李彥良， 宋文瀟， 黃 凱， 曹知紅， 張 凱， 李紅衛(wèi)

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

高焓風洞、高超音速風洞等多種類型的風洞需要在實驗下游設置真空系統(tǒng)，用于抽排風洞工作介質，維持風洞內的負壓工作環(huán)境。多數風洞真空系統(tǒng)采用大容積(可達數萬立方米)真空容器與小流量真空泵構成的真空系統(tǒng)，先將容器抽真空，再將工作介質填充至容器中，這種工作體制的風洞稱為暫沖式風洞。某風洞采用不同于上述系統(tǒng)的小容積真空容器(用于穩(wěn)壓)加大流量真空泵連續(xù)抽排工作介質的新型真空系統(tǒng)構型，其真空系統(tǒng)所需的驅動功率遠大于傳統(tǒng)風洞[1-2]，達13560 kW，超過了所在地配電網絡允許的上限，因此選用了船用中速柴油機構成的動力集群作為真空泵和冷卻水泵的動力源。在該動力集群中，使用8臺功率為1440 kW的柴油機驅動真空泵，3臺功率為680 kW的柴油機用于驅動水泵。每臺柴油機通過減速齒輪箱和離合器單獨驅動1臺真空泵或水泵。

該動力集群構成復雜，實際運行時需要操作11臺柴油機、11臺齒輪箱和11臺真空泵(水泵)。而且作為原動機，柴油機操作步驟遠多于電動機。若采取傳統(tǒng)控制方式，需要較多的人員和控制終端設備，且難以融入某風洞高度自動化的總控制系統(tǒng)，因此需要研制一套智能控制系統(tǒng)，對真空系統(tǒng)動力集群進行自動控制，實現機組自動運行、參數時實監(jiān)測、故障分級處理等功能，盡量減少人為干預，實現系統(tǒng)的高可靠性。

2001年，汪華松等[3]研究了基于Profibus通信協(xié)議和PLC硬件設備的風洞動力系統(tǒng)控制設備，應用于8 m×6 m低速風洞的同步電機驅動系統(tǒng)的控制。2007年，卞根發(fā)[4]研究了基于STD總線的船舶主柴油機智能監(jiān)控系統(tǒng)，使船舶柴油機的監(jiān)控、運行和管理的自動化程度和防失誤能力得到提升。2008年，張永銘等[5]研究了柴油機電子調速系統(tǒng)與EGR系統(tǒng)的集成控制的硬件和算法。2016年，韓小東[6]研究了基于CAN總線的船舶機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)，實現了船舶機艙內主柴油機和各類輔機運行信息的自動化采集、處理和故障告警。2019年，王忠福等[7]研究了鐵路機車用柴油機遠程監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)，實現了機車柴油機的遠程狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與運維管理。2020年，杜玉雪[8]研究了基于自適應模糊算法的柴油機負荷控制系統(tǒng)，優(yōu)化了在負荷突然變化時柴油機轉速控制程序的瞬態(tài)響應特性。2021年，羅昌俊等[9]研究了風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)，應用CPS技術，實現了風洞氣源、真空、冷卻水等系統(tǒng)健康監(jiān)測、故障診斷、維修效果評估等工作的智能化。2021年，杜洪亮等[10]研制了風洞高壓動力系統(tǒng)，其中應用了Modbus/TCP技術，構建了風洞動力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，被控對象為高壓電機。2021年，吳玨斐[11]對船舶動力系統(tǒng)控制的智能化技術進行了綜述。目前，對風洞動力系統(tǒng)控制的研究多以電機為被控對象，而在柴油機動力設備控制方面的研究多針對船舶主機艙、鐵路機車或發(fā)電機組等展開，且所研究的系統(tǒng)多以監(jiān)控機組運行狀態(tài)為主要功能。對機組數量遠多于船舶機艙，且需要將控制柴油機動力集群自動運行、監(jiān)控機組運行狀態(tài)和故障分級處理等主要功能高度集成的控制系統(tǒng)的研究目前較少。

