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摘要：航空发动机地面试车台的高温高压进排气管路系统为试验件提供一定温度、压力的工艺气体，保证试验件入口气流的性能参数能满足试验件不同试验状态的需要。基于西门子公司的PLC和WinCC产品，设计了一套远程控制系统并在实际工作中得到了应用。该控制系统作为“神经系统”贯穿于进排气管路系统始终，通过对各监控点信号的采集分析和对调节阀门的实时控制，实现进排气管路系统各参数的监控以及进排气流量、压力和温度的调节。
关键词：进排气管路系统;PLC;WinCC;控制系统
1 引言
本文所提到的航空发动机地面试车台或部件试验器的进排气系统是通过管路系统供气的方式为发动机或试验件提供一定温度、压力的压缩气体，用来模拟发动机在不同状态时的工作环境。为了保证试验的有效性，对进排气管路系統的供气温度、流量、压力以及各个阀门的随动能力都提出了非常严苛的要求[1-2]。
本文针对高温高压进排气管路系统设计了一套基于西门子PLC-WinCC的控制系统。控制系统使用可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制核心进行控制系统的下位机控制设计，使用视窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）设计人机交互界面作为上位机控制。
2 高温高压进排气管路结构
进排气管路系统是由气源供气调节系统、进气流量调节系统、进气压力调节系统、气体加温系统、发动机进气调压系统等组成，依次实现进气压力、流量调节，管路气体温度、压力调节，整流稳压，参数监控等功能。高温高压进排气管路结构如图1所示。
3 控制系统技术要求
供气压力采用同时调节轴流阀前压力和稳压箱出口压力的调节方案，即采取主路截流，旁路放气的方法。试验中，在保持旁路前的主气路上已调好温度的空气总质量不变的情况下，使混合气出口的总供气量不受发动机试验件状态改变的影响，保持发动机试验件进口恒定的模拟压力稳定和确保发动机试验件在不同工作下所需要的空气流量。供气温度由进气加温装置调节，根据试验所需气体的温度计算出所需投放的功率，调节进气加温装置给气体加温[3]。
该系统由许多非线性设备组成，在温度、压力的调节与控制中相互干扰影响的因素较多，遵循以下两个调节原则：
1）尽可能地将参加调节的非线性设备固定为常数;
2）各气压容腔单一控制调节，以减少各系统的相互干扰对调节所带来的影响。
为实现进排气管路控制系统的功能，概要控制要求为：
（1）控制系统采用上位计算机监控系统进行操作，通过对进排气系统各设备的控制，实现系统压力、温度、流量等参数的调节与控制;
（2）当发生超温、超压等异常情况时，产生报警提示，具有自保护功能。
4 控制系统设计
进排气控制系统结构图如图2所示。
4.1 PLC选型
PLC是进排气控制系统的核心，在选择PLC时，应重点考虑CPU的性能、指令系统的可靠性和安全性、输入/输出点数、物理结构的类型等。经过对比，选择了西门子公司的S7-300作为控制核心。这款PLC运行速度快、抗干扰能力强、可操作性好，能够满足进排气控制系统的设计要求。PLC选型列表如表1所示。
4.2 系统软件设计
4.2.1 模块化编程思想
模块化编程思想是将PLC控制程序根据控制功能划分为不同的功能块来实现，不同于以往线性化编程，每个功能块之间相互独立，这样不仅可降低编程的工作量，而且可以提高程序的效率。此外，采用模块化思想编程可将控制系统划分为不同层级结构的程序，可根据需要直接调用相关的功能块，进而缩短控制系统的响应时间;可根据用户的需求对不同的功能块进行适应性修改和调试，提高控制系统的可维护性;通过对控制程序的模块化结构设计，克服了传统线性化编程方法中对所有程序全部循环扫描的弊端，减少调用程序的冗余，提高了CPU的利用率。
4.2.2 软件程序设计
根据模块化编程思想，设计了设备启停控制模块、报警与消音控制模块、急停控制模块和故障检测模块。
设备启停控制模块一般运用在电机、泵和阀门等设备的启动停止控制当中，可以选择控制地点是本地控制还是远程控制，给予启停指令的同时可以反馈设备当前运行状态，接收到“急停”信号时可以使正在运行的设备停止运行。
