時間:2019年02月16日 分類:電子論文 次數(shù):
下面文章通過梳理大型氣候環(huán)境實驗室工藝系統(tǒng)組成,分析了試驗任務(wù)對試驗過程控制、試驗測試、數(shù)據(jù)管理、試驗監(jiān)控和試驗信息展示等多方面需求,明確了綜合控制管理系統(tǒng)功能,進行系統(tǒng)劃分。綜合運用當下主流的工業(yè)自動化過程控制方式,進行了實驗室綜合管控系統(tǒng)設(shè)計。搭建了實驗室的綜合控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),定義了網(wǎng)絡(luò)通訊方式。
關(guān)鍵詞:氣候環(huán)境實驗室,控制管理系統(tǒng),功能需求,系統(tǒng)架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
大型氣候環(huán)境實驗室是一套大型的人工復(fù)合氣候環(huán)境綜合模擬設(shè)施,可實現(xiàn)對高溫、低溫、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、太陽輻射、降霧和吹風等典型自然環(huán)境或極端氣候的模擬,滿足飛機在整機平臺上驗證氣候環(huán)境適應(yīng)性,保證其在復(fù)雜氣候條件下的飛行安全[1]。氣候環(huán)境實驗室占地約5000m2,容積達13萬m3,設(shè)置有20余套獨立工作的工藝系統(tǒng),可模擬的自然氣候環(huán)境多達11種。
實驗室綜合控制管理系統(tǒng)作為氣候環(huán)境模擬管理和氣候環(huán)境試驗實施的綜合化總控中心,通過協(xié)調(diào)控制各個工藝系統(tǒng)的運行,來執(zhí)行飛機整機等被試件在實驗室氣候環(huán)境下的單項環(huán)境模擬試驗或復(fù)合環(huán)境模擬試驗,完成試驗信息發(fā)布,試驗任務(wù)配置,試驗過程監(jiān)控,試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、上傳和分析以及試驗資源的管理等,以滿足實驗室氣候環(huán)境試驗全過程的控制管理和測試任務(wù)需要[2-3]。
由于實驗室工藝設(shè)備繁雜,布位分散,協(xié)調(diào)工作復(fù)雜程度高,有必要通過梳理各工藝系統(tǒng)組成和氣候環(huán)境試驗流程,并結(jié)合當下主流的、先進的工業(yè)過程控制技術(shù),設(shè)計出一種能夠支持試驗高效可靠進行的綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
1綜合控制管理系統(tǒng)功能
大型氣候環(huán)境實驗室內(nèi)氣候環(huán)境模擬試驗的實施主要由基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)和綜合控制管理系統(tǒng)三部分的聯(lián)合運行而展開。其中基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)提供了可進行環(huán)境室內(nèi)空氣溫度、濕度、壓力模擬的各項基本設(shè)施[4],主要包括空氣處理及集成控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、新風系統(tǒng)等。
特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)包含淋雨試驗?zāi)M系統(tǒng)、太陽輻照試驗?zāi)M系統(tǒng)、降雪試驗?zāi)M系統(tǒng)、噴霧試驗?zāi)M系統(tǒng)、吹風試驗?zāi)M系統(tǒng)、積冰/凍雨試驗?zāi)M系統(tǒng),并輔以水、氣聯(lián)合控制系統(tǒng),用于實現(xiàn)對雨、雪、風、霧等各種特殊氣候環(huán)境的模擬。
綜合控制管理系統(tǒng)則是進行實驗室管理和實施氣候環(huán)境模擬試驗的指揮中心,負責協(xié)調(diào)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)和特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的運行,共同完成飛機在環(huán)境室內(nèi)的高溫、高寒、濕熱、吹風、降雨、風吹雨/雪、降霧、結(jié)冰、太陽輻照、發(fā)動機地面開車等氣候環(huán)境單項試驗和復(fù)合試驗的配置、控制與管理,實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析和試驗過程監(jiān)控、實驗室安全保護、實驗室資源管理等[5]。這些模塊保證了實驗室綜合控制管理系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能。
1)綜合管理。綜合管理包括資源管理、試驗管理和數(shù)據(jù)中心管理,對象涵蓋實驗室全部計算機設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制設(shè)備、測試儀表、執(zhí)行器以及系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件及在試驗全過程發(fā)生的各類數(shù)據(jù)。
