陳海峰,張 勝,馬列波,閻 成,張永武

(1．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽(yáng) 621000；2．北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041）

1 引言

1．2米跨超聲速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱1．2米風(fēng)洞)，是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在2018年建成通氣的一座半回流、下吹、引射、暫沖式三音速風(fēng)洞。該風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍寬、運(yùn)行工況參數(shù)較為復(fù)雜，與之匹配帶來了風(fēng)洞洞體狀態(tài)組合多的運(yùn)行條件。風(fēng)洞擴(kuò)開角調(diào)節(jié)片是不同洞體狀態(tài)組合的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它包括超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片、支架段調(diào)節(jié)片、增量引射器調(diào)節(jié)片三部分。

超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片的主要作用是在超聲速運(yùn)行時(shí)，通過擴(kuò)開角形成二喉道，降低風(fēng)洞的運(yùn)行壓力比、節(jié)省試驗(yàn)用氣或降低風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)功率[1-2]；支架段調(diào)節(jié)片的主要作用是在亞、跨聲速試驗(yàn)時(shí)，通過該調(diào)節(jié)片擴(kuò)開角縫隙把駐室的空氣抽到擴(kuò)壓段中，從而保持試驗(yàn)段氣流的正常流動(dòng)，保證試驗(yàn)段氣流的均勻性[3-4]；增量引射器調(diào)節(jié)片的主要作用是在亞、跨聲速運(yùn)行時(shí)，利用主氣流的高壓引射作用將部分低壓廢氣重新通過擴(kuò)開角縫隙引入風(fēng)洞回路中，從而大大節(jié)省氣源的消耗量[5]。

風(fēng)洞擴(kuò)開角控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)之前風(fēng)洞相應(yīng)洞體狀態(tài)組合條件的更換。在試驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備階段，由風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行管理上位機(jī)通過安全聯(lián)鎖PLC向擴(kuò)開角控制系統(tǒng)發(fā)送試驗(yàn)準(zhǔn)備指令，擴(kuò)開角各部分調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu)根據(jù)試驗(yàn)工況，自動(dòng)預(yù)置調(diào)節(jié)片位置，運(yùn)行到位后，向安全聯(lián)鎖PLC發(fā)送擴(kuò)開角就緒信號(hào)，以保證風(fēng)洞在不同運(yùn)行參數(shù)下的擴(kuò)開角狀態(tài)。

2 研制內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)

2.1 研制內(nèi)容

該系統(tǒng)研制內(nèi)容主要包括以下方面

(1)完成超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片擴(kuò)開角控制(含上-1、上-2、下-1、下-2，共4組調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu))、支架段調(diào)節(jié)片擴(kuò)開角控制(上、下、左、右共4組調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu))、增量引射器調(diào)節(jié)片擴(kuò)開角控制(含左、右共2 組調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu))，共三個(gè)部分的控制系統(tǒng)研制工作。實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)部分共10組調(diào)節(jié)片所對(duì)應(yīng)10臺(tái)伺服電機(jī)的位移精確控制(包括點(diǎn)動(dòng)控制、定位控制、聯(lián)動(dòng)控制)，同時(shí)具備伺服系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及報(bào)警等功能，三部分對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)片結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 支架段調(diào)節(jié)片結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 增量引射器調(diào)節(jié)片結(jié)構(gòu)示意圖

（2)完成控制PLC 程序和觸摸屏HMI 程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地操作；完成與風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)風(fēng)洞運(yùn)行更換洞體狀態(tài)條件對(duì)擴(kuò)開角控制系統(tǒng)的性能要求，結(jié)合調(diào)節(jié)片結(jié)構(gòu)條件，研制的控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：

1)超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片行程420mm，運(yùn)行速度5mm/s，定位精度0．1mm，絲桿導(dǎo)程3mm；