报警与消音控制模块一般用于指示现场传感器反馈的模拟量发生了超限现象。进排气管路系统设计的管路压力上限为1MPa，排气塔能承受的温度上限是380℃，管路流量上限是120kg/s 。当压力、温度、流量超过进排气系统设计的限值时，报警与消音控制模块会给出报警信号，以便现场工作人员采取相应的解决措施。该模块也具有报警信号复位与报警蜂鸣器消音功能，严重故障会直接触发急停功能。
急停控制模块在发生紧急状况需要停止试验时使用，急停信号可以分为即时和延时两种，控制地点也有本地急停信号和远程急停信号之分，同时提供急停复位信号来消除急停指示。
故障检测模块一般用于现场执行器的故障读取与反馈，分为即时和延时两种。部分阀门会出现受到干扰而误报故障的情况，这时根据故障来源的不同选择延时故障报警功能。故障反馈信号可以起到一定的提示作用，对试验件的安全运行提供了保障。
4.2.3 上位机人机界面设计
上位机人机界面使用西门子公司的WinCC软件，主要功能可以从PLC和现场数据采集卡等设备中实时采集试验数据，发出控制指令并监控系统是否正常运行。使用S7协议中的工业以太网（TCP/IP）与下位机通讯连接。
人机界面上包括了进排气管路的布局和气路走向、阀门的位置和工作状态、现场传感器的数值反馈、一些数值设定输入框、批处理快捷键、故障报警显示等，具体画面如图3所示。可以供试验操作人员远程操作各个执行器，并且读取试验相关的温度、压力、流量等数据，并且能够及时获取试验过程中产生的故障报警信号。
5 结束语
本文介绍了高温高压进排气管路的布局与其控制系统设计，从硬件部分PLC模块的组态到软件部分的上位机与下位机的程序编写都给出了详细的设计。目前，该控制系统已经运用到了实际的科研试验中，使用方便高效，运行情况良好，达到了设计目的。
参考文献：
[1] 张松，郭迎清，侯敏杰，等.复合控制技术在高空台进排气调压系统中的技术研究[J].测控技术，2009，28（11）：29-33.
[2] 乔彦平，黄单.基于遗传算法的高空台进排气控制仿真研究[J].测控技术，2012，31（6）：83-86.
[3] 赵涌，侯敏杰，黄振南，等.航空发动机高空模拟试验进气压力复合控制研究[J].燃气涡轮试验与研究，2010，23（1）：37-41.
【通联编辑：代影】
关键词：进排气管路系统;PLC;WinCC;控制系统
1 引言
本文所提到的航空发动机地面试车台或部件试验器的进排气系统是通过管路系统供气的方式为发动机或试验件提供一定温度、压力的压缩气体，用来模拟发动机在不同状态时的工作环境。为了保证试验的有效性，对进排气管路系統的供气温度、流量、压力以及各个阀门的随动能力都提出了非常严苛的要求[1-2]。
本文针对高温高压进排气管路系统设计了一套基于西门子PLC-WinCC的控制系统。控制系统使用可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制核心进行控制系统的下位机控制设计，使用视窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）设计人机交互界面作为上位机控制。
2 高温高压进排气管路结构
进排气管路系统是由气源供气调节系统、进气流量调节系统、进气压力调节系统、气体加温系统、发动机进气调压系统等组成，依次实现进气压力、流量调节，管路气体温度、压力调节，整流稳压，参数监控等功能。高温高压进排气管路结构如图1所示。
3 控制系统技术要求
供气压力采用同时调节轴流阀前压力和稳压箱出口压力的调节方案，即采取主路截流，旁路放气的方法。试验中，在保持旁路前的主气路上已调好温度的空气总质量不变的情况下，使混合气出口的总供气量不受发动机试验件状态改变的影响，保持发动机试验件进口恒定的模拟压力稳定和确保发动机试验件在不同工作下所需要的空气流量。供气温度由进气加温装置调节，根据试验所需气体的温度计算出所需投放的功率，调节进气加温装置给气体加温[3]。
该系统由许多非线性设备组成，在温度、压力的调节与控制中相互干扰影响的因素较多，遵循以下两个调节原则：
