一種脈衝風洞運行控制系統及脈衝風洞運行控制方法與流程

2024-04-02 15:04:05

本發明涉及一種脈衝風洞運行控制系統及脈衝風洞運行控制方法，屬於高超聲速脈衝風洞系統的氣路運行控制及狀態監測領域。

背景技術：

脈衝型風洞是指在極短時間(幾十毫秒至1秒)內產生脈衝試驗氣流的風洞(《GJB4296風洞試驗術語和符號》)。脈衝風洞主要由驅動段、雙膜段、被驅動段、單夾膜、噴管及試驗段等部分構成。實驗過程主要需求參數為馬赫數、雷諾數、總溫、總壓。馬赫數通過更換噴管實現，為保證噴管前後壓比，實驗過程需要將試驗段抽至低壓狀態；雷諾數通過被驅動段氣體壓力、驅動段氣體壓力控制；總溫、總壓通過驅動氣體壓力控制；為控制驅動氣體破膜壓力，設置了雙膜片夾膜機構，以形成梯度壓力，待高壓氣體壓力達到預定破膜壓力時迅速釋放夾膜機構內部壓力，使膜片破裂。

常見氣源走向及廠房布局如圖1所示。風洞實驗大部分控制工作由實驗人員手工操作完成，全部高壓氣源均需引入到控制間進行人工操控，整個氣源線路長、壓力高、易出故障、不利於維護，存在極大的安全隱患。其次，常規控制方式採用手動操作閥門，肉眼觀察記錄狀態信息的過程，運行控制重複性差且數據記錄有偏差。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種脈衝風洞運行控制系統及脈衝風洞運行控制方法，實現風洞試驗的自動化運行。

本發明目的通過如下技術方案予以實現：

提供一種脈衝風洞運行控制系統，包括PLC模塊、驅動段充氣閥門、驅動段放氣閥門、驅動段壓力傳感器、1/2閥門、雙膜段放氣閥門、雙膜段壓力傳感器、被驅動段充氣閥門、被驅動段放氣閥門、被驅動段壓力測量模塊、被驅動段抽真空閥門、試驗段放氣閥門、試驗段抽真空閥門、試驗段壓力傳感器、真空機組；

所述驅動段充氣閥門用於在PLC模塊的控制下控制驅動段的充氣，所述驅動段放氣閥門用於在PLC模塊的控制下控制驅動段的放氣，所述驅動段壓力傳感器用於檢測驅動段的壓力P1，並發送給PLC模塊；

所述1/2閥門在PLC模塊的控制下控制雙膜段的充氣，雙膜段放氣閥門用於在PLC模塊的控制下控制雙膜段的放氣，所述雙膜段壓力傳感器用於測量雙膜段的壓力P2，並發送給PLC模塊；

被驅動段充氣閥門在PLC模塊的控制下控制被驅動段充氣，被驅動段放氣閥門在PLC模塊的控制下控制被驅動段放氣，被驅動段抽真空閥門在PLC模塊的控制下控制被驅動段與真空機組連通，被驅動段壓力測量模塊在PLC模塊的控制下測量被驅動段的壓力P3；

試驗段放氣閥門在PLC模塊的控制下控制試驗段的放氣，試驗段抽真空閥門在PLC模塊的控制下控制試驗段與真空機組連通，試驗段壓力傳感器在PLC模塊的控制下測量試驗段的壓力P4；

真空機組在PLC模塊的控制下對於其連通的被驅動段或試驗段抽真空；

PLC模塊控制所述驅動段充氣閥門開啟為驅動段充氣，接收所述驅動段壓力傳感器用於檢測的壓力P1；PLC模塊控制所述1/2閥門開啟為雙膜段充氣，接收所述雙膜段壓力傳感器用於檢測的壓力P2，當P1-P2的差值大於驅動段壓力設定值的一半時，控制所述驅動段充氣閥門關閉，直至P1-P2的差值小於等於P1設定值的一半時，重新開啟驅動段充氣閥門；

