC控制器，80路I/O接口。测控系统整体架构如图3所示。

图3　测控系统结构

燃烧室试验平台在总体结构上分为试验器设备测点和试验件测点，在试验器设备上的测点一般为固定测点，这类测点采用VXI总线仪器进行采集。VXI总线仪器具有模块化结构、体积小、稳定性高和集成度高等特点［10］，在采集速度和精度上，具有其他总线系统无法比拟的优势，但由于VXI基于现代计算机不支持的VME总线，不能随PC技术同步发展，也不具有主流软件开发的优势，构建VXI总线测试系统造价比较高，并且测试灵活性上不如LXI总线，一般适用于新建高端试验器测试系统［11］。

试验件测点一般为灵活、集中式的测点，根据试验内容的不同，此类测点类型、数量经常变化。这类测点采用LXI总线仪器进行采集，LXI总线仪器综合了VXI总线和LAN总线的特点，并且LXI总线仪器搭建灵活，依靠以太网连接可以构成分布式网络测试系统，仪器可靠近测点进行信号的模数转换并采集，减少了信号传输上的误差和干扰；但LXI总线在通风散热、电磁兼容等方面的设计比较简单，其通讯依靠以太网，存在保障数据安全性的潜在问题［12］。

为了探测燃烧室不同状态下的燃烧稳定性，测试系统加入了4个压力脉动信号的测点，此类信号采用PXI总线仪器进行采集，PXI总线仪器的特点与VXI总线和LXI总线的特点比较相似，除此之外PXI总线PXI具有更快的总线传输速率、更小的体积，PXI总线与CPCI保持兼容，基于PCI总线的软硬件均可应用到PXI系统，PXI总线的软硬件价格相对便宜，在高频测量上，可以替代VXI，为用户提供低成本的模块仪器解决方案［13］。

燃气分析系统为相对独立的子系统，燃气分析仪器输出4～20 mA的标准信号，采用PLC的A/D模块进行采集，经上位机计算后输出结果。由于燃气取样距离长、燃气仪器测量过程时间长，会造成数据输出结果相对滞后，在加入测试系统中时，仅与其他系统进行网络间的数据交换，不考虑同步性问题。在后期数据分析时，将燃气分析数据与其他实时数据之间的滞后时间记为约15 s［14］。

控制系统中被控对象为调节阀、电磁阀和点火器。控制器选用欧姆龙PLC和智能控制仪表（SR94）。其中单组PLC包括电源、CPU、通讯模块、OC模块、ID模块、A/D模块和D/A模块，可以实现开关量控制和采集，模拟量和数字量之间的转换，PLC与计算机之间采用网线连接。PLC作为控制器的优势在于可以在上位机编辑逻辑控制程序，实现复杂的控制过程。智能仪表安装在执行机构附近，与计算机之间采用RS485总线连接，实现现场和远程2种控制方式，方便操作人员的操作和检查。

3.2试验平台测控系统软件结构

3.2.1测试系统软件

软件采用LabView8.5开发，测试系统设计结构［15-16］如图4所示，软件效果如图5所示。

图4　软件结构及功能

图5　试验中的界面

进行仪器初始化设置要通过LABVIEW中的“调用库函数节点VI”，调用仪器接口的动态链接库，通过各仪器的设置参数，实现仪器的初始化设置，包括：通道类型、采集频率、触发方式、滤波方式、通道顺序、数据单位等。

数据处理是软件的核心内容，利用LabView中的簇数组结构建立软件上的虚拟测试通道，每个通道的信息均体现在簇结构中，处理过程采用队列的方式逐步对数据进行处理，包括：参数计算、异常判断、异常处理、数据发布和数据库存储等。为了实现程序的多功能性，在程序进程上采用多线程的方式［17］，并且充分利用事件的方式对不同功能做出响应，减小对内存的占用。

为实现数据发布功能，首先在局域网内部署簇结构的数组网络共享变量，其中簇结构内包括：序号（整型）、名称（字符串）、数值（双精度）、有效性（布尔）、报警提示（布尔）；其次将处理后的通道数据写入网络共享变量；最后，不同的计算机操作提取所需数据，做进一步计算、显示和记录等处理。

利用LabView的显示控件的属性“数据界限”可设定数据的预警值，当实际数据超过预警值时，利用控件“闪烁”、“背景色”等属性值的变化来提示，实现数据报警显示功能。

在云图功能的实现上，利用LabView中的“3维参数曲面VI”控件来实现显示2维平面的数据场图像，其中x、y轴用来标注电偶点的坐标位置，z轴表示测点场数据数值的大小，采用双线性插值法增加数据场测点间的过渡点，然后将形成的3维曲面投影到x－y平面上，形成2维平面效果。在“3维参数曲面VI”控件上，通过分段修改颜色属性与数据场数值范围的对应关系，实现数据场的显示效果。在试验过程中，通过云图可以观察到在燃料切换过程中温度场的高温区位置的变化，便于试验人员对试验过程的直观判断，数据场效果如图6所示。

