暂冲式射流风洞安全关车控制系统及应用方法与流程

1.本发明涉及航空航天风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种基于现场总线和网络化开放式集散系统，用于保证暂冲式射流风洞安全运行而设计的暂冲式射流风洞安全关车控制系统及应用方法。


背景技术：

2.在风洞试验过程中，为了保障风洞试验安全进行，需要设计风洞运行安全关车控制方法并对风洞关键信号进行实时监测，当风洞运行过程中出现异常状况时，需要根据实际情况自动执行或人工执行相应安全关车操作。针对大型特种风洞不同型号试验需求及复杂运行工况，关车时涉及到的风洞设备及其安全关车控制策略不同，导致安全关车控制方法设计复杂。
3.现有的安全关车控制方法仅针对常规生产型风洞进行一体化设计，无法保证安全关车控制策略适用于特种试验特殊运行工况；对于试验舱空间大、适应能力强、容许模型堵塞度大的高速自由射流风洞，试验工况复杂，不同类型试验中参与的执行机构不同，因此需要重新设计风洞试验安全关车控制方法，保证风洞安全联锁与状态监控策略能够对设备关键信号进行实时监测并确保风洞安全关车控制策略具有普适性。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种暂冲式射流风洞安全关车控制系统，包括：与风洞安全关车控制相配合的多个执行机构；通过现场总线技术将功能分散的各执行机构进行连接的多个子系统；通过网络将各子系统进行集成管理的主系统；其中，各执行机构被配置为采用总阀、快速阀、调压阀、半挠性喷管、四自由度机构中的一种或几种；各执行机构均被配置为采用液压驱动或电动缸驱动。
6.优选的是，还包括安全联锁与状态监控系统，其被配置为包括状态监控单元和安全联锁控制单元，所述状态监控单元包括：对各执行机构工作状态进行监测的检测机构ⅰ；对气源、稳定段、集气室压力进行检测的检测机构ⅱ；对主管路和/或引射管路的总阀、快速阀、调压阀，前后端压力分别进行采集的检测机构ⅲ；用于对风洞内是否有人进行监测的检测机构ⅳ；用于对急停按钮或洞内有人按钮状态进行监测的检测机构
ⅴ
；
所述联锁控制单元包括：与各检测机构、主系统、子系统通信连接的plc；其中，所述plc还通过硬件逻辑电路与主管路、引射管路的快速阀连接，且所述主管路和引射管路的快速阀均具有失电自行关闭功能。
7.一种暂冲式射流风洞安全关车控制系统的应用方法，基于风洞运行过程中引发各类故障的危害程度进行分级，在风洞运行时，主系统基于不同故障所对应的分级结果，采用三级关车联锁控制策略进行关车控制。
8.优选的是，所述三级关车联锁控制策略包括：通过主系统先控制执行机构操作模型支撑机构回零，再关闭阀门系统实现风洞安全关车的一级关车模式；在主系统出现故障无法关车时，通过联锁控制单元的plc控制器先控制模型机构回零，再关闭阀门系统实现风洞安全关车的二级关车模式；在故障会威胁到设备和人员安全，或主系统和联锁控制单元因故障均无法实施关车操作时，通过急停按钮、硬件逻辑电路直接关闭主管路、引射管路上快速阀，以实现设备关车的三级关车模式。
9.优选的是，所述关车控制流程被配置为包括：s1、在试验准备过程中，状态监控单元实时监测和各系统之间的网络连接状态，并接收主系统发送的就绪主信号作为允许开车的判定条件之一，对于试验中未参与的执行机构，可通过联锁设置屏蔽相应的状态信号检测，从而优化试验安全控制流程；s2、试验开始前，各子系统进行试验准备并进行自检，自检通过后各子系统发送对应的子系统就绪信号至安全联锁控制单元，并对接收的信号进行检查，根据试验条件，设置允许开车联锁关系，自动判断是否具备开车条件；主系统满足开车条件时，通过联锁控制单元向调度系统发送开车申请，申请开车通过后才允许主系统按照预定开车时序执行开车操作；s3、状态监控单元自检通过后，发送准备就绪信号给主系统，开始吹风试验；s4、在试验过程中，系统基于状态监控单元的以下检测结果执行相应的关车操作：在检测到急停按钮或洞内有人按钮按下时，触发硬件电路执行三级关车操作；状态监控单元在风洞稳定段、引射器集气室电接点压力表压力大于设定值时，触发硬件电路执行三级关车操作，否则plc接管风洞运行控制权限，在检测到关车信号后，