CN106647606A - 一种基于plc的高超声速推进风洞控制系统 - Google Patents

一种基于plc的高超声速推进风洞控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高超声速运行控制系统，包括：主控单元(1)、服务器单元(2)、显示打印单元(3)、PLC主站单元(4)、PLC从站1单元(5)、PLC从站2单元(6)、PLC从站3单元(7)、PLC从站4单元(8)、PLC从站5单元(9)、PLC从站6单元(10)、气动阀单元(51)、调节阀单元(61)、电动阀单元(71)、水泵单元(81)、数据采集单元(91)、总温总压测量天平单元(101)。本发明综合采用集散控制技术、工业现场总线技术、操作互锁技术、模块化编程技术、手动自动一体化技术，实现了在控制室对分散在风洞现场的被控设备和监测装置的集中监视和控制，进一步提高了对风洞系统工况的监测管理水平。

Description

一种基于PLC的高超声速推进风洞控制系统
技术领域
本发明属于高超声速风洞技术领域，特别涉及一种高超声速推进风洞控制系统。
背景技术
高超声速风洞是指试验流场为5马赫数以上的风洞，适用于超燃冲压发动机试验。以此在地面上形成高超声速飞行器模型的试验环境。实验设备必须能够提供高超声速气流，能够模拟高超声速飞行器高马赫数飞行时周围气流烩值与压力的上升，模拟空气稀薄的高空飞行环境。同时满足上述条件时,实验设备系统十分复杂,设计运行难度非常大。本文所涉及的高超声速推进风洞采用烧氢补氧的方式，高超声速推进风洞主要由加热器、喷管、实验舱、引射器等组成。加热器本体是一个圆筒，氢气和空气的预混气体首先加入加热器，并由火花塞点燃，形成引导火焰，主流空气与氢气，被该引导火焰点燃后在加热器内燃烧，提高加入空气的总温；超声速喷管的作用是把由加热器加热后的空气加速到设计马赫数，并以自由射流的形式提供给超燃冲压发动机实验模型；排气系统由两级中心空气引射器和消音塔串联构成，一方面提供实验舱内的高空环境，另一方面排出实验气流以及发动机模型的排气。试验过程中使用大量高压氢气、氧气、空气对设备供气，通过各类阀门操控上述气体满足流量、压力。风洞结构复杂，控制部位分散，危险性大；试验过程中，检测信号数量大、种类多，短时间内信息量大，信号传输的可靠性和实时性要求高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于PLC的高超声速推进风洞控制系统，实时采集各气路水路上的温度、压力、流量等数据，实现对分散在风洞现场的被控设备和监测装置的集中监视和控制，提高对风洞系统工况的监测管理水平。
本发明的技术方案是：一种高超声速运行控制系统，包括：主控单元、服务器单元、显示打印单元、PLC主站单元、PLC从站1单元、PLC从站2单元、PLC从站3单元、PLC从站4单元、PLC从站5单元、PLC从站6单元、气动阀单元、调节阀单元、电动阀单元、水泵单元、数据采集单元、总温总压传感单元；
所述主控单元以工控机为载体，采用WinCC组态软件对现场设备进行人机交互控制，通过step7进行控制程序设计；所述主控单元用于控制程序的编写、现场设备的远程控制与操作、数据采集显示传输，以及PLC程序的下装调试；所述主控单元与PLC主站单元通过以太网进行数据与指令传输；
所述服务器单元与所述主控单元通过以太网连接，用于现场设备数据的储存、处理、分析和历史的数据查询追溯；
所述显示打印单元用于显示控制程序界面、温度压力界面，以及试验参数、试验结果数据的打印输出；
所述PLC主站单元用于采集输入信号、执行用户程序、刷新系统的输出，以及储存程序和相关数据；所述主控单元通过以太网总线与所述PLC从站1单元、所述PLC从站2单元、所述PLC从站3单元、所述PLC从站4单元、所述PLC从站5单元、所述PLC从站6单元进行数据交换，获得控制参数，进行运算后输出控制量，实现对现场设备的控制；
所述PLC从站1单元带有数字量输入输出模块和多路气动阀控制通道；气动阀单元位于阀门区，用于控制各路气体管路通断，每一气体管路带有两台气动阀；所述PLC从站1单元根据所述PLC主站单元的控制信号指令，直接对现场阀门区所述截止阀单元进行开关控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元；