本文根據某風洞動力集群控制需求，研究了基于PLC設備和Profibus-DP總線的分布式動力集群智能控制系統(tǒng)，實現了僅需人工發(fā)出“起動”和“停機”兩個指令，就能自動完成大規(guī)模柴油機動力集群從起動到關車的全部操作，并將運行狀態(tài)時實監(jiān)控和故障分級處理等功能集成在內，最大限度地降低了操作難度，減少了人因失誤，做到了無顧慮操作。

1 控制需求分析

作為被控對象的動力集群由11個動力機組構成。每個動力機組又由1臺船用中速柴油機和1臺齒輪箱構成。機組的主要控制量為轉速，需要根據機組工作的不同階段控制在不同的給定值附近。轉速由機組自帶的機械液壓調速器控制，需要改變轉速時，由電機作為執(zhí)行器，帶動調速器的內部機構改變其轉速設定值，實現轉速變化。此外，機組內還有其他需要控制的執(zhí)行件，所有執(zhí)行件功能匯總如表1所示，動力集群控制系統(tǒng)的功能就是要控制表中各執(zhí)行件，實現以下幾個方面的內容。

表1 機組中執(zhí)行件匯總

① 調度各機組，按操作人員通過人機交互發(fā)來的指令和風洞總控系統(tǒng)下發(fā)的指令完成風洞實驗。

② 各機組按指令自動完成從備車到試驗再到停車的全部工作流程。

③ 監(jiān)控機組運行數據，自動判別故障，將故障按嚴重程度分級，采取不同處理措施。

2 控制系統(tǒng)架構

通過上述分析發(fā)現，構成系統(tǒng)的11臺機組是同構型的，具有類似的功能和工作流程，可以各自獨立控制。同時又需要一臺上位機對11個相同的機組進行調度和監(jiān)控，并實現人機交互?；谶@些特點，確定采用分布式控制系統(tǒng)來對動力集群進行控制。

每臺機組設基于PLC的控制子站，構成過程控制層，控制本機組由起動到停機的全部動作，并采集本機組轉速、潤滑油壓力等運行狀態(tài)數據，控制子站架構如圖1所示。其中柴油機監(jiān)控儀為主要故障診斷設備，用于判別故障，并可直接處理致命故障。

圖1 控制子站架構圖

圖2為控制系統(tǒng)架構，控制總站構成控制系統(tǒng)的管理監(jiān)控。各控制子站通過Profibus-DP總線與基于PLC的主站連接。通過DP總線，總站可以讀取各子站通過傳感器采集的機組運行數據，也可以向各子站寫入指令?？傉具€通過TCP/IP協(xié)議與作為上位機的計算機通信，通過計算機上的圖形界面實現人機交互。

圖2 控制系統(tǒng)架構圖

3 各機組控制邏輯

各機組的控制邏輯運行于控制子站中，實現機組從起動到停止的工作流程控制、柴油機轉速控制兩項主要功能和運行數據采集等其他功能。

3.1 工作流程控制

各機組中，柴油機和齒輪箱均有固定的工作流程，相比電機工作時僅需要起動和停止兩個動作，柴油機動力機組的工作流程步驟較多，且需要設置較為復雜的判據去判斷每一步驟是否完成。機組工作流程如圖3所示。

圖3 各機組工作流程

流程控制的重點是合理設計各步驟完成的判據，使機組在適當的時機轉入下一工作階段。各步驟具體的流程控制策略如下。

① 子站收到主站發(fā)來的起動信號后，首先接通預潤滑泵對運動部件進行潤滑，而后接通起動電磁閥，使氣動起動馬達工作，符合起動成功判據后，起動機退出工作后，預潤滑泵關閉，轉入暖車階段。

② 進入暖車階段后，將柴油機轉速設值設為怠速，開始檢測冷卻水和潤滑油溫度，水油溫度符合暖車完的判據后，開始接合負載。

③ 進入接合負載階段，將柴油機轉速升至接合轉速后，接通離合器工作電磁閥，液壓離合器接合，將動力傳遞至真空泵(或水泵)，延時10 s后開始升高轉速。

④ 控制子站將柴油機轉速設定值設為工作轉速，轉速控制子程序按轉速控制邏輯(后文詳述)使柴油機轉速升至工作轉速，滿足判據后給出備妥集號。

⑤ 至此參試機組完成準備，操作人員將控制總站的控制權限上交至風洞總控系統(tǒng)。控制總站按照總控系統(tǒng)的指令完成開始和停止抽真空、供水等動作，完成一個吹風車次的工作。

