0.6米跨超声速风洞安全联锁控制系统研制

2019-08-29

计算机测量与控制 2019年8期

(1.中国空气动力研究与发展中心高速所，四川绵阳 621000；2.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，四川绵阳 621000)

0 引言

目前，国内外跨超声速风洞，安全联锁控制系统(以下简称联锁系统)往往与风洞主控系统融合在一起，联锁系统的主要作用是风洞启动条件判断与状态监控[1]，系统本身不参与风洞控制。随着科技的发展，自动化水平的提高，风洞运行对主控系统高度依赖，该系统一旦产生故障，可能对风洞设备和参试人员造成严重危害。因此，风洞联锁系统除了启动条件判断与状态监控之外，还须在主控系统故障时，启动控制功能，控制风洞各设备在安全状态下关车。

0.6米跨超声速风洞(以下简称0.6米风洞)，是中国空气动力研究与发展中心在2014年建成通气的一座直流暂冲式三音速风洞，该风洞采用引射下吹式运行方式，试验马赫数范围M=0.3～4.5，总压和马赫数控制精度分别优于0.2%和0.002[2]。该风洞控制系统采用基于现场总线和网络的开放式集散系统，功能分散，指挥集中[3]；具有运行控制子系统多、自动化程度高、各系统间信息交互多、逻辑关系复杂的特点；联锁系统能够检测与控制所有与风洞运行安全相关的信息和设备，从技术上保证风洞的安全运行。

1 研制技术要求

0.6米风洞控制系统从功能布局上分为应用层、中间层、执行层三层，其中，面向操作的应用层包括主控系统及联锁系统两个独立的子系统[4-5]，二者共同组成了风洞控制系统。主控系统主要功能是负责提供好的流场品质和模型姿态；联锁系统主要负责风洞运行安全，系统拓扑图见图1。

图1 风洞控制系统拓扑图

系统研制功能及技术要求很多，从检测和控制专业角度上将其归纳为安全联锁与状态监控功能、三级冗余安全关车功能两部分技术要求[6]。

1.1 安全联锁与状态监控功能技术要求

1)风洞启动条件联锁。风洞启动前，联锁系统需完成启动条件检查，只有各系统状态信息正常，联锁系统才给主控系统发送允许启动信号，风洞方能启动。

2)状态监控功能。系统对整个风洞的关键参数进行监控，完成预警报警，使风洞参试人员可以随时掌握风洞状态，该功能贯穿风洞运行全过程。

3)指令下达及转发功能。系统通过网络通信实现控制指令的下达及状态信息的转发。

1.2 三级冗余安全关车功能技术要求

风洞运行过程中，当设备出现故障报警，联锁系统能够根据故障报警严重程度，自动启动三级冗余安全关车功能[7]，以保证风洞各运行设备回到安全位置后，在安全状态下关车。

2 系统硬件结构及组成

联锁系统由PLC、上位机、测控间控制台、网络、各系统状态信息、各执行机构、风洞洞体上布置的传感器及各状态量组成，其中PLC 是系统的核心[8]，PLC选用西门子的S7-300系列，CPU为319-3PN/DP。该CPU模块集成了ProfiNet、MPI/DP、Profibus-DP共3个通信端口。为满足状态监控和控制功能，PLC配置了6个16路的DI模块、4个16路的DO模块、2个8路的AI模块和2个8路的AO模块。

联锁系统组成图见图2，系统对风洞各设备的状态信息和控制指令通过ProfiNet和硬件电路连接两种途径联合实现：

1)系统通过ProfiNet工业实时以太网与测控间上位机、气密封控制系统、拉紧机构控制系统、喷管侧壁控制系统、喷管型面控制系统之间实现通信，读取各系统的状态信息并下发控制指令；

2)系统通过硬件电路连接方式与测控间控制台、主控系统RT、模型迎角控制系统、主进气管路阀门控制系统、主旁路进气管路阀门控制系统、引射管路阀门控制系统、气密封控制系统、拉紧机构控制系统、喷管型面控制系统、风洞各部段传感器、等状态信息和控制设备之间进行连接，对各设备进行状态监控和下达控制指令。

硬件电路连接可以保证在网络出现异常时，联锁系统仍然可以通过硬件电路对风洞进行安全控制，确保风洞在安全状态下进行关车。

图2 联锁系统组成图

3 系统软件设计及实现

3.1 软件通信方式

联锁系统软件包括上位机软件和下位机软件两个部分。系统上下位机之间及与其它系统之间的软件数据通信方式见图3。数据通信包括三种方式：

1)控制软件之间(主要指上位机间)信息交互，采用网络共享变量服务器SVE来统一管理通信变量，基于PSP协议自动进行数据发布更新[9]；

2)控制软件(安全联锁上位机)与设备(安全联锁PLC)的通信，采用基于OPC技术的访问机制；

3)安全联锁PLC对其它PLC的通信采用组态映射方式。

图3 软件数据通信方式图

3.2 系统上位机软件

联锁系统上位机软件是该系统的人机交互界面，是信息显示、指令发送中心，通过该软件，系统可以实时获取和掌握风洞现场设备运行状态，可以发送控制指令，可以对风洞安全运行进行管理，上位机软件采用图形化开发工具LabVIEW 2012进行开发，软件采用模块化设计，主要包括的模块见图4。

