結(jié)構(gòu)化編程方法在射流預(yù)冷試驗器中的應(yīng)用

王曉宇 周易 高楊

摘要：射流預(yù)冷技術(shù)是改善航空渦輪噴氣發(fā)動機高空高速高性能的技術(shù)之一，該技術(shù)已經(jīng)在航空領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用。為滿足射流預(yù)冷技術(shù)的試驗需求，開展射流預(yù)冷技關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證，搭建了地面試驗驗證系統(tǒng)，設(shè)計了地面驗證用射流預(yù)冷試驗器，其中，使用可編程邏輯控制器（PLC）設(shè)計射流預(yù)冷試驗器的控制系統(tǒng)。為了提高控制系統(tǒng)的效率，便于后期維護和使用，本文提出了一種結(jié)構(gòu)化編程的方法，應(yīng)用在射流預(yù)冷試驗器的控制系統(tǒng)中。

Abstract： Jet precool is one of the technologies which improving the property of aerojet engine ，and it has been widely used in aviation .To meet the test requirements，using the PLC to design the control system. In order to improve the control system efficiency，convenient for later maintenance and use ，the paper proposes a structured programming method ，and uses it in the control system of the jet precooling tester.

關(guān)鍵詞：射流預(yù)冷;控制系統(tǒng);PLC;結(jié)構(gòu)化

Key words： jet precool;control system;PLC;structured

中圖分類號：V241.06????????????????????????????????? 文獻標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0232-02

0? 引言

近些年，國內(nèi)航空工業(yè)領(lǐng)域研究的射流預(yù)冷技術(shù)是指在常規(guī)渦輪發(fā)動機進口前加裝射流預(yù)冷試驗器，管道中的來流氣體經(jīng)過射流預(yù)冷試驗器后，與冷卻介質(zhì)相互摻混，通過介質(zhì)的蒸發(fā)，進而冷卻管道內(nèi)的高溫氣流，使發(fā)動機進口前的氣流溫度滿足常規(guī)發(fā)動機進氣要求，從而使發(fā)動機能夠在高馬赫數(shù)下工作，擴大了發(fā)動機的工作包線1-3。

射流預(yù)冷試驗器的控制系統(tǒng)作為“神經(jīng)系統(tǒng)”貫穿始終，使用西門子公司的可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，并采用結(jié)構(gòu)化的編程方法來優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計。射流預(yù)冷試驗器的控制系統(tǒng)是該試驗器的重要組成部分，可以實時收集各種傳感器反饋信號，對水泵、閥門、水箱電加熱器等設(shè)備進行控制和匹配調(diào)節(jié)，確保試驗器的安全穩(wěn)定運行，在給定工作狀態(tài)下完成試驗任務(wù)。控制系統(tǒng)能夠?qū)υ囼炦^程中的關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控和報警，使試驗器高效運行，提高試驗器的安全性和可靠性。為了完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要滿足以下需求：

①試驗器安全穩(wěn)定運行。在試驗過程中，對試驗器控制不當(dāng)容易導(dǎo)致設(shè)備的故障、損壞，影響試驗成果，因此控制系統(tǒng)的安全性很重要。

②正確的故障處理方式。在試驗過程中，設(shè)備難免出現(xiàn)故障，在出現(xiàn)故障后能及時反饋給試驗操作人員，以便及時做故障處理工作，防止耽誤試驗進程。

③合理的參數(shù)反饋與給定設(shè)置。試驗過程中需要時刻關(guān)注各個傳感器的反饋數(shù)值和各個執(zhí)行器的運行反饋狀態(tài)。靈活設(shè)置泵電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)來保證射流預(yù)冷試驗器滿足試驗的需要。

1? 現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)

目前在航空工業(yè)的地面試驗設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，常用線性化編程思想，特點是新手易學(xué)，但是重復(fù)性工作多，效率較低。對于控制邏輯相同的不同設(shè)備，需要多次重復(fù)編寫相同的控制程序，浪費大量的時間和精力，而且會造成程序冗長，影響PLC運行速度，不便于程序的后期維護與升級改造。

2? 結(jié)構(gòu)化編程思想

利用PLC的結(jié)構(gòu)化編程思想，將射流預(yù)冷試驗器中一些常用的控制邏輯編寫為通用的功能模塊，在控制程序的編寫過程中根據(jù)需要調(diào)用預(yù)先編寫好的功能模塊，通過設(shè)置不同的控制變量地址，實現(xiàn)各個試驗設(shè)備的控制。

結(jié)構(gòu)化編程的優(yōu)點有：

①邏輯清晰，程序結(jié)構(gòu)層次分明，對于控制邏輯相同的不同設(shè)備，例如射流預(yù)冷試驗器中的多個閥門控制，不需重復(fù)編寫控制程序，只需多次調(diào)用功能模塊即可;

②便于后期維護，控制邏輯需要更改時，線性化程序中需要對每一個程序段進行更改，結(jié)構(gòu)化程序中只需更改功能模塊的內(nèi)容，調(diào)用處不需更改;

