某亚跨超声速风洞安全联锁控制系统研制

1、某亚跨超声速风洞安全联锁控制系统研制摘要：某亚跨超声速风洞安全联锁控制系统针对风洞复杂的运行工况，采用Profinet实时以太网RT通 信协议，对安全联锁控制策略以及PLC软件关车程序进行模块化设计，实现了风洞系统状态的实时监 测，安全联锁控制策略的自动配置部署以及自动回零、手动、紧急这3种安全关车手段，保证了风洞试验 的高效安全运行。关键词：亚跨超声速风洞；安全联锁；实时监测；安全关车Development of Safety Interlock Control System in Transonic andSupersonic Wind TunnelAbstract： To deal wi

2、th the complicated operation conditions of the transonic and supersonic wind tunnel, the safety interlock control system adopts RT communication protocol of Profinet real-time Ethernet to modularize the safety interlock control strategy and PLC software shutdown program, which realizes the real-time

3、 monitoring of the wind tunnel system state, the automatic configuration and deployment of the safety interlock control strategy, and the three safe shutdown means of automatic zero return, manual and emergency, so as to ensure the efficient and safe operation of the wind tunnel test.Key words： tran

4、sonic and supersonic wind tunnel; safety interlock; real-time monitoring; safe shutdown安全联锁控制系统是关系到整个风洞运行安全的 重要系统,其完备性直接影响整个风洞控制系统的可 靠性。安全联锁控制系统主要进行风洞启动条件判断 及状态监控，紧急情况下自动停止风洞运行，保证 风洞运行过程中的人员和设备安全，防止由设备准备 条件不足或风洞洞体、试验模型及测控系统设备状态 异常等引发的不安全因素对风洞试验和参试人员造成 损失和伤害。某亚跨超声速风洞为Im量级半回流暂冲式亚跨 超声速风洞，喷管出口尺寸为1.2 m X

5、 1.2 m,试验马 赫数范围为0.3-4.5，风洞设备主要包括:气源系统、 进气管路和阀门系统、风洞主体、测量系统、监测与控 制系统和辅助设施。进气管路和阀门系统包括主进气 路管路系统和引射进气管路系统，两条气路分别配置 有闸阀、快速阀和调压阀；风洞主体包括稳定段、喷管 段、试验段（2个）、支架段、超扩段、吸入引射器、增量 引射器等。通过主进气路管路系统、引射进气管路系统以及 增量引射器的组合使用，形成5种运行方式，分别为增 量引射式、下吹式、下吹吸入引射式、增量+吸入引射 式，增量+下吹吸入引射式,满足了 0.3-4.52#的宽 试验马赫数范围，但同时也导致运行工况复杂、高马赫 数运行风险

6、高等问题。运行方式组合示意图如图1所 示运行方式运行方式图1运行方式组合示意图为了保证风洞运行安全，需要研制一套状态数据 采集处理全面准确、通信实时性高、可根据运行工况自 动配置安全控制策略、具备多种安全关车手段的安全 联锁控制系统。1总体方案安全联锁控制系统由安全监控计算机（上位机）、 安全联锁PLC（下位机）以及控制台组成。由于安全 联锁控制系统监测设备安装地点分散，监控信息点多, 为了减少施工量，系统布置基于分布式测控技术, 采用基于现场总线和网络化的开放式集散系统，功能 分散，指挥集中奸刃。安全联锁PLC（下位机）部署在 风洞现场地下室，安全监控计算机（上位机）和控制台 部署在风洞测控

7、间。安全联锁控制系统功能主要包括: 风洞现场各控制分系统及关键部段状态参数的监测及 存储功能，安全联锁控制策略自动配置功能，系统实时 通信功能，风洞各控制分系统的控制功能，复杂运行工 况下的自动回零、手动和紧急3种安全关车功能。安全联锁控制系统功能实现方式包括软件控制和 手动控制。手动控制部分通过操作测控间控制台实现 手动安全关车功能;软件控制部分通过安全监控计算 机以及PLC共同实现状态监测存储、参数处理、自动 回零安全关车等功能。2硬件组成安全联锁控制系统安全监控计算机（上位机）选 用联想ThinkCentre系列计算机,下位机采用西门子的 S7-1500 系列 PLC（ CPU1516-