2)支架段調(diào)節(jié)片行程300mm，運(yùn)行速度5mm/s，定位精度0．1mm，絲桿導(dǎo)程3mm；

3)增量引射器行程400mm，運(yùn)行速度1．66mm/s，定位精度：0．1mm，絲桿導(dǎo)程1mm；

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)不但要達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，還要有完善的狀態(tài)反饋及故障報(bào)警等功能，保證風(fēng)洞洞體條件狀態(tài)的安全可靠性。

3 系統(tǒng)研制

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)、主從站布局形式的開放式集散系統(tǒng)[6]，系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，通過PorfiNET和ProfiBus-DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，伺服驅(qū)動(dòng)器采取模擬量控制方式，系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示。

圖4 擴(kuò)開角控制系統(tǒng)控制原理圖

結(jié)合三部分調(diào)節(jié)片位置，系統(tǒng)采用主從站布局。S7-1500PLC 作為主站，布置在支架段調(diào)節(jié)片、超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片附近的控制柜內(nèi)，兩部分調(diào)節(jié)片控制指令和狀態(tài)反饋信號(hào)信號(hào)接入主站；IM155-5 作為從站，布置在增量引射器調(diào)節(jié)片附近，該部分調(diào)節(jié)片信號(hào)接入從站，從站本身不具有CPU，全部控制指令由PLC 完成。其中主站與從站、PLC 與觸摸屏及遠(yuǎn)程上位機(jī)之間通過ProfiNET 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，外置編碼器與PLC之間通過Profibus-DP總線進(jìn)行通訊，主從站通過電纜接線給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送模擬量和使能、抱閘開關(guān)量運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)接受伺服驅(qū)動(dòng)的就緒、故障等反饋指令。擴(kuò)開角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 擴(kuò)開角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 系統(tǒng)硬件方案

超擴(kuò)段、支架段、增量引射器三部分調(diào)節(jié)片共10套執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)控制及狀態(tài)反饋上，共用一套PLC控制器；在伺服驅(qū)動(dòng)方面除行程位置、運(yùn)行速度等指標(biāo)有差別外，其余在控制原理及實(shí)現(xiàn)功能方面類似，現(xiàn)以超擴(kuò)段為例闡述具體硬件方案。

3.2.1 PLC控制器選型

由于西門子的S7-300、S7-400PLC 將逐步停止生產(chǎn)，今后將主推S7-1500 系列PLC，它是對(duì)前兩個(gè)系列PLC 進(jìn)一步開發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)，集成了大量運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的工藝對(duì)象功能，如電子齒輪、電子凸輪、位置控制等，具有卓越的可操作性和極高的性能，非常容易實(shí)現(xiàn)編程調(diào)試工作[7]。擴(kuò)展的AI/AO、DI/DO等模塊可自由編程應(yīng)用，模擬量輸出AO模塊完成伺服運(yùn)動(dòng)指令的發(fā)送；數(shù)字量輸出模塊DO完成伺服驅(qū)動(dòng)的使能、抱閘、報(bào)警復(fù)位信號(hào)；數(shù)字量輸入DI 模塊完成伺服驅(qū)動(dòng)的就緒、報(bào)警、限位信號(hào)[8]。

PLC配置如下所示[9]：

CPU：1513-1PN 6ES7513-1AL00-0AB0，1塊；I/O擴(kuò)展模塊：IM155-5 6ES7155-5AA00-0AB0，1塊；DI32模塊：SM521 6ES7521-1BL00-0AB0，2塊；DO32模塊：SM522 6ES 7522-1BL00-0AB0，2塊；AO8模塊：SM532 6ES7532-5HF 00-0AB0，2塊。

3.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)裝置及反饋編碼器的選型

超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片外置絕對(duì)式編碼器安裝在減速機(jī)構(gòu)末端，絲桿導(dǎo)程3mm/圈，表示絲桿運(yùn)動(dòng)3mm，編碼器轉(zhuǎn)1圈，該部分機(jī)構(gòu)的定位精度要求為0．1mm，所選外置絕對(duì)式編碼器單圈分辨率8192/圈，定位精度分析計(jì)算見下式：

