摘要：針對飛機防除冰試驗研究需求，設(shè)計了適用于大型結(jié)冰風(fēng)洞的多功能電加熱控制系統(tǒng)。通過可編程控制器(PLC)與上位機遠(yuǎn)程交互，實現(xiàn)控制律開環(huán)和主回路通斷、連續(xù)調(diào)壓閉環(huán)溫度控制，以滿足不同飛機型號電熱防/除冰電源制式和控制模式的要求。針對反獨熱編碼控制律任意性的特點，設(shè)計控制律程序，并進行了型號模型結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗，結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好、可靠性高，應(yīng)用效果好。相關(guān)研究的開展可為電加熱控制系統(tǒng)設(shè)計及研究提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：大型結(jié)冰風(fēng)洞;電加熱控制系統(tǒng);可編程控制器;上位機;反獨熱編碼控制律;電熱防冰
飛機在含大量過冷水滴環(huán)境飛行時，機外部件撞擊水滴聚積成冰層于表面，致使氣動性能下降，且有相關(guān)研究結(jié)果表明，即使結(jié)冰量相當(dāng)小，若出現(xiàn)在關(guān)鍵器件，也會引發(fā)安全事故[1]。因此，飛機易結(jié)冰部件必須采取防除冰措施，避免發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[2]。
目前常用的防/除冰的手段有熱氣防冰、電熱防/除冰、機械除冰[3-4]等，其中電熱防/除冰技術(shù)通常采用周期性的工作方式，進行一定時間規(guī)律地加熱，使表面溫度高于零點，防止表面結(jié)冰，或破壞表面冰層，靠氣動外力除冰[5]，具有能耗低、易控制的優(yōu)點，且成熟度較高。文獻[6]研究了電熱除冰系統(tǒng)加熱周期控制律對表面溫度的影響，計算得到兩者的關(guān)系，表明合理的供電周期有益于除冰效果。文獻[7]研究了飛行過程中電熱防/除冰系統(tǒng)瞬態(tài)除冰的優(yōu)化應(yīng)用，通過改善熱能空間分布和周期控制律，實現(xiàn)能耗降低。文獻[8]對旋轉(zhuǎn)帽罩周期性加熱過程數(shù)值進行計算，對比連續(xù)加熱方式，得到同功同耗的效果。文獻[9]通過試驗研究了復(fù)合材料部件電加熱防冰性能。
以上研究都只是概述了電加熱控制系統(tǒng)，為其提供任意周期控制律，未對控制系統(tǒng)本身進行討論，文獻[10-11]則設(shè)計了電加熱控制系統(tǒng)，可是周期控制律的設(shè)定較為固定，主要針對連續(xù)性周期電加熱，而且都未用于大型結(jié)冰風(fēng)洞，不能滿足真實機型的電熱防/除冰試驗要求。本文結(jié)合上述問題以及應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了適用于大型結(jié)冰風(fēng)洞[12]防除冰試驗的電加熱控制系統(tǒng)，配備與機載使用相符的DC28V，DC270V，AC115V電源[13]，上位機與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行，具備溫度開、閉環(huán)控制模式，適合不同應(yīng)用場合。設(shè)計任意性周期控制律程序，以滿足試驗任務(wù)要求，自動進行周期性電加熱。系統(tǒng)最大單位面積加熱功率可達到3W/cm2，溫度控制精度≤±1℃。最后，通過某型號飛機槳轂罩模型結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗驗證了系統(tǒng)的工作性能。
1電加熱控制系統(tǒng)
1.1控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
結(jié)冰風(fēng)洞電加熱控制系統(tǒng)是以工業(yè)設(shè)備控制器西門子S7-400系列PLC為核心，與運行管理設(shè)備PC機通過PROFINET協(xié)議接入工業(yè)以太網(wǎng)進行交互，增加擴展模塊通過DP-MODBUS轉(zhuǎn)換器連接支持MODBUS協(xié)議的程控電源、溫度巡檢儀，實現(xiàn)模擬飛機電熱防除冰功能。