2)控制/監(jiān)視。控制是指對整個試驗過程的指揮調(diào)度,包括試驗流程的編制、不同試驗項目的工藝系統(tǒng)配備、試驗自檢、試驗中斷、系統(tǒng)配電等。各工藝系統(tǒng)能夠根據(jù)試驗進行情況進行遠程控制和本地控制的實時切換。監(jiān)視是指在試驗進行的各個階段,分別對實驗室和試驗件的運行狀態(tài)以及實驗室內(nèi)各個工藝設(shè)備的電力運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)視。主要內(nèi)容包括實驗室環(huán)境視頻監(jiān)視、試驗件視頻監(jiān)視、工藝流程監(jiān)視和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)視等。
3)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是對試驗過程中環(huán)境室氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、試驗設(shè)備運行數(shù)據(jù)及試驗件響應(yīng)數(shù)據(jù)進行獲取、處理和分析。實現(xiàn)試驗過程全部數(shù)據(jù)和文件的存儲與管理,提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)、文件服務(wù)、打印服務(wù)等。
4)安全保護。監(jiān)視參與試驗的各工藝系統(tǒng)PLC控制器的運行狀態(tài),實施安全保護策略。
5)人員通信。試驗進行的各個階段,為實驗室工作提供必須的廣播通訊。
6)信息展示與仿真。通過試驗過程的全景顯示畫面對實驗室能力進行全方位介紹,具備為客戶提供能夠在試驗室外身臨其境感受試驗過程的功能[5]。
2常見的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
目前,在工業(yè)自動化過程控制中有三大控制系統(tǒng),即PLC\DCS和FCS。長期以來,PLC始終處于工業(yè)自動化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場,為各種各樣的自動化設(shè)備提供非常可靠的控制方案,通過數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)執(zhí)行邏輯運算,順序控制。
其承載能力較弱,常用于小型控制系統(tǒng);分散控制系統(tǒng)DCS是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)于一身,對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)視、操作、管理和分散控制,構(gòu)建一個完整的集散控制體系,著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。具有計算機控制系統(tǒng)控制算法先進、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點。其承載能力較好,多用于中、大規(guī)模的連續(xù)過程控制。
基于現(xiàn)場總線的FCS是3C(CommunicationComputerControl)技術(shù)的融合,由PLC和DCS的發(fā)展而來,是當今世界上最新型的全數(shù)字化、全分散、全開放的生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng),可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設(shè)備中。由于從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器都是數(shù)字信號,所以能夠處理更復(fù)雜、更精準的信號。
其承載能力最強,適用于大型控制系統(tǒng)或特大型控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng),重點在于控制,它以“分散”作為關(guān)鍵字,各公司產(chǎn)品基本不兼容。氣候?qū)嶒炇腋赜谌到y(tǒng)信息綜合管理,“綜合”是其關(guān)鍵字,不但要求最底層的實時控制、優(yōu)化控制,未來還要上升到向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發(fā)展,形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統(tǒng)。FCS系統(tǒng)作為開放式系統(tǒng),不同廠商、不同品牌的各種產(chǎn)品基本能同時連入同一現(xiàn)場總線,可達到最佳的系統(tǒng)集成[6-11]。
3面向?qū)嶒炇业木C合控制管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
大型氣候?qū)嶒炇倚柙谕粋環(huán)境室內(nèi)模擬11種不同的典型氣候環(huán)境,涉及的工藝系統(tǒng)多達20個,每套工藝系統(tǒng)又由數(shù)個工藝設(shè)備組成,均有自己獨立的PLC控制,控制算法各不相同。加之氣候環(huán)境試驗過程并非一個完全自動化的過程,整個試驗周期需要邊調(diào)試、邊試驗、邊檢查,試驗過程會因為許多干擾因素而中斷或者反復(fù)。