图6　数据场效果

在数据计算功能上，把与试验相关的计算公式编写成通用的DLL计算文件，利用LabView中“引用节点调用VI”控件引用计算文件。通过软件前面板的下拉列表，实现对计算公式引用和调用数据的修改

这种计算调用的方式，可以减少LabView程序框图设计上的复杂程度，使程序可读性更强。当计算的输入发生改变时，可以避免进入后台修改程序。

通过调用Database Connectivity数据库工具包中的组件，实现将软件采集到的数据实时记录到数据库中［18］，作为连续动态数据的记录，通过数据库的查询功能，实现连续数据的回放功能，在LabView中通过调用Excel应用程序的属性和方法，实现数据输出报表功能。

3.2.2控制系统软件

根据控制难点问题，提出以下解决方案，并在实际应用中解决上述问题。

（1）程序中加入自动/手动状态切换按钮，并设定自动情况下手动输入失效，在手动情况下不执行自动程序。在切换时，须将前一状态（手动或自动）的阀门参数赋值给下一状态（自动或手动）的阀门参数，防止阀门误操作。上位机与PLC之间的通讯采用OPC通讯方式，通过建立PLC与PC之间OPC变量，实现对阀门开度大小的控制［19-20］。

（2）控制系统采用开环控制方式，通过冷态调试标定出阀门在单路、双路、3路供气情况下开度与流量间的函数关系，通过这个函数关系，在自动情况下自动算出流量对应的阀门开度大小，从而实现对阀门的控制。控制系统的结构如图7所示。

图7　控制系统软件方案

（3）为了解决燃料规律控制问题，在编制流量变化曲线模块时，将燃料切换过程划分6个时间段，每个时间段采用定时For循环，时钟间隔为50 ms，各时间段内自动确定本阶段循环次数，每次循环发送1次阀门开度的数字信号给PLC，由PLC输出模拟信号控制阀门动作，实现阀门的连续动作，程序如图8所示。

程序中流量随时间变化的曲线为

图8　自动控制线程程序

在软件中将控制参数（每个时间段长度、目标流量值、点火时间点、点火时间长度等）通过界面写入全局变量中。在主程序的控制线程中通过调用修改后控制参数，实现对燃料供应的规律调整。

（4）控制程序进程上采用多线程方式，对于阀门反馈超限、壁面温度超温、出口温度超温、火焰状态、燃气泄流和压力脉动超限等事件，采用独立线程监听。当有事件发生时，采取相应的处理。

3.3数据采集仪器同步

数据采集系统同步采集［21］时有2个要点：多个通道数据采集的起始时间一致，即同步触发；数据间的时间间隔一致，即采样时钟同步。

为了保证多个数据采集仪器多个通道间能同步采集，制定同步采集方案，如图9所示。

图9　系统同步方案

总图解决方案如下：

（1）EX1000TC与EX2500A之间通过LXI Trigger Bus连接；

（2）EX2500A发出Trigger信号给EX1000TA进行同步触发；

（3）EX1000TC与EX1000TC之间通过LXI Trig-ger Bus连接；

（4）EX2500A同时发出TTL信号给压力扫描阀，进行触发采集；（5）测试局域网内接入GPS时钟源，授予时间；（6）所有数据具有绝对时间戳，供各子系统数据对齐。

3.4报警与处理

R0110燃气轮机试验属于探索性试验，试验过程中存在很多风险因素，例如回火、超温、振荡燃烧等，所以在试验准备阶段要充分预估可能存在的试验风险，并制定好相应的处理方案，将方案编辑到测控软件中，自动处理风险，报警与处理流程如图10所示。

图10　报警与处理流程

主要包含以下6个处理风险的方式：

（1）自动控制下，燃料实时给定值与实际反馈值误差不超过3%，超过限定值时报警，并切到手动状态；

（2）试验过程中监控壁面温度测点，当温度超过限定温度时，可能造成试验件损坏，程序判断超温后自动切断燃料供给；

（3）自动状态下启动点火器，当时间超过点火时间设定长度后，火焰探测器未探测到火焰信号，或者火焰异常熄灭，火焰探测器信号消失，控制调节法开度，自动降低燃料供应，并将控制方式由自动方式切到手动方式；