控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層次至上而下可劃分為運行管理層、電氣驅(qū)動層、設(shè)備執(zhí)行層，各層相互獨立。其中運行管理層包括PC機、觸摸屏以及內(nèi)部的軟件，向下發(fā)送相關(guān)指令給驅(qū)動層控制電源運作，并接收來自執(zhí)行層的上行測量數(shù)據(jù)實時顯示設(shè)備運行狀態(tài);電氣驅(qū)動層則由PLC、擴展模塊組成，負(fù)責(zé)處理運行管理層的指令信息和執(zhí)行層的測量信息，分別輸出給設(shè)備執(zhí)行層和運行管理層;底層的設(shè)備執(zhí)行層是指DC28V，DC270V，AC115V等程控電源、溫度巡檢儀及其他測量器件，用以輸出電壓及相關(guān)數(shù)據(jù)采集，再與模型對接構(gòu)成完整的電熱防/除冰模擬體系。
1.2支路控制原理
電加熱控制系統(tǒng)電源輸出由3種程控電源提供，采用冗余性設(shè)計方法，單臺大容量電源帶10條工作支路，滿足單支路大容量和多支路小容量電加熱，通訊實現(xiàn)有限范圍內(nèi)無級調(diào)壓，直流穩(wěn)壓精度可達±1%F.S，交流可達±0.5%F.S。在電路設(shè)計上，工作支路均受斷路器保護，電流互感器反饋支路電流，選用無觸點型固態(tài)繼電器通斷主回路，開/關(guān)響應(yīng)時間≤0.01s。
系統(tǒng)工作時，根據(jù)實際使用情況，由上位機發(fā)出相關(guān)控制命令，PLC接收后運算處理，與程控電源通訊調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)量模塊輸出控制信號，控制主回路固態(tài)繼電器通斷，從而控制電加熱回路導(dǎo)通或關(guān)斷。開環(huán)控制模式時，系統(tǒng)控制主回路固態(tài)繼電器按照控制律通斷進行加熱;另外閉環(huán)控制模式時，還需反饋溫度信號，由溫度傳感器采集溫度量值，送至溫度巡檢儀處理后，傳回PLC形成溫度閉環(huán)控制，可實現(xiàn)主回路通斷控制，保持電源電壓不變，繼電器通斷主回路來調(diào)控溫度，以及調(diào)壓控制，保持主回路導(dǎo)通，調(diào)節(jié)電源電壓來調(diào)控溫度。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
電加熱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機界面設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計，上位機監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)、發(fā)送指令、存儲數(shù)據(jù)及實現(xiàn)電熱控制律，PLC控制設(shè)備運作、處理數(shù)據(jù)、邏輯判斷及暫存數(shù)據(jù)。對于整個系統(tǒng)而言，兩者承上啟下，數(shù)據(jù)傳輸通過通訊協(xié)議上傳下達、協(xié)同工作達到電熱防/除冰的應(yīng)用需求。
2.1主程序控制流程
主程序控制主要包括如下幾個方面：上位機與PLC程序初始化、相關(guān)控制參數(shù)設(shè)置、上位機觸發(fā)信號及PLC接收后驅(qū)動底層設(shè)備工作，具體主程序控制流程，其中，控制律控制主要依靠于開環(huán)模式，由外部控制器或附屬子系統(tǒng)提供，而閉環(huán)模式還包括主回路通斷和調(diào)壓兩種方式，需要設(shè)置工作方式。
2.2界面設(shè)計及數(shù)據(jù)通訊
系統(tǒng)界面應(yīng)用LabVIEW圖形化編程軟件編寫，其顯示內(nèi)容可反映出整個系統(tǒng)運行狀態(tài)，如系統(tǒng)的通訊狀況、當(dāng)前的工作模式等，還包含按鈕觸發(fā)控件實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、AC115V電源、DC28V電源、DC270V電源、報警事件等其他8個子界面切換，再在子界面中配置符合試驗要求的供電電源。人機界面(humanmachineinteraction，HMI)具體可實現(xiàn)的功能。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，上位機與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進行遠(yuǎn)程交互，而實質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)則依靠OPC技術(shù)。