由式(1)可知，編碼器反饋精度滿足0．1mm的要求。

機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度要求達(dá)到5mm/s，機(jī)構(gòu)減速比為1：14，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速一般指每60秒即每分鐘的轉(zhuǎn)速，因此，要求伺服電機(jī)每分鐘的運(yùn)行速度至少為：

由式(2)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到每分鐘1400 圈，即1400rpm；運(yùn)行速度結(jié)合伺服電機(jī)扭矩、驅(qū)動(dòng)功率等指標(biāo)要求，最終選定安川低速、中功率容量、大轉(zhuǎn)矩系列伺服電機(jī)，型號(hào)為：SGM7G-44AFC6C，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500rpm，額定功率4．4kW，額定扭矩28．4N m；匹配選擇的伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為：SGD7S-550A，驅(qū)動(dòng)器使用三相AC200V輸入，可以支持最大的電機(jī)容量為7．5kW，支持模擬量電壓、脈沖序列指令。

超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片行程420mm，導(dǎo)程3mm/圈，則外置絕對(duì)式編碼器所需要的圈數(shù)應(yīng)大于：

綜合另外兩個(gè)部段支架段、增量引射器的要求，統(tǒng)一選擇了TR的CEV58S/M系列絕對(duì)式編碼器，該編碼器分辨率每圈13位8192線，圈數(shù)可設(shè)置，最大圈數(shù)12位4096圈。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)的軟件部分主要由PLC 控制程序和HMI 程序組成。PLC 控制程序采用博途TIA Portal V13開發(fā)，HMI 程序采用集成在博途里面的SIMATIC WinCC Advanced V13．1開發(fā)。

3.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC 控制程序集成了通訊模塊、電機(jī)運(yùn)行控制模塊、參數(shù)管理模塊、故障處理模塊，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 擴(kuò)開角PLC控制程序結(jié)構(gòu)框圖

通訊模塊通過PN站點(diǎn)的檢測(cè)通訊，完成PLC與觸摸屏即遠(yuǎn)程上位機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的本地和遠(yuǎn)程控制。

電機(jī)運(yùn)行控制模塊是擴(kuò)開角PLC 控制程序的核心模塊，具有電機(jī)運(yùn)行條件判斷、位置計(jì)算、定位運(yùn)行初始化、速度計(jì)算、方向判斷、故障報(bào)警、點(diǎn)動(dòng)控制、定位控制等功能，電機(jī)運(yùn)行控制流程圖如圖7所示。

圖7 電機(jī)運(yùn)行控制程序流程

參數(shù)管理模塊完成參數(shù)組賦值、保存、上傳、調(diào)用等功能；故障報(bào)警模塊主要是對(duì)設(shè)備的上電狀態(tài)、伺服報(bào)警情況、軸的限位情況、系統(tǒng)報(bào)警等信息進(jìn)行顯示和故障清除功能。

3.3.2 HMI程序設(shè)計(jì)

HMI程序主要完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息的顯示、實(shí)現(xiàn)觸摸屏操作控制。在擴(kuò)開角控制系統(tǒng)本地控制時(shí)，操作人員通過控制柜上的HMI 輸入各型面位置參數(shù)與控制指令，完成各調(diào)節(jié)片的位置控制，并實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和位置信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。觸摸屏主界面截屏如圖8所示。

圖8 擴(kuò)開角系統(tǒng)控制主界面

作為人機(jī)界面，HMI 程序除了主界面外，還包括支架段、超擴(kuò)段、增量引射器的點(diǎn)動(dòng)控制、單動(dòng)控制、聯(lián)動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警畫面等。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析與解決措施

4.1 多重聯(lián)鎖條件設(shè)計(jì)