鑒于以上原因,綜合控制管理系統(tǒng)采用了雙網(wǎng)加環(huán)網(wǎng)的設(shè)計思路,對PLC\DCS\FCS三大控制系統(tǒng)進行綜合運用[12-17],形成了“分散控制、集中管理、數(shù)據(jù)共享”的集散型控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),凸顯了實驗室控制管理系統(tǒng)的特點和設(shè)計的先進性。其主干網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余星形千兆以太網(wǎng),可實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間大量數(shù)據(jù)的交互。這種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一層冗余功能,即當網(wǎng)絡(luò)中某一信道或者單臺交換機/工作站發(fā)生故障時,系統(tǒng)會在不影響其他系統(tǒng)工作的情況下自動進行傳輸路徑的切換,網(wǎng)絡(luò)會重新構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu),從而維持整個系統(tǒng)正常運行。
該系統(tǒng)架構(gòu)綜合考慮了實驗室工藝設(shè)備多、放置區(qū)域分散、相互間距離較遠的實際狀況,本著便于試驗調(diào)試和操作方便靈活,確保試驗?zāi)軌虬踩\行、測試數(shù)據(jù)可靠有效等多方面出發(fā),使實驗室綜合控制管理系統(tǒng)具備如下特性:成熟性和先進性,成熟的基礎(chǔ)平臺和先進的智能優(yōu)化技術(shù);易用、易維護性,綜合化試驗平臺和故障快速定位與糾錯;安全性,網(wǎng)絡(luò)運行安全、數(shù)據(jù)傳輸安全。
可靠性,冗余機制與容錯機制兼?zhèn)洌哂懈咝У脑囼炦\行成功率;可擴展性,系統(tǒng)容量可擴展、數(shù)據(jù)類型可擴展、通訊接口可擴展;節(jié)能,自動優(yōu)化試驗方案,降低試驗?zāi)芎暮统杀?經(jīng)濟型,較高的性價比指數(shù)。此外,還設(shè)置了一套安全控制系統(tǒng)(也稱安全控制器)。該系統(tǒng)采用經(jīng)IEC-61511認證的控制設(shè)備,運行獨立的監(jiān)控和處理程序,對實驗室試驗過程關(guān)鍵參數(shù)全程監(jiān)控,接收試驗中各系統(tǒng)的故障信號,定義系統(tǒng)級的聯(lián)鎖開關(guān)邏輯,保證工藝流程中相關(guān)聯(lián)的工藝系統(tǒng)安全。
當出現(xiàn)威脅人身安全、危及實驗室建筑結(jié)構(gòu)等緊急事件時,發(fā)送系統(tǒng)設(shè)備急停指令,避免出現(xiàn)人員傷亡、設(shè)備損壞和建筑物破壞等安全事故。安全控制系統(tǒng)隸屬于實驗室綜合控制管理系統(tǒng),但不參與試驗過程控制和管理。當且僅當出現(xiàn)安全事件時,它具有更高的優(yōu)先級,執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的安全策略。
3.1系統(tǒng)架構(gòu)
實驗室綜合控制管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)從上到下分為三層:中央管理層、現(xiàn)場控制層和現(xiàn)場設(shè)備層[16]。
1)中央管理層,提供人機操作界面的最頂層系統(tǒng)。利用中央控制軟件進行控制指令的發(fā)送和實驗室狀態(tài)的監(jiān)控,以及將現(xiàn)場反饋信息整合起來,供用戶分析決策。協(xié)調(diào)基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)和各特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的工作,實現(xiàn)氣候環(huán)境試驗的配置、監(jiān)控和管理。對氣候環(huán)境試驗數(shù)據(jù)進行采集和分析,具有試驗配置、試驗過程監(jiān)控、試驗指揮、全景展示、大屏顯示、視頻監(jiān)控、配電管理、網(wǎng)絡(luò)授時、數(shù)據(jù)服務(wù)、會議傳輸?shù)裙δ堋?/p>
2)過程控制層。進行各子系統(tǒng)功能控制的實際執(zhí)行機構(gòu),主要包括各類現(xiàn)場控制器和相應(yīng)的管理控制上位機。其上運行自動控制算法,用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測與控制,接收中央管理層的命令,并向中央管理層傳遞實時數(shù)據(jù)。由基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)和安全控制環(huán)網(wǎng)組成。
