PLC在射流预冷试验器中的应用

PLC在射流预冷试验器中的应用

王晓宇，周易，高杨

中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015

摘要：作为改善航空涡轮喷气发动机高空高速高性能的技术之一，射流预冷技术已经广泛应用在航空领域的试验和研究中。为满足射流预冷试验的需求，射流预冷试验器的测控系统必不可少。使用可编程逻辑控制器（PLC）设计测控系统，本文主要讲的内容为PLC在射流预冷试验器中的应用。

关键词：射流预冷；试验；测控系统；PLC；

1 引言

射流预冷（Mass Injection and Pre-Compressor Cooling，MIPCC）是在20世纪50年代由美国研究提出的推进概念，其最初设计的目的是为了推动高速战斗机越过Ma3，应对来自前苏联高速轰炸机的威胁，后续研究提出了射流预冷却涡轮发动机概念（Steamjet），并开展了不间断的技术研究和验证。近几年，国内航空工业院所对射流预冷技术的研究日臻完善、逐渐深入，并建立射流预冷试验器对该技术予以验证^1。

射流预冷试验器测控系统使用的PLC软件是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC有大有小，所以它的控制范围也可大、可小小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一个试验器，以至于整个试验厂房。可以说，工业试验控制的大小场合都离不开PLC。

2 试验器中的具体应用

2.1用于开关量控制

PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点，由于它能扩展，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制，所控制的逻辑问题可以是多种多样的：试验设备组合控制、控制时序操作、即时响应、延时响应、不需计数的试验、需要计数的试验、固定顺序的试验操作、随机试验等等，都可进行。

PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时可编写多套或多组程序，依需要调用。它很适合于射流预冷试验现场多工况、多状态变换的需要。

所以PLC在射流预冷试验器中首要的应用，也是别的控制工具无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

2.2 用于模拟量控制

射流预冷试验器中需要的模拟量如电流、电压、温度、压力、流量等等，它的大小是连续变化的。工业试验，特别是射流预冷试验器这种技术原理是在常规涡轮发动机的风扇/压气机前，加装喷射冷却介质（通常是水或水的混合液）的装置，通过介质的喷射、雾化和蒸发效果以冷却进气道中较高温度的气流，使进入风扇/压气机前的气流总温降低或维持在某一温度，从而使发动机在可承受的进口气流温度下工作，进而实现发动机工作范围的扩展的连续型试验过程，常要对这些物理量进行控制^2。

PLC进行模拟量控制时，要配置有模拟量与数字量相互转换的A/D、D/A单元。A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入PLC；D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。

这里A/D中的A，多为电流，或电压，也有温度（例如热电偶）。D/A中的A，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为0V-5V，0V-10V，4mA-20mA，有的还可以处理正负值。PLC进行模拟量控制的优点是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制，这个优点是别的控制器所不具备的。

2.3用于数据采集

随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。庞大的数据存储区（DM区）可以存储大量数据。数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。

PLC的存储区及功能如下：

1）输入过程映像寄存器（I）：在扫描循环的开始，操作系统从射流预冷试验现场读取控制按钮、行程开关及各种传感器等送来的输入信号，并存入输入过程映像寄存器。

2）输出过程映像寄存器（Q）：在扫描循环期间，逻辑运算的结果存入输出过程映像寄存器。在循环扫描结束前，操作系统从输出过程映像寄存器读出最终结果，并将其传送到数字量输出模块，直接控制试验现场的指示灯、接触器、执行器等控制对象。

3）位存储器（M）：位存储器与PLC外部对象没有任何关系，其功能类似于继电器控制电路中的中间继电器，主要用来存储程序运算过程中的临时结果，可为编程提供无数量限制的触点，可以被驱动但不能直接驱动任何负载。

4）外部输入寄存器（PI）：可以通过外部输入寄存器直接访问模拟量输入模块，以便接收来自射流预冷试验现场的模拟量输入信号。

5）外部输出寄存器（PQ）：可以通过外部输出寄存器直接访问模拟量输出模块，以便将模拟量输出信号送给射流预冷试验现场的执行器。

6）数据块寄存器（DB）：用于存储所有数据块中的数据，最多可以同时打开一个共享数据块DB和一个背景数据块DI。

2.4用于信号监控

PLC自检信号可以用来进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。对于射流预冷试验器这种复杂的控制系统，特别是一些执行器需要自动控制的情况，监控以至进一步的能自诊断是非常必要的。射流预冷试验器的测控系统设计了若干故障反馈信号和异常报警功能，它可以及时提示试验运行产生的故障，出了故障也便于现场人员排查，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。直接的提高了试验效率并大幅降低了人员维护的成本。

2.6用于系统间的通讯

PLC通讯能力很强，不断有新的现场总线和通讯协议推出。可实行一台计算机控制与管理多台PLC，最多可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多的对PLC控制系统的监控。在射流预冷试验器中设计一台计算机作为远程操作的上位机与PLC通讯，又设计PLC与试验现场的测试系统通讯，更好的进行数据交互，提高试验效率。

PLC与PLC也可通讯，可一对一PLC通讯，可几个PLC通讯，可多到几十、几百。但是射流预冷试验器的测控系统没有设计多个PLC通讯，此处随着试验的进行可做调整。

PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。可联接成远程控制系统，可组成局部网，可用总线网，也可用环形网，网还可以套网。联网、通讯可使工业控制从点到线再到面，使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体。射流预冷试验器的变频水泵使用了西门子的型号为6SL3220-3YD46-0CB0，AC380V，110KW的变频器，与PLC进行通讯，交换数据，本地远程两种方式可切换操作。

3 结束语

使用PLC设计的射流预冷试验器测控系统已经通过设计验证，在调试过程中显示出了可靠性高、功能完善、适用性强、维护方便的优点。有助于射流预冷试验器更好的完成试验任务，为技术推进和后续深入的研究提供坚实的基础。

参考文献

[1] 芮长胜，张超，越冬峰. 射流预冷涡轮发动机技术研究及发展[J].航空科学技术，2015(10):53-59.

[2] 商旭升，蔡元虎，肖洪.射流预冷却涡轮基发动机的技术研究[J].弹箭与制导学报，2004(S4):335-337.