CN113687626A - 高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置及控制方法 - Google Patents

高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置及控制方法。该紧急截止控制装置在危险介质的介质供应管道的上、下游分别设置了根阀和主阀，在紧急状况下，能够进行双重截止，提高了系统的可靠性。该紧急截止控制方法的主阀采用机械方式实现失电关闭功能，保证在系统停电以及控制线缆断裂等极端情况下，可自行关闭截止，保证了设备的安全性。在手动急停采用硬接线方式关闭主阀的过程中，采用时间继电器进行断电延时，保证在按下急停按钮后，经过确定的时间再关闭主阀，从而能够有序地实施相关前导流程，增加了控制柔性，强化了系统的整体安全性。该紧急截止控制装置及控制方法兼顾了可靠性和安全性，具有实用性。

Description

高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置及控制方法。
背景技术
高超声速燃烧加热风洞将多种高压危险介质（燃料、液氧等）注入加热器，并在加热器内点火、燃烧、加热，产生了高温（2000℃左右）、高压（10MPa ~30MPa）、高速的气流，利用该气流开展风洞试验。参试的高压介质具有易燃、易爆、强氧化的特点，危险程度高。同时，加热器高温/高压运行、设备振动剧烈、高压介质供应管路与加热器的交界处冷热交变，造成了风洞运行工况恶劣。因此，高超声速燃烧加热风洞容易发生设备烧穿、连接松动等异常，从而导致高压危险介质大量泄漏引发事故。为了保障人员和设备安全，运行规程要求在发生超压、泄漏等异常时，控制系统能及时、可靠地截止危险介质的供应，从源头上遏止燃烧、爆炸事故的发生或蔓延。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法。
高超声速燃烧加热风洞包括沿风洞主气流方向顺序连接的风洞主管路、加热器和喷管，危险介质高压储罐通过介质供应管道为加热器供应高压介质，加热器上还安装有监测加热器内压力的压力变送器。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置包括串联安装在介质供应管道上的根阀和主阀，其中根阀安装在危险介质高压储罐的底部出口处，主阀安装在加热器的进口处；还包括控制主阀的PLC控制装置；
主阀包括气动快开阀和先导电磁阀；气动快开阀安装在介质供应管道的加热器的进口处；先导电磁阀通过驱动气管路连接气动快开阀；先导电磁阀具有2个气体通路，分别连接驱动气源和大气；
PLC控制装置包括CPU、输入模块和输出模块；急停按钮SB配置有两对常闭触点，分别为常闭触点SB.1和常闭触点SB.2，急停按钮SB同步控制常闭触点SB.1和常闭触点SB.2的断开和闭合；急停按钮SB的常闭触点SB.1接入PLC控制装置的输入模块，形成回路Ⅰ；急停按钮SB的常闭触点SB.2与断电延时继电器的线圈、继电器电源形成回路Ⅱ；PLC控制装置输出模块设置有PLC主阀控制信号输出，PLC主阀控制信号输出与断电延时继电器的常开触点KT、电磁阀电源、先导电磁阀形成主阀控制回路；主阀控制回路上设置有2个接线端子，先导电磁阀是通过2根控制信号线分别连接到2个接线端子上，接入主阀控制回路。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法，包括以下步骤：
a.手动弹开急停按钮SB，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源工作，断电延时继电器的线圈得电，断电延时继电器的常开触点KT立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀，介质从危险介质高压储罐流出，流经根阀，进入主阀前的介质供应管道内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀开启，介质进入加热器，点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器测量的加热器内压力，如果判断压力超限，转到步骤j，否则顺序执行下一步骤；
f.操作员在控制间远程监视高超声速燃烧加热风洞的设备工作状态，如果发现设备异常，转到步骤h，否则顺序执行下一步骤；
g.PLC控制装置的CPU判断试验是否完毕，如果完毕，则执行试验后处理流程，否则转到步骤e；
h.操作员手动按下急停按钮，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2同时断开，同时执行步骤i1、i2：
i1.PLC控制装置的CPU检测到急停按钮常闭触点SB.1断开，转到步骤k；
i2.急停按钮常闭触点SB.2断开，回路II断开，使得断电延时继电器的线圈失电，经过预设的延时时间dt后，断电延时继电器的常开触点KT断开；
j.PLC控制装置的CPU根据预定时序，断开PLC主阀控制信号输出，同时发出关闭根阀信号，根阀自行关闭；
k.断开断电延时继电器的常开触点KT，或者断开PLC主阀控制信号输出开关，主阀控制回路都会断电，主阀关闭，紧急截止介质供应；