（4）试验中，燃料的成分是天然气，天然气泄漏可能造成火灾、爆炸，给设备和人员造成损害。在燃料管路附近安装燃气泄漏探头，一旦泄漏，探头发出信号自动切断供料供给；

（5）燃烧室进、出口状态参数（如空气流量、冷却水压力等）数据出现异常，可能造成试验设备超温，试验件损坏，程序判断超限后紧急切断燃料供给；

（6）为预防试验其他风险，在试验操作间内安装紧急切断按钮，操作人员通过按钮可直接切断燃料供给。

4　结束语

本文介绍了针对R0110燃气轮机燃烧室试验设计的1套测控系统，并对测试系统中混合总线的应用、燃料规律控制方式、试验风险与处理方式做了详细介绍，该测控系统可满足试验需求，解决燃气控制中的难点问题，保障试验顺利完成。

目前，许多燃烧试验不拘泥于固定式的稳态测试，对测试方式提出了多样性要求，如运动测试、周期疲劳性测试、燃气分析测试、红外测试等，这要求未来的测试系统更具有可扩展性、包容性；控制系统更加智能化，具有更高的系统可靠性。混合总线的应用促进了试验测控技术水平的提升，对提升试验能力有重要意义［22］。

［1］王华斌，郑海龙，李立扬，等.基于PXI总线的单项点火试验测试系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2012，20（12）：3146-3147，3200. WANG Huabin，ZHENG Hailong，LI Liyang，et al.Design and implementation of measurement system for single ignition test based on PXI bus［J］.ComputerMeasurementandControl，2012，20（12）：3146-3147，3200.（in Chinese）

［2］王晓晖，纪浩，龚俊宇.应用VXI总线技术的导弹测控系统设计［J］.工业控制计算机，2015，28（4）：1-3. WANG Xiaohui，JI Hao，GONG Junyu.Design of missile test and control system based on VXI bus technology［J］.Computer Measurement and Control，2015，28（4）：1-3.（in Chinese）

［3］师伟，袁世辉，万晓东.混合总线数据采集系统在高空模拟试验中的应用［J］.计算机测量与控制，2009，17（8）：1651-1653. SHI Wei，YUAN Shihui，WAN Xiaodong.Application about mixed-bus data acquisition system in high-altitude simulation tests［J］.Computer Measurement and Control，2009，17（8）：1651-1653.（in Chinese）

［4］鹿麟，王少峰.小型航空发动机测控系统设计［J］.自动化技术与应用，2013，32（1）：114-117. LU Lin，WANG Shaofeng.Design of measurement and control system for small aero engine［J］.Techniques of Automation and Applications，2013，32（1）：114-117.（in Chinese）

［5］李红梁.基于OPC的PC与PLC实时通讯的LabView实现［J］.计算机应用研究，2003（12）：115-118. LI Hongliang.Implementation of OPC-based communication between PC and PLC on Labview platform［J］.Application Research of Computers，2003（12）：115-118.（in Chinese）

［6］富兆龙，刘志勇，张琨鹏，等.PG9171E型燃气轮机温度控制分析［J］.中国电力，2015，48（2）：31-36.FU Zhaolong，LIU Zhiyong，ZHANG Kunpeng，et al.Analysis on temperature control for PG9171E gas turbines［J］.Electric Power，2015，48（2）：31-36.（in Chinese）

［7］卢伟国，胡立俭.9E燃气轮机火焰检测系统故障处理［J］.燃气轮机技术，2014，27（4）：42-48. LU Weiguo，HU Lijian.A fire detection system fault treatment of 9E gas turbine［J］.Gas Turbine Technology，2014，27（4）：43-48.（in Chinese）

［8］赵传亮，尚守堂，马宏宇，等.燃气轮机燃烧室中的管路设计［J］.航空发动机，2014，40（5）：39-43. ZHAO Chuanliang，SHANG Shoutang，MA Hongyu，et al.Design of pipelines for gas turbine combustor［J］.Aeroengine，2014，40（5）：39-43.（in Chinese）

［9］李祥晟，丰镇平.贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究［J］.西安交通大学学报，2006，40（5）：502-526. LI Xiangsheng，FENG Zhenping.Numerical study on combustion instability in a lean premixed combustor［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2006，40（5）：502-526.（in Chinese）

［10］赵大鹏，刘泽乾.基于VXI总线的空空导弹发控平台测试系统设计［J］.计算机测试与控制，2008，16（1）：78-83. ZHAO Dapeng，LIU Zeqian.Design of test system for air-to-air missile launch control platform based on VXI-bus［J］.Computer Measurement and Control，2008，16（1）：78-83.（in Chinese）

［11］何英，孟晨.基于GPIB-VXI控制方式的虚拟仪器自动测试系统设计［J］.电力自动化设备，2002，22（6）：52-53. HE Ying，MENG Chen.Design of virtual instrument system based on GPIB-VXI mode［J］.Electric Power Automation Equipment，2002，22（6）：52-53.（in Chinese）