利用NI的OPCServers組件建立OPC服務(wù)器，針對PLC的網(wǎng)絡(luò)地址選擇性訪問內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)塊信息，再在LabVIEW程序中建立OPC客戶端，創(chuàng)建變量綁定OPC對象構(gòu)成共享變量，上位機便可直接讀、寫PLC的數(shù)據(jù)寄存器。因此，應(yīng)用OPC將系統(tǒng)運行狀態(tài)組合成許多共享變量，經(jīng)程序拆分在人機界面上顯示，但是控制的關(guān)聯(lián)開關(guān)量較多，若批量單獨處理程序會較為復(fù)雜，于是設(shè)計BoolImpulseCommand.vi，F(xiàn)loatSetCom⁃mand.vi等子程序與OPC中綁定的PLC控制開關(guān)量及相關(guān)參數(shù)等控制變量進行匹配，通過Datas⁃coket函數(shù)鏈接控制變量的URL從而控制開關(guān)量的輸出以及參數(shù)設(shè)置。
2.3電熱控制律程序
電熱控制律是周期性電熱防/除冰的關(guān)鍵，合理的配置可節(jié)省能耗、提升防/除冰性能，實質(zhì)上是指主回路工作的時間規(guī)律，根據(jù)支路控制原理可知，即為控制繼電器通斷的占空比規(guī)律。本文所給的控制律是附屬于子系統(tǒng)，在上位機或PLC中設(shè)計控制律程序，但PLC的程序修改后需要重載不利于后續(xù)優(yōu)化。
因此提出基于上位機的控制律程序，應(yīng)用延時函數(shù)與利用While結(jié)構(gòu)的移位寄存器、條件結(jié)構(gòu)和枚舉控件實現(xiàn)的狀態(tài)機配合，在枚舉控件中設(shè)置與控制律相一致的狀態(tài)數(shù)量，移位寄存器循環(huán)暫存當(dāng)前運行狀態(tài)并賦值給條件結(jié)構(gòu)，再在條件結(jié)構(gòu)內(nèi)使用延時函數(shù)保持控制律狀態(tài)輸出，同時觸發(fā)狀態(tài)控件的值(信號)屬性節(jié)點以調(diào)用主程序的開關(guān)量處理事件子程序，經(jīng)OPC傳輸開關(guān)量值給PLC，從而控制繼電器按預(yù)先設(shè)計的規(guī)律通斷，以滿足任意性控制律的設(shè)計要求。
3結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗驗證
此次結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗以某型號飛機槳轂罩模型為對象，選用了兩種控制律來驗證槳轂罩前端電熱防冰的有效性。控制律(一)是52s四等分反獨熱編碼形式通斷，相互再間隔67s斷開狀態(tài)，“0”表示主回路斷開狀態(tài)，“1”表示主回路導(dǎo)通狀態(tài)，按序號順序執(zhí)行，整個周期時長為476s，而且4個序號周期的通斷規(guī)律都不一致，呈現(xiàn)任意性;控制律(二)則是連續(xù)性通斷各25s，周期時長為50s。
動力學(xué)論文投稿刊物：《航空動力學(xué)報》(月刊)創(chuàng)刊于1986年，是中國航空學(xué)會主辦，經(jīng)國家科委批準(zhǔn)的高級刊物，向國內(nèi)外公開發(fā)行。主要刊登航空航天發(fā)動機的原理與設(shè)計、氣動熱力學(xué)，葉輪機械，燃燒學(xué)，傳熱傳質(zhì)學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，自動控制、機械傳動、實驗技術(shù)以及熱動力工程等方面的最新科技成果。編委會由主編、副主編及編委共50余人組成，均為該領(lǐng)域的著名專家學(xué)者。
4結(jié)論
電加熱控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過PC機與PLC遠(yuǎn)程互聯(lián)，實現(xiàn)控制信號傳輸網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，可任意控制律開環(huán)和主回路通斷、連續(xù)調(diào)壓閉環(huán)溫度控制，同時具有實時顯示、數(shù)據(jù)采集及存儲功能，提升了控制系統(tǒng)的自動化水平。設(shè)計了任意性控制律程序，應(yīng)用于型號模型結(jié)冰風(fēng)洞電熱防冰試驗，分析試驗過程中兩種控制律的回路電流變化和模型表面溫度變化，比較電流與溫度的變化趨勢，結(jié)果表明系統(tǒng)具備多控制律的調(diào)控能力，且運行穩(wěn)定可靠，符合結(jié)冰風(fēng)洞電熱防除冰試驗要求。
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作者：冉林，熊建軍，趙照，何苗
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