⑥ 風洞總控系統(tǒng)交還控制權限，操作人員發(fā)出停機指令。子站接到總站停機指令后，將轉速給定值設為分離轉速，使柴油機轉速下降。

⑦ 轉速降到給定值后，控制子站切斷離合器工作電磁閥供電，分離負載。

⑧ 負載分離后，將柴油機轉速降至怠速，接通停車電磁閥，通過切斷燃油供應使柴油機滑行停機。

單臺機組工作流程控制的主要設計要點為各階段完成判據的設計，匯總如表2所示。

表2 機組工作階段轉換判據

3.2 轉速控制

3.2.1 轉速控制硬件

分析單臺機組的流程控制邏輯，可以發(fā)現轉速控制是機組控制中的重要問題，接通/分離負載、升速/降速，包括帶負載工作等過程中，都涉及到轉速的變化或在負載突變時穩(wěn)定轉速的問題。

柴油機自身配有UG-10D型液壓調速器，調速器輸入軸與曲軸連接，通過離心機構感知實際轉速與設定轉速的差值，產生控制信號，控制信號通過液壓機構放大，控制柴油機供油量，將柴油機轉速穩(wěn)定在給定值附近，而給定值則由機械機構設定，需要電控時，在機械機構上連接一臺升降速電機，電機正轉時給定值增大，反轉時減小。

控制子站對柴油機轉速實施控制時，通過柴油機飛輪旁安裝的轉速傳感器獲取轉速信號，在子站PLC中對實際轉速和設定轉速進行對比，生成控制信號，并通過調速器的升/降速電機執(zhí)行，轉速控制執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 轉速控制執(zhí)行流程

3.2.2 轉速控制邏輯

液壓調速器控制柴油機轉速的系統(tǒng)本身是一個閉環(huán)系統(tǒng)，機組控制子站通過改變這一閉環(huán)系統(tǒng)改定值而控制轉速的變化。控制子站雖能通過升降速電機調整液壓調速器給定值，但是給定值調整結果卻不能直接反饋回子站。這使得對改定值的調整結果只能通過轉速傳感器進行反饋，有較大時延，這給轉速的控制帶來了困難，很容易產生振蕩和發(fā)散。

為此，設計轉速控制邏輯如下。

① 在PLC中對轉速進行檢測，并與給定值對比，若二者差值小于±10 r/min，則不進行控制。

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② 若實際轉速大于給定值10 r/min以上，則接通升/降速電機反轉，降低轉速；若實際轉速小于給定值10 r/min以上，則接通升/降速電機正轉，升高轉速。

③ 轉速達到給定值±10 r/min范圍內時，斷開升/降速電機，并延時60 s，延時期間不再檢測轉速差值，不調整轉速。

④ 延時結束后再次使轉速檢測和調整功能生效，重復步驟①～步驟③。

3.3 控制效果實驗研究

按上述主要邏輯編制控制子站控制程序后，對其效果進行了實驗研究，發(fā)現水泵機組出現了泵后供水閥門打開瞬間，柴油機轉速突變，不能迅速回到額定轉速的問題，于是對轉速變化和控制系統(tǒng)介入情況進行了實驗，結果如圖5和圖6所示。

圖5 負荷突變時柴油機轉速及控制系統(tǒng)作用情況1

圖6 負荷突變時柴油機轉速及控制系統(tǒng)作用情況2

具體分析如下。

情況1：如圖5所示，開閥瞬間，水泵帶來的負荷突然增大，導致柴油機轉速在3 s時間內從1004 r/min突降至978 r/min，而后開始在液壓調速器和控制子站的控制下將轉速調回設定值。但是，轉速重新穩(wěn)定后出現了較大的靜態(tài)偏差，穩(wěn)定值由1004 r/min變?yōu)?018 r/min，并且一直維持在這一較高的穩(wěn)定值，未再進行回調。

