發(fā)動機噴霧實驗系統(tǒng)測控軟件設(shè)計探析

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摘要:發(fā)動機噴霧實驗系統(tǒng)的建設(shè)目的是測量發(fā)動機噴注器的噴霧場液滴直徑和速度的分布，評估噴注器噴射的霧化特性，為發(fā)動機噴注器的優(yōu)化設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)支撐。為了達到簡化操作流程，降低實驗人員的勞動強度，保證實驗過程的穩(wěn)定可靠以及實驗數(shù)據(jù)的完整和準確，提出了一種基于S7-1500PLC和WinCC的發(fā)動機噴霧實驗系統(tǒng)的測控系統(tǒng)解決方案。通過PLC的通信口進行各個數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理等功能全部集成到WinCC中。測控系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計方便了相關(guān)研究人員從龐大的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)中快速提取和加工出與實驗相關(guān)的有意義的數(shù)據(jù)，加速研究成果轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞:發(fā)動機;噴霧;可編程邏輯控制器;測控系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理

0引言

噴注器噴射的霧化特性在動力機械領(lǐng)域和工程領(lǐng)域里的氣體燃料發(fā)動機、飛機發(fā)動機和火箭發(fā)動機的發(fā)展中都有著重要影響［1］。近年來，隨著我國汽車行業(yè)以及航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，動力系統(tǒng)研發(fā)取得了令人驕傲的成就，同時也對動力系統(tǒng)的研發(fā)提出了新的要求，主要的目標就包括提高發(fā)動機的性能和可靠性、縮短研發(fā)周期、降低設(shè)計制造成本等。噴注器作為發(fā)動機的核心部件，其技術(shù)性能決定了燃料、推進劑的霧化混合效果［2］。因此，設(shè)計一個功能完善的噴霧系統(tǒng)是保證準確測量發(fā)動機噴注器的噴霧場液滴直徑和速度的分布，評估噴注器噴射的霧化特性的重要措施。

1測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

測控系統(tǒng)主要是以西門子PLCS7-1500產(chǎn)品為主構(gòu)成的高可靠性、工業(yè)級的分布式測控系統(tǒng)，功能框圖如圖1所示。西門子S7-1500可編程邏輯控制器(PLC)是專為中高端和工廠自動化設(shè)計的新一代PLC，軟硬件功能強大，響應(yīng)速度快，控制精度高，運用范圍廣。PLC采用模塊化設(shè)計，有完整的軟硬件電磁兼容設(shè)計，抗擾能力強，可靠性優(yōu)于其他板塊插件式工控機。相較于插板式工控機，該系統(tǒng)可靠性高，工控機與測控子模塊實現(xiàn)了物理上的獨立，實時性更高，整個系統(tǒng)的可擴展性更好。采用工業(yè)以太網(wǎng)總線提高了通信的速度，并易于和其他計算機通信。測控系統(tǒng)軟件包括三個部分:上位機監(jiān)控界面開發(fā)、下位機PLC程序設(shè)計和觸摸屏畫面設(shè)計。上位機畫面采用西門子組態(tài)軟件WinCCV7．5進行界面開發(fā)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、故障報警、數(shù)據(jù)實時處理、時間日期和報表統(tǒng)計等功能。下位機控制器編程使用STEP7V5．5作為軟件開發(fā)環(huán)境，同時實現(xiàn)各個模塊的硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)通信、程序下載和程序調(diào)試［3］?，F(xiàn)場觸摸屏畫面使用WinCCflexible2008進行人機交互界面的開發(fā)。

2測控系統(tǒng)上位機畫面設(shè)計實現(xiàn)

2．1開發(fā)軟件介紹

本文使用WinCCV7．5實現(xiàn)上位機監(jiān)控界面開發(fā)，實現(xiàn)對現(xiàn)場過程的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制、可視化顯示和報表歸檔等功能。WinCC可以直接使用STEP7中的變量表，因此它具有很強的便利性與靈活性，使系統(tǒng)的生產(chǎn)效率更高。系統(tǒng)的組成部分包括:資源管理器、編程接口、消息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、Windows標準接口、報表系統(tǒng)和腳本處理系統(tǒng)等［4］，這些組成部分能夠協(xié)調(diào)工作。

2．2測控界面

測控系統(tǒng)具有手動/自動功能，能對每個電磁閥和電動調(diào)節(jié)閥進行手動和自動控制。自動控制由計算機根據(jù)工藝要求來控制，手動控制由操作者操作測控柜上的啟停按鈕或者WinCC界面按鈕來控制。界面還包括了試驗數(shù)據(jù)實時顯示及計算結(jié)果展示區(qū)域等，用于監(jiān)控數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。整個測控流程及測控界面如圖2所示。首先選擇預(yù)先制定的測試方案，然后啟動流量控制，確認流量滿足實驗工況，接著啟動實驗，待實驗結(jié)束存儲數(shù)據(jù)。界面上有測試進程顯示，測試結(jié)束會有彈框提示。

2．3測試方案制定

測試方案制定界面如圖3所示。首先是添加并選定需要進行的測試方案，在敲定測試方案之后填寫測試工況相關(guān)參數(shù)，然后添加測試項并填寫測試項參數(shù)，最后再點擊確認將測試方案保存到測試方案數(shù)據(jù)庫中。