进行二级关车，引导联锁控制单元按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，则由操作人员根据试验情况触发急停按钮，执行三级关车操作；状态监控单元在检测到回零关车信号后，由主系统执行一级关车操作；若一级关车操作失效，则由plc接管风洞运行控制权限，进行二级关车，引导联锁控制单元按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，则由操作人员根据试验情况触发急停按钮，执行三级关车操作；状态监控单元在检测到子系统发送的预警信号后，通过安全联锁岗位的操作人员指导主系统进行相应关车动作；状态监控单元在检测到子系统发送的报警信号后，由主系统执行一级关车或由操作人员按下急停按钮执行三级关车；
状态监控单元在检测到半挠性喷管系统发送的柔壁故障信号后，由主系统执行一级关车；s5、试验正常结束后，操作员通过核心控制系统操作界面或者测控间控制台“回零关车”按钮下达关车命令，核心控制系统按照正常关车流程逐一操作相关测控设备，实现风洞正常关车。
10.本发明至少包括以下有益效果：本发明通过在进行不同的特种试验运行时，涉及的所有关键设备状态的集中监测和控制，并根据实际情况针对故障及异常状态自动执行或人工执行相应安全关车操作，防止试验过程中出现因设备准备条件不足或风洞洞体、试验模型及测控系统设备状态异常等引发的不安全因素，造成人身或设备出现损害。
11.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
12.图1为本发明的三级关车联锁控制流程图；图2为本发明的一个实施例中风洞安全关车控制流程图。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
14.针对暂冲式亚跨超声速射流风洞复杂试验运行工况及较高危险系数,本发明提供一种基于现场总线和网络化的开放式集散系统的暂冲式射流风洞安全关车控制系统，通过风洞安全联锁与状态监控系统对风洞安全关车时涉及的所有关键设备状态的集中监测和控制，并根据实际情况针对故障及异常状态自动执行或人工执行相应安全关车操作，防止试验过程中因设备准备条件不足或风洞洞体、试验模型及测控系统设备状态异常等引发的不安全因素对风洞试验、参试人员产生不必要的损失和伤害，实现风洞运行安全关车控制。
15.本发明暂冲式射流风洞安全关车控制系统将风洞运行安全关车控制方法涉及到的硬件部分包括：总阀、快速阀、调压阀、半挠性喷管、四自由度机构、油源、辅助设备等。而总阀、快速阀、调压阀、半挠性喷管和四自由度机构这些执行机构均采用液压驱动，辅助设备采用电动缸或液压驱动。本方案的风洞安全关车控制系统是基于现场总线和网络化的开放式集散系统，按照“功能分散，指挥集中”设计思路，整个系统将上述装置包装为多个功能分散的子系统；安全联锁控制系统通过 profinet实时以太网技术对各子系统运行状态进行监控，并通过硬件连接方式对各子系统关键信号进行监控（就绪/故障信号、关键部段的开关状态以及关键部段压力等），确保网络发生异常时，可以通过硬件连接方式向关键控制系统发送停车命令，确保风洞安全关车。各子系统自身具有完备的安全联锁控制能力，在运行中对自身设备进行联锁控制，保证自身设备安全。针对风洞运行过程可能出现的各种故障，对这些故障按照危害程度不同进行合理分类，采用三级关车联锁控制策略，使得系统兼顾安全性、可靠性以及经济性。
16.安全联锁控制系统接受试验运行管理计算机下达的开车命令和参数，网络系统通过现场总线技术以profinet以太网通讯方式进行数据交互、指挥风洞安全联锁及状态监控
plc完成开车前的准备工作，包括开车前的安全联锁检查、开车后的安全联锁监控等。为防止异常关车时测控系统之间信息交互丢失，影响风洞试验的安全开展，安全联锁与状态监控系统采用额外的传感器采集气源、主/引射快速阀前、主/引射调压阀前、稳定段和集气室压力作为安全联锁监控信号，能够有效防止核心系统因异常情况丢失对关键信息的采集，进而威胁试验安全。图1为本发明的三级关车联锁控制原理图。