情況2：如圖6所示，開閥后，柴油機轉速在4 s時間內由1004 r/min降至975 r/min，而后在調速器和機組控制子站的作用下開始回升，回升產生了較大過沖，轉速穩(wěn)定在1021 r/min，維持45 s后才開始回調，并最終穩(wěn)定在1005 r/min附近。

圖5和圖6中，升速或降速信號為1表示升速或降速電機工作，為0則表示不工作。

① 供水閥打開瞬間，機組負荷產生突變，由液壓調速器和柴油機組成的系統(tǒng)瞬態(tài)響應較慢，不能適應負荷突變，需要3～4 s才能將轉速重新穩(wěn)定至額定轉速。

② 在液壓調速器調整過程中，控制子站先檢測到轉速低于額定值下限1000 r/min，按照控制邏輯，接通升降速電機，向上調整液壓調速器的轉速給定值，直到轉速重新高于額定值下限(1000 r/min)時才退出。這一過程中，升速電機工作使調速器給定值產生了超調。情況1中升速電機工作5.7 s，轉速超調14 r/min。情況2中，機組負載突變大于情況1，因此升速電機時間更長，為7.5 s，超調17 r/min。

③ 液壓調速器按照超調后的給定值調節(jié)柴油機轉速，使轉速重新穩(wěn)定在超調的給定值附近。情況1中，負荷突變相對小，升速接通時間短，因此超調程度較情況2小。因此，在情況1中，轉速雖然超調，但是未超過控制子站控制邏輯中的轉速上限1020 r/min，因此控制子站后續(xù)一直未介入進行轉速回調，如圖5中降速信號曲線。情況2中，轉速超調較大，超過了1020 r/min，因此控制子站進行了回調，使轉速回到1005 r/min，如圖6所示。

④ 情況2中，子站雖然對轉速進行了回調，但是延時達45 s。這是由于子站轉速控制邏輯中，每次調速轉速后，都會延時60 s才會重新檢測轉速，決定是否調整。而負載突變有可能隨機地落在這60 s中的任一時間點。因此轉速雖然超過了上限，但是需要待延時結束后才會調整，從而產生延遲。延遲時間為0～60 s的隨機值。

這兩種情況下，柴油機轉速穩(wěn)定時間長，對水泵穩(wěn)定供水不利。且兩種情況下，柴油機均有長時間超過額定轉速運行的狀態(tài)，對其本身也有不利影響，需要設法解決。

分析產生情況1和情況2的原因，發(fā)現控制子站的介入是轉速超調的基本原因。機組負載突變時，本可依靠液壓調速器來自行穩(wěn)定機組轉速，控制子站不應調整調速器給定值，而子站的控制邏輯本身又必然需要在轉速不在預設區(qū)間內時改變調速器的給定值，這是調速器給定值無法直接反饋，而通過轉速傳感器間接反饋必然導致的結果。

因此，對控制子站工作階段的程序進行了修改，在機組實際轉速達到額定供水轉速(1010±10 r/min)時，機組控制子站轉速控制子程序退出工作，將機組轉速控制交由液壓調速器單獨執(zhí)行，直至接收到停機信號，需要再次改變工作轉速時再恢復工作。修改后再次進行實驗，機組轉速變化及升降速信號變化情況如圖7所示。由圖7可知，負荷突變后，升速和降速信號均未發(fā)出，液壓調速器在8 s內將柴油機轉速重新穩(wěn)定在1004 r/min，轉速突變化柴油機轉速長時間超調問題得以解決。

圖7 修改后負荷突變時柴油機轉速及控制系統(tǒng)作用情況

4 動力集群的總體控制

控制子站對各機組的自動控制構成了動力集群控制系統(tǒng)的過程控制層，實現了各機組的自動運行和運行數據采集。而居于控制子站上層的控制總站及其軟件則構成了系統(tǒng)的管理監(jiān)控層，完成動力集群運行調度、人機交互、故障診斷處理等功能，對動力集群進行總體控制。