l.操作员执行后续安全操作，结束。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置，在介质供应管道的上游（危险介质高压储罐底部出口处）和下游（加热器进口处）分别设置根阀和主阀，两处均可截止介质的供应。主阀包括先导电磁阀、气动快开阀以及相关管路附件，主阀设计为失电关闭模式，当先导电磁阀的线圈失电时，先导电磁阀的阀体位置改变，将气动快开阀的驱动管路切换到与大气连通，这时气缸活塞失去高压气源驱动力，在内部蓄能元件作用下回复初位，气动快开阀关闭。在高超声速燃烧加热风洞的操作台上设置一个急停按钮，急停按钮配置两对常闭触点（按钮弹开时闭合，按下时断开）即常闭触点SB.1和常闭触点SB.2，常闭触点SB.1接入PLC控制装置的输入模块，常闭触点SB.2接入断电延时继电器的线圈控制回路；主阀控制回路中，PLC主阀控制信号输出、断电延时继电器的常开触点、电磁阀电源、先导电磁阀为串联关系。其中，断电延时继电器线圈得电时常开触点立即闭合，断电后常开触点延时断开，延时时间手动可调。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置在危险介质的介质供应管道的上、下游分别设置了根阀和主阀，在紧急状况下，能够对介质进行双重截止，提高了系统的可靠性。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置中的主阀采用机械方式实现失电关闭功能，保证在系统停电、以及控制线缆断裂等极端情况下，也可自行关闭截止，保证了设备的安全性。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法以加热器内压力作为核心参数，PLC控制装置实时检测加热器内压力，自动判定并触发危险介质的紧急截止操作，保证了响应的快速性。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法使操作员能够通过手动按下急停按钮进行手动急停，主动实施危险介质的紧急截止，补充了PLC控制装置的单一核心参数判定的局限，操作员可综合视频图像、其它试验数据以及人员报告等多类信息，强化了系统的安全性。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法中的手动急停提供了两路信号，一路进入PLC控制装置进行程控急停，除了关闭主控、根阀，还可在更大范围内实施紧急操作，保障风洞系统的整体安全；另一路通过硬接线方式断开主阀控制回路，强行关闭主阀，保证即使PLC控制装置或程序失控时，也有冗余措施截止危险介质供应。另外，在手动急停采用硬接线方式关闭主阀过程中，通过继电器电源的断电延时，能够保证在按下急停按钮后，经过确定的时间关闭主阀，从而在PLC控制装置的主阀控制回路急停程序中，相关前导流程能够先行有序实施，增加了控制柔性，强化了系统的整体安全性。
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置简单可靠，控制方法灵活，兼顾了可靠性和安全性，具有实用性。
附图说明
图1为本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置的结构示意图。
图中，1.急停按钮SB；2.断电延时继电器的线圈；3.断电延时继电器的常开触点KT；4.危险介质高压储罐危险介质高压储罐；5.根阀；6.介质供应管道；7.风洞主管路；8.加热器；9.喷管；10.压力变送器；11.气动快开阀；12.驱动气管路；13.先导电磁阀；14.控制信号线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
高超声速燃烧加热风洞包括沿风洞主气流方向顺序连接的风洞主管路7、加热器8和喷管9，危险介质高压储罐4通过介质供应管道6为加热器8供应高压介质，加热器8上还安装有监测加热器8内压力的压力变送器10。
如图1所示，本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置包括串联安装在介质供应管道6上的根阀5和主阀，其中根阀5安装在危险介质高压储罐4的底部出口处，主阀安装在加热器8的进口处；还包括控制主阀的PLC控制装置；
主阀包括气动快开阀11和先导电磁阀13；气动快开阀11安装在介质供应管道6的加热器8的进口处；先导电磁阀13通过驱动气管路12连接气动快开阀11；先导电磁阀13具有2个气体通路，分别连接驱动气源和大气；
PLC控制装置包括CPU、输入模块和输出模块；急停按钮SB1，配置有两对常闭触点，分别为常闭触点SB.1和常闭触点SB.2，急停按钮SB1同步控制常闭触点SB.1和常闭触点SB.2的断开和闭合；急停按钮SB1的常闭触点SB.1接入PLC控制装置的输入模块，形成回路Ⅰ；急停按钮SB1的常闭触点SB.2与断电延时继电器的线圈2、继电器电源形成回路Ⅱ；PLC控制装置输出模块设置有PLC主阀控制信号输出，PLC主阀控制信号输出与断电延时继电器的常开触点KT 3、电磁阀电源、先导电磁阀13形成主阀控制回路；主阀控制回路上设置有2个接线端子，先导电磁阀13是通过2根控制信号线14分别连接到2个接线端子上，接入主阀控制回路；
本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法，包括以下步骤：