3數(shù)據(jù)處理

依據(jù)姿軌控發(fā)動機試車數(shù)據(jù)處理規(guī)范進行室壓、流量等參數(shù)的計算處理。壓力、流量等參數(shù)常規(guī)數(shù)據(jù)采集速率為1kHz，所有全程段瞬時值數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)時間間隔最短為0．001s，常規(guī)情況下取值0．001s。時間區(qū)間為(－5，(ton+5))，單位為s。由于溫度參數(shù)對時間敏感度不高，所以對于溫度參數(shù)的全程段瞬時值數(shù)據(jù)時間間隔取值0．1s。穩(wěn)態(tài)試車的時間區(qū)間為(－1，(ton+1))，單位為s。其中ton為產(chǎn)品閥工作時間。

3．1室壓計算

室壓參數(shù)的計算包括計算平均值、全程段最大值Pc，max、啟動段峰值Pc，sp及對應(yīng)時間tPc，sp。3．1．1平均值。產(chǎn)品閥得電時刻為時間零點，在(ts，(ton－0．2))的時間區(qū)間內(nèi)取平均值，按式(1)計算。穩(wěn)態(tài)試車時需對室壓參數(shù)進行零位修正。式中:Pc是室壓瞬時值，單位為MPa;Pcz是室壓零位，單位為MPa;PB為大氣壓實測值，單位為MPa;Pc是穩(wěn)態(tài)室壓數(shù)據(jù)平均值，單位為MPa;ton是產(chǎn)品閥工作時間，本文中所有ton定義均相同，單位為s;ts是平均值取值開始時間點，本文中所有ts定義均相同，具體定義見表1，單位為s;S為采樣速率，本文中所有S定義均相同，單位為Hz。3．1．2全程段最大值。Pc，max從產(chǎn)品閥得電時刻開始，計算全程段室壓的最大值。3．1．3啟動段峰值Pc，sp及對應(yīng)時間tpc，sp從產(chǎn)品閥得電時刻開始，計算2s內(nèi)室壓的最大值，并計算出該最大值對應(yīng)的時間tPc，sp。

3．2入口壓力計算

穩(wěn)態(tài)試車的入口壓力只計算平均值，平均值區(qū)間為(ts，(ton－0．2))。按下式計算:式中:Pi是穩(wěn)態(tài)入口壓力數(shù)據(jù)瞬時值，雙組元時為Pio、Pif，單組元時為Piv，單位為MPa;Pi是穩(wěn)態(tài)入口壓力數(shù)據(jù)平均值，雙組元時為Pio、Pif，單組元時為Piv，單位為MPa。

3．3流量計算

穩(wěn)態(tài)試車的流量參數(shù)只計算平均值，均值區(qū)間為(ts，(ton－0．2))。按下式計算:式中:qm是穩(wěn)態(tài)流量數(shù)據(jù)瞬時值(質(zhì)量流量)，雙組元時為qmo、qmf，單組元時為qmm，單位為g/s;qm為穩(wěn)態(tài)流量數(shù)據(jù)平均值(質(zhì)量流量)，雙組元時為qmo、qmf，單組元時為qmm，單位為g/s。3．4溫度計算溫度的計算分為兩種，一種是起動時刻瞬時值Ts，一種是全程段最大值Tmax。Ts的計算方法為從產(chǎn)品閥得電時刻各個溫度的瞬時值;Tmax計算方法為從產(chǎn)品閥得電時刻開始，計算全程段溫度的最大值，并記錄達到該數(shù)值的的時間點，記為tT，max。

4結(jié)束語

本文采用S7-1500PLC和WinCC組態(tài)軟件對發(fā)動機噴霧試驗系統(tǒng)測控系統(tǒng)進行設(shè)計研究，實現(xiàn)了對溫度、壓力、流量等環(huán)境及系統(tǒng)參數(shù)的采集與處理分析;實現(xiàn)了整個實驗過程自動化、實驗流程可通過專用測控軟件實現(xiàn)自主定制、測試過程和相關(guān)物理量的可視化實時監(jiān)控、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)持久化存儲、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可視化展示和智能化分析等功能。通過設(shè)計達到簡化操作流程，降低實驗人員的勞動強度，保證實驗過程的穩(wěn)定可靠，保證實驗數(shù)據(jù)的完整和準確，方便相關(guān)研究人員從龐大的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)中快速提取和加工出與實驗相關(guān)的有意義的數(shù)據(jù)，加速研究成果轉(zhuǎn)化效率。

參考文獻:

［1］石璞，朱國強，李進賢，等．液體火箭發(fā)動機針栓噴注器霧化燃燒技術(shù)研究進展［J］．火箭推進，2020，46(4):1－13．

［2］王婕，余永剛，劉焜．HAN基液體推進劑噴霧場液滴尺寸分布的簡化模型［J］．火炸藥學(xué)報，2016，39(3):84－88．

［3］菲力浦·蘇爾曼，約翰·福斯特，羅爾夫·帕德魯特，等．用于燃氣輪機噴霧和強化噴霧系統(tǒng)中的旋流壓力噴嘴的霧化特性［J］．燃氣輪機技術(shù)，2003，16(4):69－71．

［4］李勇．基于S7-1200PLC和WinCC的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)［J］．電氣自動化，2020，42(4):66－68．

作者:葉夢陽 朱凌云 單位:東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院