4.1 運行調度與人機交互

管理監(jiān)控層程序的主要功能是按照操作人員通過人機界面輸入的指令，或風洞總控系統(tǒng)發(fā)來的指令，對各機組的運行進行調度；控制冷卻水供應系統(tǒng)、真空泵工作液供應系統(tǒng)等公共保障系統(tǒng)保障各機組正常工作；并控制水泵機組供水閥門、真空主管關斷閥門等關鍵受控設備，配合風洞其他系統(tǒng)共同完成風洞實驗。具體功能如下。

① 風洞在不同工況時，所需真空機組的臺數不同，管理層程序需要按照操作人員的選擇，決定哪些機組參加本次試驗。

② 操作人員按下起動按鈕后，按30 s的時間間隔向被選中的機組依次發(fā)送起動信號，使機組依次開始執(zhí)行前文所述的單臺機組控制程序。操作人員按下停機按鈕后，按30 s時間間隔依次向各機組發(fā)送停機信號，使機組開始執(zhí)行停機程序。

③ 對不參與工作的機組進行隔離，確保不參與工作的機組不會誤起動，且不參與工作機組的關鍵閥門不會誤動。鎖定關鍵閥門和機組關鍵操作的人工操作功能，防止誤操作。

④ 控制冷卻液、真空泵工作液、燃油、電源等系統(tǒng)公共資源僅向參與工作的機組分配。

⑤ 進入工作階段后，接收風洞總控系統(tǒng)指令，控制水泵機組供水閥、真空泵機組關斷閥等關鍵閥門完成抽真空、供水、停止抽真空、停止供水等動作。

以這些功能為支撐，操作人員只需要在人機界面上完成工況選擇、起動機組、上交控制權限、收回控制權限和機組停機這5步操作，就可以控制風洞真空系統(tǒng)完成一個車次的風洞實驗，且由于機組、閥門等設備的操作均由系統(tǒng)自動完成，關鍵操作的人工操作功能在自動模式下又進行了鎖定，所以操作人員可以基本實現無顧慮操作。

4.2 故障診斷與分級處理

故障的診斷和分級處理是管理監(jiān)控層軟件的另一重要功能，是實現無顧慮操作的基礎。故障診斷和分級處理功能同樣基于分布式控制思想實現。這部分軟件除用于診斷和處理動力集群的故障外，還兼顧了動力集群所驅動的風洞真空系統(tǒng)的故障診斷與處理。

為了實現智能化的故障診斷與處理，在動力集群和真空系統(tǒng)中安裝了大量傳感器，獲取各機組轉速、潤滑、冷卻、燃油、排氣等功能的運行情況。傳感器數據由各控制子站獲取，而后通過Profibus-DP總線上傳至總站。

機組級故障診斷功能在各機組控制子站中實現。子站中設置了機組中柴油機、齒輪箱、真空泵等部位各類故障發(fā)生的判據，當傳感器數據滿足故障判據時，子站生成相應的告警信號，通過Profibus-DP總線傳至總站。

系統(tǒng)級故障診斷功能在控制總站中實現，冷卻水流量不足、真空系統(tǒng)壓力超限等系統(tǒng)級關鍵故障由總站按傳感器數據直接判斷，并通過TCP/IP通信直接傳至人機界面以及位于更高層級的風洞總控系統(tǒng)。

按故障發(fā)生的層級，將故障分為機組級故障和系統(tǒng)級故障。機組級故障是發(fā)生在某一臺真空泵或水泵機組中的故障；系統(tǒng)級故障則是指風洞真空系統(tǒng)總體運行參數的異常。系統(tǒng)級故障的發(fā)生與機組故障有一定關聯。對于機組級故障，按嚴重程度將其分為一般故障和嚴重故障。相較這兩個等級，系統(tǒng)級故障后果更為嚴重，因此將系統(tǒng)級故障分級為致命故障。以下分別對一般、嚴重和致命3個級別故障的處理進行舉例說明。