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)的全程實(shí)時(shí)安全聯(lián)鎖保護(hù)，是確保機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行的關(guān)鍵措施，安全聯(lián)鎖保護(hù)由PLC 實(shí)現(xiàn)。在調(diào)節(jié)片運(yùn)行過程中，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的絕對(duì)安全可靠，設(shè)置多重安全聯(lián)鎖條件：

a．通過計(jì)算當(dāng)前理論位置，并與反饋位置比較，通過機(jī)構(gòu)的外置絕對(duì)編碼器反饋實(shí)際運(yùn)行位置實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的軟限位功能，若機(jī)構(gòu)運(yùn)行超差，立即輸出停止運(yùn)行信號(hào)，并關(guān)閉使能，同時(shí)輸出抱閘控制信號(hào)；

b．當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，關(guān)閉使能，同時(shí)輸出抱閘控制信號(hào)；

c．通過機(jī)構(gòu)的限位開關(guān)，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行硬件聯(lián)鎖保護(hù)；

d．試驗(yàn)過程中，擴(kuò)開角控制系統(tǒng)需要對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)際位置進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)位置偏差超出誤差范圍，需及時(shí)向風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，由安全聯(lián)鎖系統(tǒng)按照指定流程進(jìn)行處理；

e．當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到過載、過熱、過流、過壓、欠壓、短路、斷路或缺相等狀態(tài)時(shí)，立即啟動(dòng)其安全保護(hù)聯(lián)鎖電路，實(shí)施設(shè)備安全保護(hù)；

f．當(dāng)核心控制器失電時(shí)，關(guān)閉伺服使能、關(guān)閉伺服主電源、電機(jī)抱閘；當(dāng)觸發(fā)急停命令后，電機(jī)立即斷電抱閘。

4.2 Profibus-DP的響應(yīng)時(shí)間

Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)通訊速率與站點(diǎn)距離有關(guān)系。Profibus-DP支持9．6Kbps到12Mbps的傳輸速率；12Mbps時(shí)最大傳輸距離為100m，1．5Mbps時(shí)為最大傳輸距離200m。系統(tǒng)DP各子站分布在長(zhǎng)度不超過100m的走線地溝之上，最遠(yuǎn)站點(diǎn)的距離小于200m。在一個(gè)有著32 個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，Profibus-DP對(duì)所有站點(diǎn)傳送512bit/s輸入和512bit/s輸出，在12Mbit/s 時(shí)只需1ms。顯然對(duì)只有11 個(gè)子站的系統(tǒng)來說，DP 的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率完全滿足需求。Profibus-DP應(yīng)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是12Mbps傳輸速率一般難以達(dá)到，DP傳輸速率一般設(shè)置為1．5Mbps。根據(jù)擴(kuò)開角系統(tǒng)通訊數(shù)量(不超過5KB)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)間為：

擴(kuò)開角系統(tǒng)最遠(yuǎn)子站間DP走線長(zhǎng)度小于200m，完全滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

5 系統(tǒng)調(diào)試

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)研制成功后，進(jìn)行了機(jī)電聯(lián)調(diào)，運(yùn)行速度實(shí)測(cè)計(jì)算達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，并用激光跟蹤儀實(shí)測(cè)了調(diào)節(jié)片定位精度，最大偏差量都小于0．1mm，精度達(dá)標(biāo)可以穩(wěn)定試驗(yàn)段氣流，提高試驗(yàn)段氣流的均勻性[10-11]，保證了風(fēng)洞不同試驗(yàn)工況所需洞體條件的可靠更換，風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)結(jié)果全部達(dá)到國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)[12]。

6 結(jié)束語(yǔ)

擴(kuò)開角控制系統(tǒng)通過控制調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的擴(kuò)開角度，保證了風(fēng)洞在不同運(yùn)行工況下的洞體條件，達(dá)到了功能需求和技術(shù)指標(biāo)要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了技術(shù)先進(jìn)性和實(shí)用性的關(guān)系，研制方案合理，運(yùn)行可靠，聯(lián)鎖保護(hù)功能完善。