基礎(chǔ)環(huán)模模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上掛設(shè)制冷系統(tǒng)、載冷載熱系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、循環(huán)風系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)的PLC控制器,均通過一臺核心控制器協(xié)調(diào),實現(xiàn)環(huán)境室溫度、濕度、壓力的控制。特殊環(huán)模系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上包括太陽輻照系統(tǒng)控制器、吹風系統(tǒng)控制器、水系統(tǒng)控制器、凍雨/降霧系統(tǒng)控制器、淋雨系統(tǒng)控制器、發(fā)動機開車補氣系統(tǒng)控制器、結(jié)冰凍云系統(tǒng)控制器等。
依據(jù)不同的氣候環(huán)境試驗項目,這些控制器分別獨立或聯(lián)合與基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器協(xié)調(diào)工作。安全控制網(wǎng)絡(luò)是一個獨立的環(huán)網(wǎng),基礎(chǔ)環(huán)模和各個特殊環(huán)模的控制器分別與之相連,其運行獨立的PLC控制程序。
3)現(xiàn)場設(shè)備層。包括環(huán)境模擬系統(tǒng)的測試儀表、執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備。它們以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的形式掛在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上,依照統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議,完成數(shù)據(jù)采集、I/O轉(zhuǎn)換、PID控制等各種功能[18]。
3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
氣候環(huán)境實驗室綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由中央管理層網(wǎng)絡(luò)、過程控制層網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成,各網(wǎng)絡(luò)的功能如下所述[17-18]。
1)中央管理層網(wǎng)絡(luò)。用于連接中央管理層的各上位機工作站、服務(wù)器、打印機,各設(shè)備空間距離近,需進行大量的數(shù)據(jù)傳輸,采用星形千兆以太網(wǎng)。
2)過程控制層網(wǎng)絡(luò)。用于連接過程控制層的控制器(包括基礎(chǔ)環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器及安全控制器),將控制器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍芾韺泳W(wǎng)絡(luò)。由于過程控制層網(wǎng)絡(luò)上的各設(shè)備空間位置分散,故該網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形Profinet工業(yè)以太網(wǎng),支持OPC通訊機制,物理傳輸介質(zhì)采用光纖,以提高數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和可靠性。
3)現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。PLC控制器及遠程I/O模塊之間采用Profibus-DP總線連接,遠程I/O模塊和現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器之間采用一對一的電纜連接。
4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,采用星形千兆以太網(wǎng),即用一臺交換機連接各個采集終端和數(shù)據(jù)采集工作站。該交換機同時連接在中央管理層的兩個核心交換機上,實現(xiàn)整個控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。
4結(jié)語
通過梳理氣候環(huán)境實驗室工藝系統(tǒng)組成及開展氣候環(huán)境模擬試驗對綜合控制管理系統(tǒng)的功能需求,綜合考慮各系統(tǒng)功能及其設(shè)備設(shè)置,從試驗運行可行性、完整性和系統(tǒng)可靠性、安全性、可擴展性及技術(shù)先進性出發(fā),搭建了適用于多種氣候環(huán)境模擬試驗進行的實驗室綜合控制管理系統(tǒng)架構(gòu)和適用于全部子系統(tǒng)/設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通訊方式,組成了一個集指揮調(diào)度、試驗過程控制、實驗室運行監(jiān)控等多種功能相結(jié)合的信息網(wǎng)絡(luò)。以此為依據(jù),綜合控制管理系統(tǒng)各個功能模塊將按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議和通訊機制開展深化設(shè)計。
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