图4 联锁系统上位机软件的模块组成

3.3 系统下位机软件

联锁系统下位机PLC软件采用西门子公司的SIMATIC Manager Step7 v5.5进行组态编程。通过ProfiNet工业实时以太网与上位机实现通信，完成测控系统状态检测与监视、吹风条件检查、指令转发、异常报警、压力闭环控制、紧急停车等功能。软件层次结构及功能模块见图5。

图5 联锁系统程序功能模块图

PLC软件模块及功能实现描述见表1，包括与上位机通信处理部分、暖启动初始化OB100模块、定时中断OB35模块、循环中断OB1模块四个大的模块；其中，定时中断OB35模块包括模拟量处理功能块FC3、压力PID控制功能块FC40两个功能块，循环中断OB1模块包括系统状态监控功能块FC70、通信转发处理功能块FC20、数字量处理功能块FC1、异常报警功能块FC30、吹风条件检查功能块FC10、安全关车保护功能块FC50七个功能块。

4 关键技术

4.1 三级冗余安全关车策略

系统冗余安全关车策略共分三级：

1)一级关车保护功能。联锁系统通知主控系统故障类型，提示主控系统按照预先设定的关车时序，完成一级安全关车保护功能。

表1 联锁系统PLC软件功能模块

2)二级关车保护功能。二级关车保护功能由安全联锁PLC实现。当主控系统不能正常关车或故障已经超过主控系统关车设定阈值时，安全联锁PLC抢占控制权限，由PLC控制风洞按照关车时序完成安全关车操作。

3)三级紧急停车功能。若关键环节发生严重故障时，联锁系统能够通过硬件电路直接快速切断气源，以保证在任何情况下对风洞进行紧急停车操作，保护风洞洞体。

4.2 电接点压力表的安装

稳定段总压电接点压力表、引射集气室压力电接点压力表是针对风洞超压最高级别的安全保护。从理论分析，如果主控系统、安全联锁PLC两者没有同时故障，压力是可控的，即不会出现电接点压力表超高压的情况；假如出现压力超压不可控的极端情况，必须迅速切断气源，避免气体超压爆炸对风洞及参试人员造成伤害。因此，电接点压力表必须可靠，不能有误动作。

考虑到机械压力表的特性，易受环境震动干扰。通过静态实验，我们发现在震动时，压力表容易出现误动作。为避免出现误动作的情况，一是选用抗震动能力较强的压力表，安装时选择震动相对较弱的位置并且进行减震处理；二是将震动引起的误动作信号进行滤波。经以上两步措施，在震动最强的工况下，电接点压力表表现可靠，没有误动作。

5 系统调试及应用情况

5.1 系统功能调试

在风洞进行综合性能调试之前，联锁系统须具备安全关车保护功能，以保证风洞能够安全关车。因此，必须对联锁系统进行功能调试。调试内容除对供电模块功能、通信功能、PLC输入输出功能、迎角机构紧急回零功能、控制台功能、吹风条件联锁等6个基本功能进行测试之外，主要对二级关车保护及三级紧急停车两部分功能进行了测试；其中一级关车保护功能由主控系统实现，安全联锁只需完成通知提示功能。

5.1.1 二级安全关车保护功能调试

安全联锁PLC通过调节主进气管路、引射进气管路阀门系统控制风洞稳定段总压和引射集气室压力，等待风洞各运行设备回到安全位置后，完成安全关车。相比主控系统，PLC的压力控制精度不需要达到0.2%，只需达到0.5%即可；但一旦接管权限，必须逻辑正确，动作可靠。根据风洞不同运行工况，匹配归纳出安全联锁二级关车方式包括下吹式、总压负压运行、开关车引射、全程引射四种，经仿真和带压力调试，各关车工况压力控制精度全部优于0.5%，时序正确。

在下吹运行工况下，二级安全关车压力曲线和时序见图6，当PLC接管权限后，继续调节稳定段总压至目标值，等待风洞各运行设备回到安全位置后，关闭主进气阀门系统。

图6 下吹运行工况二级关车压力曲线和时序

在稳定段总压为负压运行工况下，二级安全关车压力曲线和时序见图7，当PLC接管权限后，继续调节引射集气室压力至目标值，并开启主进气阀门系统，把稳定段总压调节到目标压力值(稍高于大气压)时，等待风洞各运行设备回到安全位置后，同时关闭主进气及引射进气阀门系统，以防止稳定段总压为负压时，激波返回时冲击载荷对模型及烧结丝网造成损害[10]。

图7 总压负压运行工况二级关车压力曲线和时序

在开关车引射运行、全程引射运行工况下，二级安全关车压力曲线和时序分别见图8、图9，当PLC接管权限后，继续调节稳定段总压至目标值，并开启或调节引射进气阀门系统，引射集气室压力到达安全关车压力时，等待风洞各运行设备回到安全位置后，首先关闭主进气管路阀门系统，待稳定段总压降至设定值时，立即关闭引射进气阀门系统，以降低激波返回时冲击载荷对模型及烧结丝网造成损害。