1）尽可能地将参加调节的非线性设备固定为常数;
2）各气压容腔单一控制调节，以减少各系统的相互干扰对调节所带来的影响。
为实现进排气管路控制系统的功能，概要控制要求为：
（1）控制系统采用上位计算机监控系统进行操作，通过对进排气系统各设备的控制，实现系统压力、温度、流量等参数的调节与控制;
（2）当发生超温、超压等异常情况时，产生报警提示，具有自保护功能。
4 控制系统设计
进排气控制系统结构图如图2所示。
4.1 PLC选型
PLC是进排气控制系统的核心，在选择PLC时，应重点考虑CPU的性能、指令系统的可靠性和安全性、输入/输出点数、物理结构的类型等。经过对比，选择了西门子公司的S7-300作为控制核心。这款PLC运行速度快、抗干扰能力强、可操作性好，能够满足进排气控制系统的设计要求。PLC选型列表如表1所示。
4.2 系统软件设计
4.2.1 模块化编程思想
模块化编程思想是将PLC控制程序根据控制功能划分为不同的功能块来实现，不同于以往线性化编程，每个功能块之间相互独立，这样不仅可降低编程的工作量，而且可以提高程序的效率。此外，采用模块化思想编程可将控制系统划分为不同层级结构的程序，可根据需要直接调用相关的功能块，进而缩短控制系统的响应时间;可根据用户的需求对不同的功能块进行适应性修改和调试，提高控制系统的可维护性;通过对控制程序的模块化结构设计，克服了传统线性化编程方法中对所有程序全部循环扫描的弊端，减少调用程序的冗余，提高了CPU的利用率。
4.2.2 软件程序设计
根据模块化编程思想，设计了设备启停控制模块、报警与消音控制模块、急停控制模块和故障检测模块。
设备启停控制模块一般运用在电机、泵和阀门等设备的启动停止控制当中，可以选择控制地点是本地控制还是远程控制，给予启停指令的同时可以反馈设备当前运行状态，接收到“急停”信号时可以使正在运行的设备停止运行。
报警与消音控制模块一般用于指示现场传感器反馈的模拟量发生了超限现象。进排气管路系统设计的管路压力上限为1MPa，排气塔能承受的温度上限是380℃，管路流量上限是120kg/s 。当压力、温度、流量超过进排气系统设计的限值时，报警与消音控制模块会给出报警信号，以便现场工作人员采取相应的解决措施。该模块也具有报警信号复位与报警蜂鸣器消音功能，严重故障会直接触发急停功能。
急停控制模块在发生紧急状况需要停止试验时使用，急停信号可以分为即时和延时两种，控制地点也有本地急停信号和远程急停信号之分，同时提供急停复位信号来消除急停指示。
故障检测模块一般用于现场执行器的故障读取与反馈，分为即时和延时两种。部分阀门会出现受到干扰而误报故障的情况，这时根据故障来源的不同选择延时故障报警功能。故障反馈信号可以起到一定的提示作用，对试验件的安全运行提供了保障。
4.2.3 上位机人机界面设计
上位机人机界面使用西门子公司的WinCC软件，主要功能可以从PLC和现场数据采集卡等设备中实时采集试验数据，发出控制指令并监控系统是否正常运行。使用S7协议中的工业以太网（TCP/IP）与下位机通讯连接。
人机界面上包括了进排气管路的布局和气路走向、阀门的位置和工作状态、现场传感器的数值反馈、一些数值设定输入框、批处理快捷键、故障报警显示等，具体画面如图3所示。可以供试验操作人员远程操作各个执行器，并且读取试验相关的温度、压力、流量等数据，并且能够及时获取试验过程中产生的故障报警信号。
5 结束语
本文介绍了高温高压进排气管路的布局与其控制系统设计，从硬件部分PLC模块的组态到软件部分的上位机与下位机的程序编写都给出了详细的设计。目前，该控制系统已经运用到了实际的科研试验中，使用方便高效，运行情况良好，达到了设计目的。
参考文献：
[1] 张松，郭迎清，侯敏杰，等.复合控制技术在高空台进排气调压系统中的技术研究[J].测控技术，2009，28（11）：29-33.
[2] 乔彦平，黄单.基于遗传算法的高空台进排气控制仿真研究[J].测控技术，2012，31（6）：83-86.
[3] 赵涌，侯敏杰，黄振南，等.航空发动机高空模拟试验进气压力复合控制研究[J].燃气涡轮试验与研究，2010，23（1）：37-41.
【通联编辑：代影】