所述PLC从站2单元带有模拟量输入输出模块和多路调节阀控制通道；调节阀单元位于阀门区，设在两台气动阀之间，用于调节各路气体管路内压力；所述PLC从站2单元根据所述PLC主站单元的控制信号指令，直接对现场阀门区所述调节阀单元进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元；
所述PLC从站3单元带有数字量模块、模拟量输入输出模块和多路电动阀控制通道；所述PLC从站3单元根据所述PLC主站单元的控制信号指令，直接对现场阀门区及气源区电动阀单元进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元；
所述PLC从站4单元带有模拟量输入输出模块和多路水泵控制通道；水泵单元位于泵房，多台水泵配合使用，用于调节现场设备所需冷却水流量和压力；所述PLC从站4单元根据所述PLC主站单元的控制信号指令，直接对所述水泵单元的变频器进行控制，并将压力反馈回所述PLC主站单元；
所述PLC从站5单元带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；压力温度传感单元位于阀门区，用于检测各气路和水路的温度、压力和流量；所述PLC从站5单元将所述压力温度传感单元采集的温度、压力、流量数据实时反馈回所述PLC主站单元；
所述PLC从站6单元带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；总温总压测力天平传感单元用于测量加热器总温、总压，以及试验件测力天平数据；所述PLC从站6单元将所述总温总压传感单元采集的总温、总压数据反馈回所述PLC主站单元。
更进一步地，所述PLC主站单元包括：主程序模块、自动程序设置模块、气源压力显示模块、水路参数显示模块、报警参数设置模块、紧急停车处理模块、数据采集处理模块、手动模块；
所述主程序模块按照设定的时间循环执行，是整个程序运行的主干；
所述自动程序设置模块用于设置自动试验时，各位阀门逻辑关系参数，用于设置所述气动阀开关时序，设置所述调节阀和所述水泵按时间进行的开度变化关系；
所述气源压力显示模块主要用于显示各个气路气源、流路、前室压力；
所述水路参数显示模块用于显示水路官网及各支路压力、流量、温度参数；
所述报警参数设置模块用于设置风洞运行安全包络线参数，当风洞运行超过安全包络线后触发所述紧急停车处理模块；
所述紧急停车处理模块用于当风洞运行超出其安全包络线后，按照预先设置好的参数进行风洞停车后吹风、试验终止动作；
所述数据采集处理模块用于现场设备的数据采集与处理；
所述手动模块用于现场设备调试时，所述气动阀单元、所述调节阀单元、所述电动阀单元、所述水泵单元的手动操作。
本发明综合采用集散控制技术、以太网总线技术、操作互锁技术、模块化编程技术、手动自动一体化技术，实时采集各气路水路上的温度、压力、流量等数据，实现了在控制室对分散在风洞现场的被控设备和监测装置的集中监视和控制，增加了控制系统的可靠性、可扩展性，简化了控制系统结构，进一步提高了对风洞系统工况的监测管理水平。
附图说明
图1为本发明系统组成框图；
图2为本发明PLC主站单元组成框图。
具体实施方式
实施例1：参见图1、图2，一种高超声速运行控制系统，包括：主控单元1、服务器单元2、显示打印单元3、PLC主站单元4、PLC从站1单元5、PLC从站2单元6、PLC从站3单元7、PLC从站4单元8、PLC从站5单元9、PLC从站6单元10、气动阀单元51、调节阀单元61、电动阀单元71、水泵单元81、数据采集单元91、总温总压传感单元101；
所述主控单元1以工控机为载体，采用WinCC组态软件对现场设备进行人机交互控制，通过step7进行控制程序设计；所述主控单元1用于控制程序的编写、现场设备的远程控制与操作、数据采集显示传输，以及PLC程序的下装调试；所述主控单元1与PLC主站单元4通过以太网进行数据与指令传输；
所述服务器单元2与所述主控单元1通过以太网连接，用于现场设备数据的储存、处理、分析和历史的数据查询追溯；
所述显示打印单元3用于显示控制程序界面、温度压力界面，以及试验参数、试验结果数据的打印输出；
所述PLC主站单元4用于采集输入信号、执行用户程序、刷新系统的输出，以及储存程序和相关数据；所述主控单元1通过以太网总线与所述PLC从站1单元5、所述PLC从站2单元6、所述PLC从站3单元7、所述PLC从站4单元8、所述PLC从站5单元9、所述PLC从站6单元10进行数据交换，获得控制参数，进行运算后输出控制量，实现对现场设备的控制；
