结构化编程方法在射流预冷试验器中的应用

王晓宇 周易 高杨

摘要：射流预冷技术是改善航空涡轮喷气发动机高空高速高性能的技术之一，该技术已经在航空领域中得到成功应用。为满足射流预冷技术的试验需求，开展射流预冷技关键技术试验验证，搭建了地面试验验证系统，设计了地面验证用射流预冷试验器，其中，使用可编程逻辑控制器（PLC）设计射流预冷试验器的控制系统。为了提高控制系统的效率，便于后期维护和使用，本文提出了一种结构化编程的方法，应用在射流预冷试验器的控制系统中。

Abstract： Jet precool is one of the technologies which improving the property of aerojet engine ，and it has been widely used in aviation .To meet the test requirements，using the PLC to design the control system. In order to improve the control system efficiency，convenient for later maintenance and use ，the paper proposes a structured programming method ，and uses it in the control system of the jet precooling tester.

關键词：射流预冷;控制系统;PLC;结构化

Key words： jet precool;control system;PLC;structured

中图分类号：V241.06                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0232-02

0  引言

近些年，国内航空工业领域研究的射流预冷技术是指在常规涡轮发动机进口前加装射流预冷试验器，管道中的来流气体经过射流预冷试验器后，与冷却介质相互掺混，通过介质的蒸发，进而冷却管道内的高温气流，使发动机进口前的气流温度满足常规发动机进气要求，从而使发动机能够在高马赫数下工作，扩大了发动机的工作包线1-3。

射流预冷试验器的控制系统作为“神经系统”贯穿始终，使用西门子公司的可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制核心进行控制系统的设计，并采用结构化的编程方法来优化控制系统的设计。射流预冷试验器的控制系统是该试验器的重要组成部分，可以实时收集各种传感器反馈信号，对水泵、阀门、水箱电加热器等设备进行控制和匹配调节，确保试验器的安全稳定运行，在给定工作状态下完成试验任务。控制系统能够对试验过程中的关键参数进行监控和报警，使试验器高效运行，提高试验器的安全性和可靠性。为了完成控制系统的设计，需要满足以下需求：

①试验器安全稳定运行。在试验过程中，对试验器控制不当容易导致设备的故障、损坏，影响试验成果，因此控制系统的安全性很重要。

②正确的故障处理方式。在试验过程中，设备难免出现故障，在出现故障后能及时反馈给试验操作人员，以便及时做故障处理工作，防止耽误试验进程。

③合理的参数反馈与给定设置。试验过程中需要时刻关注各个传感器的反馈数值和各个执行器的运行反馈状态。灵活设置泵电机转速，调节阀开度等参数来保证射流预冷试验器满足试验的需要。

1  现有技术状态

目前在航空工业的地面试验设备控制系统设计过程中，常用线性化编程思想，特点是新手易学，但是重复性工作多，效率较低。对于控制逻辑相同的不同设备，需要多次重复编写相同的控制程序，浪费大量的时间和精力，而且会造成程序冗长，影响PLC运行速度，不便于程序的后期维护与升级改造。

2  结构化编程思想

利用PLC的结构化编程思想，将射流预冷试验器中一些常用的控制逻辑编写为通用的功能模块，在控制程序的编写过程中根据需要调用预先编写好的功能模块，通过设置不同的控制变量地址，实现各个试验设备的控制。

结构化编程的优点有：

①逻辑清晰，程序结构层次分明，对于控制逻辑相同的不同设备，例如射流预冷试验器中的多个阀门控制，不需重复编写控制程序，只需多次调用功能模块即可;

②便于后期维护，控制逻辑需要更改时，线性化程序中需要对每一个程序段进行更改，结构化程序中只需更改功能模块的内容，调用处不需更改;

③可以建立功能模块库，将现有的功能模块转用于未来其他试验设备的设计中，并在设计工作中不断补充完善。

3  结构化编程的应用

本文根据射流预冷试验器的需求，提出五种常用功能块应用在控制系统中。分别是急停控制模块、报警与消音控制模块、故障检测模块、故障检测模块（延时）、设备启停控制模块。功能模块中的语句使用接口变量进行编写，程序中无实际的变量地址。在模块被调用处用实际变量的地址为接口变量赋值，从而实现功能模块对实际变量的控制。