a.手动弹开急停按钮SB1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源得电，断电延时继电器的常开触点KT 3立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀5，介质从危险介质高压储罐4流出，流经根阀5，进入主阀前的介质供应管道6内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀13得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀11开启，介质进入加热器8，点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器10测量的加热器8内压力，如果判断压力超限，转到步骤j，否则顺序执行下一步骤；
f.操作员在控制间远程监视高超声速燃烧加热风洞的设备工作状态，如果发现设备异常，转到步骤h，否则顺序执行下一步骤；
g.PLC控制装置的CPU判断试验是否完毕，如果完毕，则执行试验后处理流程，否则转到步骤e；
h.操作员手动按下急停按钮1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2同时断开，同时执行步骤i1、i2：
i1.PLC控制装置的CPU检测到常闭触点SB.1断开，转到步骤k；
i2.常闭触点SB.2断开，回路II断开，使得断电延时继电器的线圈2失电，经过预设的延时时间dt，断电延时继电器的常开触点KT3断开；
j.PLC控制装置的CPU根据预定时序，断开PLC主阀控制信号输出，同时发出关闭根阀5信号，根阀5自行关闭；
k.断开断电延时继电器的常开触点KT3，或者断开PLC主阀控制信号开关，主阀控制回路都会断电，主阀关闭，紧急截止介质供应；
l.操作员执行后续安全操作，结束。
具体而言，本发明的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制方法有以下三种实施方式。
实施例1
a.手动弹开急停按钮SB1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源得电，断电延时继电器的常开触点KT 3立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀5，介质从危险介质高压储罐4流出，流经根阀5，进入主阀前的介质供应管道6内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀13得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀11开启，介质进入加热器8，点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器10测量的加热器8内压力，在试验过程的第10秒时，加热器8内压力增高，超过正常阈值，CPU判定加器内压力超限；f.PLC控制装置的CPU根据预定时序，断开PLC主阀控制信号输出，同时发出关闭根阀5信号，根阀5自行关闭，随后执行其他流程；
g. 当PLC主阀控制信号输出断开，主阀控制回路断电，主阀关闭，截止介质供应；
h.操作员执行后续安全操作，结束。
实施例2
a.手动弹开急停按钮SB1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源得电，断电延时继电器的常开触点KT 3立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀5，介质从危险介质高压储罐4流出，流经根阀5，进入主阀前的介质供应管道6内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀13得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀11开启，介质进入加热器8，点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器10测量的加热器8内压力，压力正常，试验继续执行；
f.在试验过程的第15秒时，操作员在控制间通过摄像头图像观察到加热器的冷却水管接头出现大量喷射水流，需要中止试验；
g.操作员立即手动按下急停按钮1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2同时断开；
h.急停按钮常闭触点SB.2断开，回路II断开，使得断电延时继电器的线圈2失电，经过预设的延时时间2秒以后，即试验过程第17秒，断电延时继电器的常开触点KT3将会断开；
i. PLC控制装置的CPU检测到常闭触点SB.1断开，根据预定时序，在急停按钮常闭触点SB.1断开1.5秒后，即试验过程第16.5秒，断开PLC主阀控制信号输出，同时发出关闭根阀5信号，根阀5自行关闭，并随后执行风洞其他设备的关停等相关安全流程；
j.在试验过程第16.5秒，随着PLC主阀控制信号输出断开，主阀控制回路断电，主阀关闭，紧急截止介质供应；
k.操作员执行后续安全操作，结束。
实施例3