③可以建立功能模塊庫，將現(xiàn)有的功能模塊轉(zhuǎn)用于未來其他試驗設(shè)備的設(shè)計中，并在設(shè)計工作中不斷補充完善。

3? 結(jié)構(gòu)化編程的應(yīng)用

本文根據(jù)射流預(yù)冷試驗器的需求，提出五種常用功能塊應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。分別是急?？刂颇K、報警與消音控制模塊、故障檢測模塊、故障檢測模塊（延時）、設(shè)備啟?？刂颇K。功能模塊中的語句使用接口變量進行編寫，程序中無實際的變量地址。在模塊被調(diào)用處用實際變量的地址為接口變量賦值，從而實現(xiàn)功能模塊對實際變量的控制。

3.1 急?？刂颇K

急?？刂颇K的控制功能一般應(yīng)用在射流預(yù)冷試驗器水系統(tǒng)的水泵和主要調(diào)節(jié)閥門上。當(dāng)試驗過程中遇到緊急狀況需要采取應(yīng)急措施時，可以利用人機界面以及操作臺上的實體按鈕，實現(xiàn)急停信號的發(fā)生與復(fù)位，一般有“本地”和“遠程”兩個操作地點，“急?！毙盘柗譃椤凹磿r急?！焙汀把訒r急?！??！凹蓖！毙盘柨刹环挚刂频攸c隨時發(fā)出，“復(fù)位”信號需要在對應(yīng)的控制地點才能發(fā)出。急?？刂颇K的梯形圖如圖1所示。

3.2 報警與消音控制模塊

報警與消音控制模塊一般用于試驗操作臺的報警蜂鳴器、報警消音燈的控制。當(dāng)射流預(yù)冷試驗器在試驗過程中，某個部件或執(zhí)行器出現(xiàn)故障，必須發(fā)出報警提示現(xiàn)場試驗人員，參試人員根據(jù)報警查看發(fā)生故障的部位，確定是繼續(xù)試驗或是暫停試驗排故。若故障不影響試驗進行，便可按下試驗臺上的報警消音按鈕，略過此報警，繼續(xù)試驗。

3.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊用于射流預(yù)冷試驗器設(shè)備故障信號的檢測與保持，可用“復(fù)位”信號消除。但是有些設(shè)備比較容易誤觸發(fā)故障信號，通過加入延時定時器過濾掉誤觸發(fā)的信號，由于加入了延時定時器，故障信號需要發(fā)生并保持一定時間才能觸發(fā)故障響應(yīng)。例如射流預(yù)冷試驗器中的一些閥門遇到強電干擾會誤報故障信號，這時就可以使用故障檢測延時模塊。故障檢測模塊（延時）梯形圖如圖2所示。

3.4 設(shè)備啟?？刂颇K

設(shè)備啟停控制模塊可以用于射流預(yù)冷試驗器水系統(tǒng)泵電機的合閘/分閘操作和啟動/停止操作，可以調(diào)用兩次該模塊實現(xiàn)。也可用在水系統(tǒng)變頻水泵的本地/遠程控制地點切換、自動/手動試驗?zāi)Ｊ角袚Q等。

這個模塊的功能可以利用人機界面或設(shè)備的實體按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟動/停止控制、狀態(tài)點的置位/復(fù)位操作，利用設(shè)備的運行反饋信號實現(xiàn)控制信號的自鎖，有“本地”和“遠程”兩個控制地點。設(shè)備啟?？刂颇K的梯形圖如圖3所示。

4? 結(jié)構(gòu)化編程的效果

以射流預(yù)冷試驗器的控制系統(tǒng)程序為例，對比結(jié)構(gòu)化編程與線性化編程的不同效果。

結(jié)構(gòu)化編程共計54個程序段，使用了上述的5個功能模塊，共計被調(diào)用12次。其中，設(shè)備啟?？刂颇K調(diào)用次數(shù)最多，為5次。

在程序調(diào)試過程中，若需修改設(shè)備啟?？刂七壿?，在結(jié)構(gòu)化編程中只需對設(shè)備啟?？刂颇K進行1次修改，而線性化編程則需要對5處邏輯相同的程序段進行重復(fù)性的修改。結(jié)構(gòu)化編程相對于線性化編程，在實際的工程應(yīng)用中有更高的效率。

假如需要編寫另一個試驗設(shè)備的控制程序時，結(jié)構(gòu)化編程可以直接復(fù)制功能模塊庫并調(diào)用，只需為模塊內(nèi)的接口變量賦值即可。而線性化編程需要對程序段進行復(fù)制，并對程序內(nèi)的所有變量進行重新賦值，有大量的重復(fù)性工作，且容易出現(xiàn)錯漏。結(jié)構(gòu)化編程相對于線性化編程，在實際的工程應(yīng)用中有更低的錯誤率。

5? 結(jié)論與展望

實際上，在PLC的工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)化編程和功能模塊庫的概念很常見，但是在航空工業(yè)試驗設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計中，此方法并未大規(guī)模使用。本文以射流預(yù)冷試驗器為例，將結(jié)構(gòu)化編程思想應(yīng)用在該試驗器的控制系統(tǒng)設(shè)計中，取得了良好的效果。因此在航空工業(yè)試驗設(shè)備設(shè)計中推廣結(jié)構(gòu)化編程思想是很有必要的，并且本文提出的5個模塊是在實際的工程實踐中總結(jié)、優(yōu)化而產(chǎn)生的，考慮了不同場景、不同設(shè)備和不同控制目的的兼容性問題，具有一定的通用性，能為設(shè)計人員提升效率，降低錯誤率，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計和后期維護。

參考文獻：

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