3.1 急停控制模块

急停控制模块的控制功能一般应用在射流预冷试验器水系统的水泵和主要调节阀门上。当试验过程中遇到紧急状况需要采取应急措施时，可以利用人机界面以及操作台上的实体按钮，实现急停信号的发生与复位，一般有“本地”和“远程”两个操作地点，“急停”信号分为“即时急停”和“延时急停”。“急停”信号可不分控制地点随时发出，“复位”信号需要在对应的控制地点才能发出。急停控制模块的梯形图如图1所示。

3.2 报警与消音控制模块

报警与消音控制模块一般用于试验操作台的报警蜂鸣器、报警消音灯的控制。当射流预冷试验器在试验过程中，某个部件或执行器出现故障，必须发出报警提示现场试验人员，参试人员根据报警查看发生故障的部位，确定是继续试验或是暂停试验排故。若故障不影响试验进行，便可按下试验台上的报警消音按钮，略过此报警，继续试验。

3.3 故障检测模块

故障检测模块用于射流预冷试验器设备故障信号的检测与保持，可用“复位”信号消除。但是有些设备比较容易误触发故障信号，通过加入延时定时器过滤掉误触发的信号，由于加入了延时定时器，故障信号需要发生并保持一定时间才能触发故障响应。例如射流预冷试验器中的一些阀门遇到强电干扰会误报故障信号，这时就可以使用故障检测延时模块。故障检测模块（延时）梯形图如图2所示。

3.4 设备启停控制模块

设备启停控制模块可以用于射流预冷试验器水系统泵电机的合闸/分闸操作和启动/停止操作，可以调用两次该模块实现。也可用在水系统变频水泵的本地/远程控制地点切换、自动/手动试验模式切换等。

这个模块的功能可以利用人机界面或设备的实体按钮实现对设备的启动/停止控制、状态点的置位/复位操作，利用设备的运行反馈信号实现控制信号的自锁，有“本地”和“远程”两个控制地点。设备启停控制模块的梯形图如图3所示。

4  结构化编程的效果

以射流预冷试验器的控制系统程序为例，对比结构化编程与线性化编程的不同效果。

结构化编程共计54个程序段，使用了上述的5个功能模块，共计被调用12次。其中，设备启停控制模块调用次数最多，为5次。

在程序调试过程中，若需修改设备启停控制逻辑，在结构化编程中只需对设备启停控制模块进行1次修改，而线性化编程则需要对5处逻辑相同的程序段进行重复性的修改。结构化编程相对于线性化编程，在实际的工程应用中有更高的效率。

假如需要编写另一个试验设备的控制程序时，结构化编程可以直接复制功能模块库并调用，只需为模块内的接口变量赋值即可。而线性化编程需要对程序段进行复制，并对程序内的所有变量进行重新赋值，有大量的重复性工作，且容易出现错漏。结构化编程相对于线性化编程，在实际的工程应用中有更低的错误率。

5  结论与展望

实际上，在PLC的工程应用中，结构化编程和功能模块库的概念很常见，但是在航空工业试验设备的控制系统设计中，此方法并未大规模使用。本文以射流预冷试验器为例，将结构化编程思想应用在该试验器的控制系统设计中，取得了良好的效果。因此在航空工業试验设备设计中推广结构化编程思想是很有必要的，并且本文提出的5个模块是在实际的工程实践中总结、优化而产生的，考虑了不同场景、不同设备和不同控制目的的兼容性问题，具有一定的通用性，能为设计人员提升效率，降低错误率，便于控制系统的设计和后期维护。

参考文献：

[1]芮长胜，张超，越冬峰.射流预冷涡轮发动机技术研究与发展[J].航空科学技术，2015，26（10）：53-59.

[2]刘旭峰，常鸿雯，薛洪科，等.射流预冷装置温降与流阻特性试验研究[J].航空发动机，2018，44（2）：81-86.

[3]李艳军，常鸿雯，薛洪科，等.射流预冷降温性能评估及敏感性分析[J].航空发动机，2017，43（1）：85-90.