8、3PN/DP），PLC 硬件输入 输出模块包括:3个32路数字量输入模块、2个32路 数字量输出模块、3个8路模拟量输入模块和1个8 路模拟量输出模块。安全联锁控制系统硬件拓扑结构 图如图2所示，安全联锁控制系统对风洞状态的监控 通过网络通信和传感器硬件采集两种途径实现。3#油源主进气管路阀 门信号转接箱模型支撑 控制系统Profinet Profibus-DP 开关量 模拟量引射器管路阀 门信号转接箱图2安全联锁系统网络通信拓扑结构图测控间 控制台油源控制系统2#油源1#油源2#油源控制柜控制柜1控制系统控制系统安全连锁控 制系统PLC电接点 压力表信号模型迎角编码器主进气管路 调压阀位置

9、主进气管路 旁路浦注商位置1引射器管路 调压阀位置压力变送器信号为了保证网络通信的可靠性，风洞网络通信基 于测控环网实现，由西门子交换机组成光纤环网， 安全联锁控制系统PLC、各风洞控制分系统与环网 交换机采用Profinet实时以太网连接，为了提高网络 通信的实时性、实现状态实时监测以及减小异常情 况下安全联锁控制系统的响应时间，Profinet实时以 太网采用RT实时通信协议，相比于常规的TCP/IP 通信协议,系统通信周期可以由100 ms缩短至2 4 ms。由于安全联锁控制系统上位机在试验运行过程 中仅起状态显示与记录功能，不参与执行控制，对通 信实时性要求不高，因此安全联锁控制系统上

10、位机 与下位机PLC之间通过OPC进行通信，通信周期为 100 ms。对于关系风洞运行安全的关键信号，如各控制分 系统的就绪故障信号、关键部段的人孔开关信号、控制 台按钮信号、稳定段压力和集气室压力等信号，通过直 接接线方式连接到PLC输入模块进行硬件采集，同时 将风洞阀门系统以及弯刀机构通过直接接线方式接入 到PLC输出模块，保证网络通信发送故障时，安全联 锁控制系统仍能通过硬件输出对风洞阀门、弯刀进行 控制，确保风洞不失控。稳定段、集气室和调压阀后压力信号通过压力传 感器和电接点压力表同时采集监测，由人孔以及阀门 开关信号等通过限位开关进行采集监测。3软件设计安全联锁控制系统软件分为上位机

11、系统管理软件 和下位机PLC控制软件，实现数据采集处理、状态实 时监测、各分系统监控，以及自动回零、手动安全关车 等功能。上位机软件采用LabVIEW编写，下位机软件 采用西门子Portal的SCL语言编写。图3为安全联锁 系统软件主要功能图。3.1上位机软件安全联锁控制系统管理软件可以通过接收下位机 PLC上传的信息实现各监测状态的实时显示与存储, 包括各控制分系统的运行状态、各阀门的开关状态以 及油源压力温度等;接收解析核心控制系统发送的试 验运行参数进行部署，根据试验运行工况，自动配置安 全联锁控制策略下发至下位机PLC，包括试验开始前 开车条件的检测与控制、运行过程中异常情况下的关 车

12、流程等;控制指令的下发，在开车准备及试验正常结 束后根据部署的控制策略下发相关启停指令,在试验 等待阶段，下发手动操作控制指令;对控制指令进行 联锁，如未打开快速阀均压阀时，快速阀打开指令无 效。由于风洞复杂的运行工况,导致安全联锁控制策 略复杂多变，为了实现其自动配置的高效性，缩短调试 期间调整控制策略所需时间，对安全联锁控制策略进 行模块化设计。对风洞所有运行部段的工作模式以及 控制方式等进行编号，对相应工作模式涉及到的控制 分系统进行梳理，形成对应的操作指令，编写相应的功 能块，然后根据运行工况对各部段编号进行排列组合， 形成相应的安全联锁控制策略。表1为风洞部分部段 的工作模式编号情况

13、。表1风洞部分部段的工作模式编号表主进气管路模型支撑流场控制方式0不用不用1单用主路调压阀单用全摸Ma控制2单用旁路调压阀单用半模压力控制3同时用主/旁路调压阀Ma和压力控制3.2 PLC软件安全联锁控制系统功能的执行部分主要通过下位 机PLC控制软件实现，包括数据采集与处理，对PLC 输入输出模块信号进行安全逻辑、高低有效、强制性、 上下阈值等预处理;与各控制分系统进行信息交互，将 采集接收的压力、油温、就绪故障、阀门开关状态等信 息上传至上位机;执行上位机下发的控制指令及控制 策略，进行开车条件检测与控制，包括启动油源、气密 封充气和打开快速阀均压阀等，并对其就绪状态进行 检测，同时将未就

