發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)探析

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摘要:發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)目的是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器的噴霧場(chǎng)液滴直徑和速度的分布，評(píng)估噴注器噴射的霧化特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。為了達(dá)到簡(jiǎn)化操作流程，降低實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定可靠以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確，提出了一種基于S7-1500PLC和WinCC的發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)解決方案。通過(guò)PLC的通信口進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理等功能全部集成到WinCC中。測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)方便了相關(guān)研究人員從龐大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中快速提取和加工出與實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī);噴霧;可編程邏輯控制器;測(cè)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(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域和工程領(lǐng)域里的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展中都有著重要影響［1］。近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車行業(yè)以及航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)取得了令人驕傲的成就，同時(shí)也對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)提出了新的要求，主要的目標(biāo)就包括提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性、縮短研發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)制造成本等。噴注器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其技術(shù)性能決定了燃料、推進(jìn)劑的霧化混合效果［2］。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)功能完善的噴霧系統(tǒng)是保證準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器的噴霧場(chǎng)液滴直徑和速度的分布，評(píng)估噴注器噴射的霧化特性的重要措施。

1測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)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(jí)的分布式測(cè)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(dòng)化設(shè)計(jì)的新一代PLC，軟硬件功能強(qiáng)大，響應(yīng)速度快，控制精度高，運(yùn)用范圍廣。PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，有完整的軟硬件電磁兼容設(shè)計(jì)，抗擾能力強(qiáng)，可靠性優(yōu)于其他板塊插件式工控機(jī)。相較于插板式工控機(jī)，該系統(tǒng)可靠性高，工控機(jī)與測(cè)控子模塊實(shí)現(xiàn)了物理上的獨(dú)立，實(shí)時(shí)性更高，整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)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(jì)算機(jī)通信。測(cè)控系統(tǒng)軟件包括三個(gè)部分:上位機(jī)監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)、下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏畫面設(shè)計(jì)。上位機(jī)畫面采用西門子組態(tài)軟件WinCCV7．5進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、時(shí)間日期和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。下位機(jī)控制器編程使用STEP7V5．5作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(chǎng)觸摸屏畫面使用WinCCflexible2008進(jìn)行人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)。

2測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2．1開(kāi)發(fā)軟件介紹

本文使用WinCCV7．5實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)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(bào)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)接口、報(bào)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(cè)控界面

測(cè)控系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)功能，能對(duì)每個(gè)電磁閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制。自動(dòng)控制由計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝要求來(lái)控制，手動(dòng)控制由操作者操作測(cè)控柜上的啟停按鈕或者WinCC界面按鈕來(lái)控制。界面還包括了試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及計(jì)算結(jié)果展示區(qū)域等，用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。整個(gè)測(cè)控流程及測(cè)控界面如圖2所示。首先選擇預(yù)先制定的測(cè)試方案，然后啟動(dòng)流量控制，確認(rèn)流量滿足實(shí)驗(yàn)工況，接著啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。界面上有測(cè)試進(jìn)程顯示，測(cè)試結(jié)束會(huì)有彈框提示。

2．3測(cè)試方案制定

測(cè)試方案制定界面如圖3所示。首先是添加并選定需要進(jìn)行的測(cè)試方案，在敲定測(cè)試方案之后填寫測(cè)試工況相關(guān)參數(shù)，然后添加測(cè)試項(xiàng)并填寫測(cè)試項(xiàng)參數(shù)，最后再點(diǎn)擊確認(rèn)將測(cè)試方案保存到測(cè)試方案數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3數(shù)據(jù)處理

依據(jù)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)處理規(guī)范進(jìn)行室壓、流量等參數(shù)的計(jì)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(shí)值數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔最短為0．001s，常規(guī)情況下取值0．001s。時(shí)間區(qū)間為(－5，(ton+5))，單位為s。由于溫度參數(shù)對(duì)時(shí)間敏感度不高，所以對(duì)于溫度參數(shù)的全程段瞬時(shí)值數(shù)據(jù)時(shí)間間隔取值0．1s。穩(wěn)態(tài)試車的時(shí)間區(qū)間為(－1，(ton+1))，單位為s。其中ton為產(chǎn)品閥工作時(shí)間。

3．1室壓計(jì)算

室壓參數(shù)的計(jì)算包括計(jì)算平均值、全程段最大值Pc，max、啟動(dòng)段峰值Pc，sp及對(duì)應(yīng)時(shí)間tPc，sp。3．1．1平均值。產(chǎn)品閥得電時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，在(ts，(ton－0．2))的時(shí)間區(qū)間內(nèi)取平均值，按式(1)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)試車時(shí)需對(duì)室壓參數(shù)進(jìn)行零位修正。式中:Pc是室壓瞬時(shí)值，單位為MPa;Pcz是室壓零位，單位為MPa;PB為大氣壓實(shí)測(cè)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(shí)間，本文中所有ton定義均相同，單位為s;ts是平均值取值開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，本文中所有ts定義均相同，具體定義見(jiàn)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(shí)刻開(kāi)始，計(jì)算全程段室壓的最大值。3．1．3啟動(dòng)段峰值Pc，sp及對(duì)應(yīng)時(shí)間tpc，sp從產(chǎn)品閥得電時(shí)刻開(kāi)始，計(jì)算2s內(nèi)室壓的最大值，并計(jì)算出該最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間tPc，sp。

3．2入口壓力計(jì)算

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

3．3流量計(jì)算

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

4結(jié)束語(yǔ)

本文采用S7-1500PLC和WinCC組態(tài)軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)現(xiàn)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)流程可通過(guò)專用測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)自主定制、測(cè)試過(guò)程和相關(guān)物理量的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可視化展示和智能化分析等功能。通過(guò)設(shè)計(jì)達(dá)到簡(jiǎn)化操作流程，降低實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定可靠，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確，方便相關(guān)研究人員從龐大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中快速提取和加工出與實(shí)驗(yàn)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(xiàn):

［1］石璞，朱國(guó)強(qiáng)，李進(jìn)賢，等．液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)針?biāo)▏娮⑵黛F化燃燒技術(shù)研究進(jìn)展［J］．火箭推進(jìn)，2020，46(4):1－13．

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