(1) 一般故障。

柴油機缸排溫偏低。此故障一般代表此臺柴油機某一汽缸內部柴油燃燒不良，做功能力偏低或不做功。由于柴油機缸數較多，單個缸發(fā)生此故障對機組的工作影響較小，所以將其定義為機組級的一般故障。發(fā)生這一級別故障時，控制子站生成故障信號，上傳到總站，總站上傳到上位機，并在上位機上點亮一般故障告警，提醒操作人員機組出現異常，不需要做停機處理，但需進一步關注該機組的狀態(tài)。

(2) 嚴重故障。

柴油機潤滑油壓力低。此故障代表柴油機潤滑不良，需立即切除故障機組，并將故障機組停機，否則機組將因嚴重機械故障而自行停止運轉并損毀。這一故障對單臺機組而言較為嚴重，但是一臺機組停運又不會使整個真空系統(tǒng)失去功能，因此將其分級為機組級嚴重故障。這一級別故障發(fā)生時，控制子站將故障信號上傳至總站，總站會自動關斷有關閥門，切除故障機組，而后自動發(fā)停機指令至子站，使故障機組停機。同時，控制總站還將在上位機點亮嚴重故障告警，提醒操作員有機組退出工作，需要密切關注真空系統(tǒng)狀態(tài)，注意冷卻水流量和真空系統(tǒng)絕壓等關鍵參數是否有因機組退出而惡化的趨勢。這一級別的故障還會由控制總站上傳給風洞的總控系統(tǒng)，將真空系統(tǒng)有故障的信息告知實驗總指揮。

(3) 冷卻水流量低于下限。

此故障指用于冷卻風洞超高溫燃氣的冷卻水流量不足，高溫氣流有可能進入真空系統(tǒng)，引起真空泵燒毀等惡性事故。因此將其定義為致命故障。這一故障可能由水泵機組退出運行引發(fā)，也可能由其他因素引發(fā)。當由前者引發(fā)時，系統(tǒng)會給出嚴重故障告警，作為這一致命故障的預警，操作人員尚有反應時間；但是若由后者引發(fā)，則會突然發(fā)生，沒有預警時間。因此這類故障不僅結果致命，且有可能突然發(fā)生。這一故障發(fā)生時，真空系統(tǒng)已經無法繼續(xù)支持風洞運行，因此控制總站一旦判定發(fā)生這一級別的故障，會立即向更高層級的風洞總控系統(tǒng)發(fā)送急停信號，總控系統(tǒng)收到后會立即指示風洞各分系統(tǒng)結束實驗，進入關車流程，以保證設備的安全。同時，在本系統(tǒng)和總控系統(tǒng)的上位機上，都會顯示最高級別的致命級故障告警。

動力集群控制系統(tǒng)通過將系統(tǒng)故障劃分為一般、嚴重和致命3個級別，分別采取提醒本系統(tǒng)操作人員注意、切除機組并提醒本系統(tǒng)和上級系統(tǒng)操作人員注意、直接停止風洞試驗3個級別的處理措施，實現了故障的自動診斷和分級處理。解決了操作人員無法同時監(jiān)控11臺機組數百個參數的問題，使動力集群在運行時，僅需1名操作人員監(jiān)控，就能實現無顧慮操作。

5 結束語

基于分布式控制的自動控制系統(tǒng)應用于某風洞動力集群后，取得了良好效果，使動力集群具備了智能化特征。

① 由11臺船用中速柴油機組構成的動力集群實現了完全自動化運行，僅需1名操作人員進行少量操作就可以控制集群完成一次風洞實驗。且在系統(tǒng)的輔助下，該操作人員還可同時對11臺機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

② 在機組轉速控制方面，較好地實現了控制子站和液壓調速器的配合，在機組負荷突變工況下仍能有效控制機組轉速。

③ 控制系統(tǒng)的高度自動化，配合故障診斷和分級處理功能，使動力集群的運行可靠性有效提高，人因失誤得到有效抑制，很大程度上實現了無顧慮操作。

某風洞動力集群智能控制系統(tǒng)成功實現了大規(guī)模柴油機動力集群的全自動化控制，使得規(guī)模遠大于船舶、鐵路機車等傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的柴油機動力集群僅需1名操作員就可完成復雜的風洞實驗，且保證了其可靠性，因此該系統(tǒng)具有較強的推廣和應用價值。