［12］杜国兴，盛文，王盛超.一种准LXI总线结构的远程分布式测试系统方案设计［J］.计算机测量与控制，2013，21（6）：1418-1445. DU Guoxing，SHENG Wen，WANG Shengchao.Remote distributed test system based on a structure of quasi LXI bus［J］.Computer Measurement and Control，2013，21（6）：1418-1445.（in Chinese）

［13］郑忠云，苏泽娟.浅谈PXI总线技术［J］.仪器仪表标准化与计量，2005（6）：21-23. ZHENG Zhongyun，SU Zejuan.Elementary to the technology of PXI bus［J］.Instrument Standardization and Metrology，2005（6）：21-23.（in Chinese）

［14］韩冰，王明瑞，贾琳妍.基于摆动测量方式的主燃烧室燃气分析测试研究［J］.测控技术，2014，33（增刊）：65-67. HAN Bing，WANG Mingrui，JIA Linyan.Research sampling analysis test of main combustor based on swing measurement way［J］.Measurement and Control Technology，2014，33（S）：65-67.（in Chinese）

［15］朱刚.基于虚拟仪器的模拟试验台测控系统设计［D］.西安：西北工业大学，2007. ZHU Gang.Measurement and control system design of simulator stand based instrument technology［D］.Xi'an：Northwestern Ploytechnical University，2007.（in Chinese）

［16］尹一鸣.基于LabView的过程控制实验平台的设计［D］.合肥：合肥工业大学，2010. YIN Yiming.Design of process control experimental platform base on Labview［D］.Hefei：Hefei University，2010.（in Chinese）

［17］徐超.LabView在实时测控系统中的应用研究［D］.重庆：重庆大学，2005. XU Chao.Application on the measure and control system based on Labview［D］.Chongqing：Chongqing University，2005.（in Chinese）

［18］高先君.LabView在多任务测控系统中的应用［D］.南昌：南昌大学，2006. GAO Xianjun.Application on the measure and control system based on Labview［D］.Nanchang：Nanchang University，2006.（in Chinese）

［19］张立辉.基于LabView的S7－200 PLC与计算机的通讯设计［J］.吉林建筑工程学院学报，2013，30（1）：65-67. ZHANG Lihui.Serial communication and application between S7-200 PLC and PC based on LabView［J］.Journal of Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering，2013，30（1）：65-67.（in Chinese）

［20］鲍坤，孙学华.OPC在数据交互系统中的应用［J］.自动化仪表，2012，33（10）：17-23. BAO Kun，SUN Xuehua.Application of OPC in data interaction system［J］.Process Automation Instrumentation，2012，33（10）：17-23.（in Chinese）

［21］王骥.基于时钟同步的分布式测试总线系统设计［D］.重庆：重庆大学，2008. WANG Ji.Design of the distributed test bus system based on clock synchronization［D］.Chongqing：Chongqing University，2008（in Chinese）

［22］王振华，王亮.航空发动机试验测试技术发展探讨［J］.航空发动机，2014，40（6）：47-51. WANG Zhenhua，WANG Liang.Development of aeroengine testing measurement technology［J］.Aeroengine，2014，40（6）：47-51.（in Chinese）

（编辑：赵明菁）

Application about Mixed-Bus Measure-Control System in R0110 Low Emission Tests

CHEN Hai-qing，SUN Yong-fei，XIONG Jin-xing
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

To meet the request of R0110 low emission tests，a measure-control project was designed in the test-bed which contains the structure of hardware，structure of software，and interrelated function.The new measurement system was combined with the original one by using the technology of mixed-bus，and the ability of the measurement system was expanded for the text-bed.Two kinds of control method including manual-control method and auto-control method were proposed based on the requirement of multi-pipe fuel supply，which enhance the intelligence of the test-bed.Considering the risk of fuel supply，corresponding solution was designed in programming to guarantee the accomplishment of the test.The system was not only reaches the test requirements，but also improves the test-bed intelligence level and measure-control system integration.

mixed-bus；measure-control system；Labview；network communication；automatic control；low emission test；gas turbine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.008

2015-12-19基金项目：燃气轮机工程研究项目资助

陈海清（1985），男，工程师，从事航空发动机燃烧室电气测试系统设计工作；E-mail：chenhaiqing_406@163.com。

引用格式：陈海清，孙永飞，熊进星.混合总线测控系统在R0110燃气轮机低排放试验中的应用［J］.航空发动机，2016，42（4）：36-42.CHENHaiqing，SUN Yongfei，XIONGJinxing.Applicationaboutmixed-busmeasure-controlsysteminR0110lowemissiontests［J］.Aeroengine，2016，42（4）：36-42.