a.手动弹开急停按钮SB1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源得电，断电延时继电器的常开触点KT 3立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀5，介质从危险介质高压储罐4流出，流经根阀5，进入主阀前的介质供应管道6内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀13得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀11开启，介质进入加热器8，点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器10测量的加热器8内压力，压力正常，试验继续执行；
f.在试验过程的第18秒时，PLC控制装置故障，操作员在控制间发现显示操作界面上数据卡死，无更新，需要中止试验；
g.操作员立即手动按下急停按钮1，常闭触点SB.1和常闭触点SB.2同时断开；
h.急停常闭触点SB.2断开，回路II断开，使得断电延时继电器的线圈2失电，经过预设的延时时间2秒以后，即试验过程第20秒，断电延时继电器的常开触点KT3将会断开；
i. PLC控制装置由于故障，无反应；
j.在试验过程第20秒，随着断电延时继电器的常开触点KT3断开，主阀控制回路断电，主阀关闭，紧急截止介质供应；
k.操作员执行后续安全操作，结束。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置，所述的高超声速风洞为高超声速燃烧加热风洞，包括沿风洞主气流方向顺序连接的风洞主管路（7）、加热器（8）和喷管（9），危险介质高压储罐（4）通过介质供应管道（6）为加热器（8）供应高压介质，加热器（8）上还安装有测量加热器（8）内高压介质压力的压力变送器（10），其特征在于，所述的紧急截止控制装置包括串联安装在介质供应管道（6）上的根阀（5）和主阀，其中根阀（5）安装在危险介质高压储罐（4）的底部出口处，主阀安装在加热器（8）的进口处；还包括控制主阀的PLC控制装置；
主阀包括气动快开阀（11）和先导电磁阀（13）；气动快开阀（11）安装在介质供应管道（6）上、加热器（8）的进口处；先导电磁阀（13）通过驱动气管路（12）连接气动快开阀（11）；先导电磁阀（13）具有2个气体通路，分别连接驱动气源和大气；
PLC控制装置包括CPU、输入模块和输出模块；急停按钮SB（1）配置有两对常闭触点，分别为常闭触点SB.1和常闭触点SB.2，急停按钮SB（1）同步控制常闭触点SB.1和常闭触点SB.2的断开和闭合；急停按钮SB（1）的常闭触点SB.1接入PLC控制装置的输入模块，形成回路Ⅰ；急停按钮SB（1）的常闭触点SB.2与断电延时继电器的线圈（2）、继电器电源形成回路Ⅱ；PLC控制装置输出模块设置有PLC主阀控制信号输出，PLC主阀控制信号输出与断电延时继电器的常开触点KT（3）、电磁阀电源、先导电磁阀（13）形成主阀控制回路；主阀控制回路上设置有2个接线端子，先导电磁阀（13）是通过2根控制信号线（14）分别连接到2个接线端子上，接入主阀控制回路。
2.根据权利要求1所述的高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置的控制方法，所述的控制方法基于高超声速风洞危险介质的紧急截止控制装置，其特征在于，包括以下步骤：
a.手动弹开急停按钮SB（1），常闭触点SB.1和常闭触点SB.2均闭合；
b.高超声速燃烧加热风洞的控制系统上电，继电器电源工作，断电延时继电器的线圈（2）得电，断电延时继电器的常开触点KT（3）立刻闭合，并保持闭合状态；
c.操作员远程手动开启根阀（5），介质从危险介质高压储罐（4）流出，流经根阀（5），进入主阀前的介质供应管道（6）内；
d.操作员启动高超声速燃烧加热风洞，开始试验，PLC控制装置的CPU按时序确认接入输入模块的常闭触点SB.1为闭合状态，高超声速燃烧加热风洞的控制系统通过PLC控制装置的CPU接通输出模块的PLC主阀控制信号输出，从而接通主阀控制回路，先导电磁阀（13）得电，连接驱动气源，驱动气源驱动气动快开阀（11）开启，介质进入加热器（8），点火燃烧；
e.PLC控制装置的CPU自动实时检测压力变送器（10）测量的加热器（8）内压力，如果判断压力超限，转到步骤j，否则顺序执行下一步骤；
f.操作员在控制间远程监视高超声速燃烧加热风洞的设备工作状态，如果发现设备异常，转到步骤h，否则顺序执行下一步骤；
g.PLC控制装置的CPU判断试验是否完毕，如果完毕，则执行试验后处理流程，否则转到步骤e；
h.操作员手动按下急停按钮（1），常闭触点SB.1和常闭触点SB.2同时断开，同时执行步骤i1、i2：
i1.PLC控制装置的CPU检测到急停按钮常闭触点SB.1断开，转到步骤k；
i2.急停按钮常闭触点SB.2断开，回路II断开，使得断电延时继电器的线圈（2）失电，经过预设的延时时间dt后，断电延时继电器的常开触点KT（3）断开；
j.PLC控制装置的CPU根据预定时序，断开PLC主阀控制信号输出，同时发出关闭根阀（5）信号，根阀（5）自行关闭；
k.断开断电延时继电器的常开触点KT（3），或者断开PLC主阀控制信号输出，主阀控制回路都会断电，主阀关闭，紧急截止介质供应；
l.操作员执行后续安全操作，结束。
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