當氣源壓力Psource>15MPa時，P1到達設定值的α倍時控制驅動段充氣閥門關閉，停止充氣，0.95<α<0.97，當氣源壓力10MPa<Psource<15MPa時，P1到達設定值的β倍時控制驅動段充氣閥門關閉，停止充氣，0.97<β<0.99，當氣源壓力Psource10MPa時，P3到達設定值的α1倍時控制驅動段充氣閥門關閉，停止充氣，0.97<α1<0.99；當氣源壓力PsourcePset1時，代表當前壓力值較高，當前壓力值採用高壓傳感器P31測量，為P3＝P31；Pset1設置為低壓傳感器的量程上限，例如可以設置為150KMpa。

當P31Pset2時，當前壓力值為P3＝P32，否則當前壓力值為P3＝P33；Pset2設置為真空傳感器的量程上限，例如可以設置為3KPa。

充氣過程中關閉閥門2，採用高壓傳感器P31測量被驅動段的壓力P3。

上述判定及閥門的通斷均通過PLC控制，存儲與顯示值均為壓力P3。

按照20Hz採樣率進行所有數據採集，當試驗開始時，被驅動段靠近單夾膜位置的總壓傳感器會有突然的壓力上升，此時即為瞬間試驗狀態，記錄此時各採樣點壓力值作為試驗參數參與後續數據計算。採用此種採樣存儲方式能夠較為準確地記錄試驗狀態，避免人工讀數帶來的誤差。

2、自動壓力調節

由圖3可知，風洞運行過程主要控制參數為驅動段氣體壓力P1，雙膜段內部壓力P2，被驅動氣體壓力P3，試驗段壓力P4。風洞運行控制系統即是為實現上述參數調整及各部分狀態控制而設計的。

(1)驅動段氣體壓力P1調節：

驅動段氣體壓力調節主要通過開關驅動段充氣閥來完成。由於管路口徑限制及充氣過程壓力傳感器反應速度限制，如果僅採用直接閾值設定法對充氣閥進行控制容易導致壓力過衝現象。如果過衝較大，通過放氣閥不易控制壓力下降。因此要求充氣過程可控。根據氣源壓力Psource與被驅動段體積之間的關係，總結充氣規律如下：

當Psource>15MPa時，P1到達設定值的α倍時停止充氣(0.95<α<0.97)；

當Psource10MPa時，P1到達設定值的β倍時停止充氣(0.97<β<0.99)；

當Psource5MPa時，控制所述驅動段充氣閥門關閉，直至(P1-P2)≤5MPa時，重新開啟驅動段充氣閥門。

(3)被驅動段氣體壓力P3調節：

被驅動段氣體壓力調節通過充氣閥、真空泵兩種方式進行調節。當設定壓力值小於一個大氣壓或者需要更換被驅動段內氣體條件時，需要開啟真空泵進行抽氣。抽氣過程直接控制真空泵的啟停和真空閥的開關來實現。

充氣過程與驅動段氣體壓力P1調節類似，也採取分段式充氣。

當Psource>10MPa時，P3到達設定值的α1倍時停止充氣(0.97<α1<0.99)；

當Psource<10MPa時，認定氣壓不足，需要開啟壓縮機充氣。

驅動段充氣停止後，等待驅動段氣體壓力平衡後，判斷檢測的壓力P3是否符合要求，如果檢測的壓力P3與設定值之間的差值小於1％或者P3大於設定值則認為符合要求，充氣完成，如果不符合要求，則開啟驅動段充氣閥門N秒後關閉驅動段充氣閥門，直至檢測的壓力P3符合要求；

(4)試驗段氣體壓力P4調節：

抽真空時，開啟傳感器所在氣路閥門和抽真空閥門，對試驗段進行抽真空，當壓力小於設定值時且持續10s以上時，完成抽真空，關閉抽真空閥門，；實時監測當前真空度是大於設定值，大於則重新開啟抽真空閥門抽真空處理。