所述PLC从站1单元5带有数字量输入输出模块和多路气动阀控制通道；气动阀单元51位于阀门区，用于控制各路气体管路通断，每一气体管路带有两台气动阀；所述PLC从站1单元5根据所述PLC主站单元4的控制信号指令，直接对现场阀门区所述截止阀单元51进行开关控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元4；
所述PLC从站2单元6带有模拟量输入输出模块和多路调节阀控制通道；调节阀单元61位于阀门区，设在两台气动阀之间，用于调节各路气体管路内压力；所述PLC从站2单元6根据所述PLC主站单元4的控制信号指令，直接对现场阀门区所述调节阀单元61进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元4；
所述PLC从站3单元7带有数字量模块、模拟量输入输出模块和多路电动阀控制通道；所述PLC从站3单元7根据所述PLC主站单元4的控制信号指令，直接对现场阀门区及气源区电动阀单元71进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元4；
所述PLC从站4单元8带有模拟量输入输出模块和多路水泵控制通道；水泵单元81位于泵房，多台水泵配合使用，用于调节现场设备所需冷却水流量和压力；所述PLC从站4单元8根据所述PLC主站单元4的控制信号指令，直接对所述水泵单元81的变频器进行控制，并将压力反馈回所述PLC主站单元4；
所述PLC从站5单元9带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；压力温度传感单元91位于阀门区，用于检测各气路和水路的温度、压力和流量；所述PLC从站5单元9将所述压力温度传感单元91采集的温度、压力、流量数据实时反馈回所述PLC主站单元4；
所述PLC从站6单元10带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；总温总压测力天平传感单元101用于测量加热器总温、总压，以及试验件测力天平数据；所述PLC从站6单元10将所述总温总压传感单元101采集的总温、总压数据反馈回所述PLC主站单元4。
2.如权利要求1所述的一种高超声速运行控制系统，其特征在于，所述PLC主站单元4包括：主程序模块41、自动程序设置模块42、气源压力显示模块43、水路参数显示模块44、报警参数设置模块45、紧急停车处理模块46、数据采集处理模块47、手动模块48；
所述主程序模块41按照设定的时间循环执行，是整个程序运行的主干；
所述自动程序设置模块42用于设置自动试验时，各位阀门逻辑关系参数，用于设置所述气动阀51开关时序，设置所述调节阀61和所述水泵81按时间进行的开度变化关系；
所述气源压力显示模块43主要用于显示各个气路气源、流路、前室压力；
所述水路参数显示模块44用于显示水路官网及各支路压力、流量、温度参数；
所述报警参数设置模块45用于设置风洞运行安全包络线参数，当风洞运行超过安全包络线后触发所述紧急停车处理模块46；
所述紧急停车处理模块46用于当风洞运行超出其安全包络线后，按照预先设置好的参数进行风洞停车后吹风、试验终止动作；
所述数据采集处理模块47用于现场设备的数据采集与处理；
所述手动模块48用于现场设备调试时，所述气动阀单元51、所述调节阀单元61、所述电动阀单元71、所述水泵单元81的手动操作。

Claims (2)

1.一种高超声速运行控制系统，其特征在于，包括：主控单元(1)、服务器单元(2)、显示打印单元(3)、PLC主站单元(4)、PLC从站1单元(5)、PLC从站2单元(6)、PLC从站3单元(7)、PLC从站4单元(8)、PLC从站5单元(9)、PLC从站6单元(10)、气动阀单元(51)、调节阀单元(61)、电动阀单元(71)、水泵单元(81)、数据采集单元(91)、总温总压传感单元(101)；
所述主控单元(1)以工控机为载体，采用WinCC组态软件对现场设备进行人机交互控制，通过step7进行控制程序设计；所述主控单元(1)用于控制程序的编写、现场设备的远程控制与操作、数据采集显示传输，以及PLC程序的下装调试；所述主控单元(1)与PLC主站单元(4)通过以太网进行数据与指令传输；