14、绪条件上传至上位机进行显示，为试 验运行做好准备工作;运行过程中异常情况的判断以 及完成安全关车流程。图4为PLC软件功能结构 图。安全联锁控制系统安全关车策略包括自动回零、 手动以及紧急关车。其中自动回零关车通过下位机 PLC软件实现;手动关车通过控制台按钮操作实现;紧 急关车通过硬件联锁实现,PLC软件仅对其进行监测 记录。3.2.1 自动回零关车策略基于风洞复杂运行工况，为了确保风洞洞体以及图4 PLC软件功能结构图模型安全，对试验运行过程中的异常状态进行了分类, 共分为三级报警信号。一级报警信号包括气密封系 统、油源系统和模型支撑系统等各分系统故障信号以 及控制台回零关车按钮信号;二级

15、报警信号包括核心 控制系统故障、稳定段总压超低压和控制台PLC关车 按钮等信号;三级报警信号包括稳定段总压超高压、集 气室压力超高压、洞内有人、图4 PLC软件功能结构图当一级报警信号触发后,PLC软件向核心控制系 统发送回零关车信号，由核心控制系统判断并控制模 型回零关车，包括调节调压阀稳定压力，控制模型回到 零位后关闭调压阀，再关闭快速阀。当触发二级报警时，安全联锁控制系统将接管核 心控制系统的风洞控制权限，由PLC软件控制风洞模图5 PLC关车策略图3.2.2手动及紧急关车策略无法执行，需要通过控制台进行手动关车，包括切换弯当试验运行过程中发生异常时，需要终止试验进刀控制权限为手动,操作

16、控制台上全摸正向/负向按钮行关车，若因PLC程序故障等原因导致自动关车流程控制模型回零，待模型回零到位后，按下紧急关车按型回零关车。目前共有5种关车策略,过程包括控制 调压阀调节压力、控制模型迎角回零以及按照上位机 下发的关车控制策略关闭相关阀门完成安全关车。为 了实现上位机关车控制策略自动配置功能，便于调试 关车控制策略，对PLC关车程序进行了模块化设计, 通过对风洞所有关车工况需要使用到的部段功能进行 分解，形成基本的功能块，包括各调压阀压力调节功 能，弯刀机构实现模型迎角回零功能，各调压阀关闭功 能。然后根据上位机下发的关车策略,将基本功能块 进行组合图5 PLC关车策略图3.2.2手动

17、及紧急关车策略无法执行，需要通过控制台进行手动关车，包括切换弯当试验运行过程中发生异常时，需要终止试验进刀控制权限为手动,操作控制台上全摸正向/负向按钮行关车，若因PLC程序故障等原因导致自动关车流程控制模型回零，待模型回零到位后，按下紧急关车按钮，关闭快速阀，完成安全关车。紧急关车作为风洞最后一道安全关车保障，当试 验运行过程中触发了三级报警信号或者自动回零关车 执行时间超时，将执行紧急关车。当电接点压力表、人 孔开关以及控制台按钮等硬件信号被触发后，直接控 制关闭快速阀，不进行模型回零及压力调节。4调试结果针对安全联锁控制系统的主要功能进行了测试, 主要包括数据采集处理显示功能、各控制分系

18、统的控 制功能、安全联锁控制策略自动配置功能以及3种安 全关车功能。图6为安全联锁控制系统上位机状态显示界面。 从图中可以看到，界面可以实时显示油源系统、气密封 系统、柔壁系统等控制分系统的状态、阀门的开关状态 和调压阀的开度信息等。图6上位机状态显示界面图图7为安全联锁控制策略自动配置界面。从图7 中可以看到，安全联锁控制系统管理软件能够实现运 行参数的接收解析部署功能，能够实现控制策略的自 动配置功能。esmemm图7安全联锁控制策略自动配置界面图图8为试验前开车检测状态显示界面，表明PLC 软件可以在试验准备阶段实现各分系统控制和就绪状 态检测功能。对安全关车进行调试，在空风洞试验过程中分别 模拟一级、二级和三级报警信号，触发安全关车。通过 调试发现,模拟模型支撑系统故障信号触发一级报警 时，核心控制系统能够收到回零关车信号;当稳定段压 力稳定后，模拟稳定段超低压信号触发二级报警，PLC 能够进行压力调节，同时进行模型