控制方法，包括如下步驟：

(1)PLC模塊控制對試驗段抽真空，直至設定壓力值；

(2)在(1)抽真空過程中，PLC模塊控制對被驅動段P3進行壓力調節，直至達到設定壓力值；

(3)在(1)(2)步驟完成後，PLC模塊控制對驅動段和雙膜段充氣，直至驅動段和雙膜段壓力均達到設定壓力值；

(4)PLC模塊判斷被驅動段、試驗段、驅動段和雙膜段的壓力是否均滿足要求，如果滿足要求關閉所有閥門，開始試驗，如果不滿足要求，則自步驟(3)開始計時15分鐘，等待完畢後仍未滿足要求，彈出手動試驗對話框申請人工幹預；

(5)PLC模塊開啟雙膜段放氣閥，試驗氣流自驅動段、雙膜段、被驅動段流向試驗段，進行試驗。雙膜段破裂1s後試驗結束；PLC控制開啟所有放氣閥，試驗結束。

當P1～P4段壓力均滿足要求後，關閉所有的閥門。

開啟雙膜段放氣閥門，使P2迅速下降，P1與P2壓差迅速擴大，使膜片破裂，完成實驗。試驗持續時間1s，2s後開啟所有放氣閥門。

試驗段在試驗過程中需要保證低壓狀態，通過直接控制真空泵的啟停和真空閥的開關來實現。

如圖4所示，採用分布式的控制方式，控制系統由一臺設置在氣控間的主控計算機通過工業乙太網與主控PLC連接。主控PLC與設備間現場PLC通訊可實現本地、遠程手動控制功能，這樣既可以在氣控間遠程操作也可以切換到本地模式在現場進行控制。系統實現閥門操作與真空泵操作自動化功能，並具有實時數據監測、超壓保護等功能。整個控制方案提高了氣源控制的自動化程度，同時系統具有良好的擴展性。

高壓氣路被全部移動至人員活動較少的試驗現場，有效實現了高壓氣源與人員的隔離。經運行人員反饋，系統運行穩定可靠，操作簡便快捷，較大程度提高了風洞運行效率。同時由於氣動閥門放氣重複性較好，與人工操作相比，有效提升了風洞運行精度。

系統操作方式分為遠程監控和本地操作兩種，二者通過測控間主控程序進行切換。測控間位於試驗段正上方三樓，操作臺及主控電腦位於其中。

3、遠程監控

系統主要運行在遠程監控模式，即操作人員通過測控間操作臺按鈕或者運行於工控機上的控制畫面來操作各個部件。

運行在遠程監控方式下，設置於風洞線旁邊的觸控螢幕僅用於顯示當前狀態，不能進行任何操作輸入。遠程監控模式下，又可以通過操作臺的選擇開關使系統運行於手動、半自動、自動三種不同方式，各方式切換過程中閥門狀態不變。

(1)手動模式

系統運行於遠程監控方式，操作臺選擇手動模式。此模式下系統所有控制均通過操作臺實體按鈕進行，各個按鈕對應各個開關，由操作人員點選按鈕進行操作，後臺程序中不設置安全連鎖。

(2)半自動模式

半自動模式下，依靠試驗臺上的實體按鈕進行操作，但簡化操作按鈕數量並進行了相應的安全聯鎖設置，保證試驗的順利進行。

(3)自動模式

自動模式下，在設定操作狀態之後(驅動段壓力、被驅動段壓力)，點選「開始」按鈕，自動完成驅動段充氣操作，並給出提示信息，待操作人員確認後進行下一步操作，並依試驗流程依此進行。對於自動模式，在試驗進程中操作人員可根據實際情況取消該模式，並能方便進行後續手動操作。

4、本地操作

在主控程序中設定本地操作後，主控程序及操作臺按鈕均失去操作輸入功能，僅做狀態顯示。系統通過設置在雙膜段附近的本地觸控螢幕進行操作。觸控螢幕顯示當前主要壓力參數，能操作所有閥門開關並實時顯示其當前狀態。