所述服务器单元(2)与所述主控单元(1)通过以太网连接，用于现场设备数据的储存、处理、分析和历史的数据查询追溯；
所述显示打印单元(3)用于显示控制程序界面、温度压力界面，以及试验参数、试验结果数据的打印输出；
所述PLC主站单元(4)用于采集输入信号、执行用户程序、刷新系统的输出，以及储存程序和相关数据；所述主控单元(1)通过以太网总线与所述PLC从站1单元(5)、所述PLC从站2单元(6)、所述PLC从站3单元(7)、所述PLC从站4单元(8)、所述PLC从站5单元(9)、所述PLC从站6单元(10)进行数据交换，获得控制参数，进行运算后输出控制量，实现对现场设备的控制；
所述PLC从站1单元(5)带有数字量输入输出模块和多路气动阀控制通道；气动阀单元(51)位于阀门区，用于控制各路气体管路通断，每一气体管路带有两台气动阀；所述PLC从站1单元(5)根据所述PLC主站单元(4)的控制信号指令，直接对现场阀门区所述截止阀单元(51)进行开关控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元(4)；
所述PLC从站2单元(6)带有模拟量输入输出模块和多路调节阀控制通道；调节阀单元(61)位于阀门区，设在两台气动阀之间，用于调节各路气体管路内压力；所述PLC从站2单元(6)根据所述PLC主站单元(4)的控制信号指令，直接对现场阀门区所述调节阀单元(61)进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元(4)；
所述PLC从站3单元(7)带有数字量模块、模拟量输入输出模块和多路电动阀控制通道；所述PLC从站3单元(7)根据所述PLC主站单元(4)的控制信号指令，直接对现场阀门区及气源区电动阀单元(71)进行输出开度控制，并将开到位、关到位信号反馈回所述PLC主站单元(4)；
所述PLC从站4单元(8)带有模拟量输入输出模块和多路水泵控制通道；水泵单元(81)位于泵房，多台水泵配合使用，用于调节现场设备所需冷却水流量和压力；所述PLC从站4单元(8)根据所述PLC主站单元(4)的控制信号指令，直接对所述水泵单元(81)的变频器进行控制，并将压力反馈回所述PLC主站单元(4)；
所述PLC从站5单元(9)带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；压力温度传感单元(91)位于阀门区，用于检测各气路和水路的温度、压力和流量；所述PLC从站5单元(9)将所述压力温度传感单元(91)采集的温度、压力、流量数据实时反馈回所述PLC主站单元(4)；
所述PLC从站6单元(10)带有模拟量输入模块和多路模拟信号通道；总温总压测力天平传感单元(101)用于测量加热器总温、总压，以及试验件测力天平数据；所述PLC从站6单元(10)将所述总温总压传感单元(101)采集的总温、总压数据反馈回所述PLC主站单元(4)。
2.如权利要求1所述的一种高超声速运行控制系统，其特征在于，所述PLC主站单元(4)包括：主程序模块(41)、自动程序设置模块(42)、气源压力显示模块(43)、水路参数显示模块(44)、报警参数设置模块(45)、紧急停车处理模块(46)、数据采集处理模块(47)、手动模块(48)；
所述主程序模块(41)按照设定的时间循环执行，是整个程序运行的主干；
所述自动程序设置模块(42)用于设置自动试验时，各位阀门逻辑关系参数，用于设置所述气动阀(51)开关时序，设置所述调节阀(61)和所述水泵(81)按时间进行的开度变化关系；
所述气源压力显示模块(43)主要用于显示各个气路气源、流路、前室压力；
所述水路参数显示模块(44)用于显示水路官网及各支路压力、流量、温度参数；
所述报警参数设置模块(45)用于设置风洞运行安全包络线参数，当风洞运行超过安全包络线后触发所述紧急停车处理模块(46)；
所述紧急停车处理模块(46)用于当风洞运行超出其安全包络线后，按照预先设置好的参数进行风洞停车后吹风、试验终止动作；
所述数据采集处理模块(47)用于现场设备的数据采集与处理；
所述手动模块(48)用于现场设备调试时，所述气动阀单元(51)、所述调节阀单元(61)、所述电动阀单元(71)、所述水泵单元(81)的手动操作。
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