如圖5所示，列出了一次試驗的全部操作流程。

(1)點擊「試驗開始」按鈕，設定或者確認參數確定試驗參數。

設定驅動段壓力(MPa)、被驅動段壓力(MPa)以及破膜閾值係數(限定0-1，默認0.8)。其他參數僅做顯示。

(2)真空機組按照設定設備狀態，向真空機組發送抽真空指令；

點擊「開始抽真空」確認按鈕，試驗段真空泵系統開啟指令，打開抽真空閥門，打開「真空表閥門」

(3)按照試驗要求，被驅動段抽氣或是充氣或是抽真空後充試驗氣體；

被驅動段彈出兩個選項，充試驗氣或空氣。

選擇充試驗氣，開啟被驅動段「真空泵閥、，開啟被驅動段「測壓總閥」，開啟「測真空閥」，達到預設真空度後關閉真空泵。打開「試驗氣體閥」充試驗氣體，根據設定壓力決定，是否關閉「測真空閥」。保持「測壓總閥」。充氣完畢後，關閉「試驗氣體閥」。

選擇充空氣，打開「試驗氣體閥」充試驗氣體，根據設定壓力決定，是否關閉「測真空閥」。保持「測壓總閥」。充氣完畢後，關閉「試驗氣體閥」。

(3)驅動段充入指定壓力的試驗氣體；

驅動段「充氣閥」打開，「測壓閥」關閉，待充到試驗壓力後，關閉「充氣閥」。

(4)開始試驗前確保被驅動段和驅動段上的氣動閥門處於關閉狀態；

自動檢查「被驅動段放氣閥」和「驅動段放氣閥」是否為關閉狀態，提示「是否破膜」

(5)主夾膜放氣，主夾膜和單夾膜的膜片破裂。經噴管後形成試驗氣體；

檢查完畢，彈出「是否破膜」對話框，選擇是，打開「主夾膜放氣閥」。

(6)被驅動段放氣，真空機組關閉，放空；

打開「被驅動段放氣閥」、「驅動段放氣閥」，關閉真空機組相應閥門，開啟「試驗段放氣閥」。

(7)試驗完畢

保持放氣閥開啟，其他閥門關閉。

5、試驗報表

試驗報表功能主要記錄當前操作者，試驗破膜時間以及對應的驅動段、雙膜段和被驅動段的破膜時壓力值。此功能記錄點有兩個判定方式：一是按下雙膜段放氣按鈕時刻；二是沒有按下按鈕但自動破膜時刻，此時需要通過判斷雙膜段壓力下降大於設定值X。

試驗報表應具有自動導出功能，具體格式參照給定的參考文件。

所有壓力傳感器應當具有標定零點功能。

6、聯鎖要求

(1)破膜後被驅動段和驅動段壓力相同，通過驅動段上高量程壓力傳感器(0～20MPa)判定壓力超過1.5MPa時，被驅動段測量氣路閥門1不能開啟(防止在破膜後沒有充分放氣就打開測量氣路閥門，導致傳感器損壞)。

(2)被驅動段充氣閥開啟時，被驅動段真空和低壓測量氣路中閥門不能開啟，無法手動開啟。

(3)試驗要求驅動段狀態為X MPa，當驅動段充氣達到0.8X MPa時，(此時已完成P3，P4壓力調節)被驅動段測量氣路閥門處於關閉，抽真空支路氣動閥關閉。(防止膜片製造誤差引起提前破膜)。

(4)被驅動段低壓傳感器超量程時，被驅動段測量氣路閥門2關閉，並發出警報。

(5)驅動段和被驅動段及試驗段設有多個傳感器測量同一位置的，應當先開啟大量程傳感器，再根據實際值的變化通過切換閥門操作來選擇顯示適宜量程的傳感器輸出。

所有輸入信息均設定範圍限制，所有顯示值均設定報警限制。

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。