17.一级关车是由主系统先控制模型支撑机构回零再关闭阀门系统的关车形式，可以防止试验异常影响模型安全。风洞运行过程中，核心主系统负责完成系统的开车/关车流程以及各子系统调度；安全联锁与状态监控系统仅将各个系统和各个受控设备运行状态和故障状态报告核心控制系统，核心控制系统根据故障情况采取相应措施；当需要关车时，核心控制系统先通知四自由度机构控制系统控制支撑机构回零，再关闭阀门系统，实现风洞安全关车。
18.二级关车是由安全联锁控制系统实现的先控制模型机构回零再关闭阀门系统的关车形式。当核心控制系统出现故障无法一级关车时，可触发二级关车信号，由安全联锁与状态监控系统实施关车操作。二级关车过程中，安全联锁与状态监控系统切断核心控制系统对迎角机构、侧滑角机构、快速阀、调压阀的控制权限，通过其自身的控制通道先控制四自由度机构控制系统回零，再依次关闭主管路和引射管路的调压阀和快速阀，实现设备关车。相比于一级关车，二级关车具备更高的优先权和独立的控制通道，能够确保在核心系统故障时，依然能够通过安全联锁与状态监控系统实施关车操作。
19.三级关车是在出现严重故障可能威胁到设备和人员安全的情况，或者核心控制系统和安全联锁控制系统故障均无法实施关车操作时，通过急停按钮和硬件逻辑电路直接关闭主管路、引射管路上快速阀实现设备关车；关车完全不依靠控制器的功能，仅依靠硬件逻辑电路实现，具备最高优先权和独立控制通道，能确保系统紧急情况下的关车操作。
20.一级和二级关车先控制四自由度机构控制系统回零后再关闭阀门系统，能够有效避免风洞关车时激波对模型和四自由度机构控制系统的损坏。三级关车过程中没有对四自由度机构控制系统进行回零操作，存在一定损害模型的风险，一般不采用。三级关车联锁控制策略确保系统绝大多数情况下都能实现关车操作，保证设备和人员安全。在最极端的情况下，如设备运行过程中测控系统失电，回零关车、plc关车和紧急关车均失效时，主管路快速阀和引射管路快速阀设计了失电自行关闭的功能，依然能够确保快速阀关闭实现关车操作。
21.实施例：以高速风洞进气道点火试验为例，风洞安全关车控制流程图如图2所示，安全联锁与状态监控系统主要完成以下工作：1.试验准备过程中，安全联锁与状态监控系统实时监测和各控制系统之间的网络连接状态，并接收核心控制系统发送的核心就绪信号作为允许开车判定条件，当满足开车条件时，允许安全联锁与状态监控系统向调度系统发送开车申请。
22.2.试验开始前，各子系统进行试验准备并进行自检，自检通过后发送“就绪”信号至安全联锁控制系统并对接收的信号进行检查。根据试验条件，设置允许开车联锁关系，自动判断是否具备开车条件。
23.3.安全联锁与状态监控系统自检通过后，发送“准备就绪”信号给核心控制系统，
开始吹风试验；4.在试验过程中，系统出现异常后有预警、报警和关车三种处理。关车保护发生在以下几种情况：1)稳定段总压过高、引射器集气室压力、调压阀阀后压力过高（主调压阀、主旁路调压阀以及引射调压阀）等情况，控制系统进行超压保护；2)主系统或通讯线路出现故障状态；3)安全联锁控制系统plc出现故障状态。
24.若检测到“急停”按钮按下，触发硬件电路执行三级关车操作。
25.5.若检测到“洞内有人”按钮按下，触发硬件电路执行三级关车操作。
26.6.若风洞稳定段、引射器集气室电接点压力表压力大于设定值，触发硬件电路执行三级关车操作。
27.7.状态监控单元在风洞稳定段总压大于主控制系统设置的稳定段总压上限值时，主系统按照预先要求的关车时序执行一级关车；风洞稳定段、引射器集气室电接点压力表压力大于设定值时，触发硬件电路执行三级关车操作，否则安全联锁控制系统在检测到关车信号后，plc控制器接管风洞运行控制权限，进行二级关车，引导联锁控制单元按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，则由操作人员根据试验情况触发急停按钮，执行三级关车操作；当稳定段总压大于电接点压力表设定二级超压值时，通过硬件联锁，直接关闭主调压管路和引射调压管路的快速阀，确保风洞的安全运行，电接点压力表二级超压联锁与测控间控制台急停按钮形成三级关车（最高级别）安全联锁功能；8.若检测到安全联锁与状态监控系统“plc关车”信号或操作台“plc关车”信号，安全联锁与状态监控系统plc接管风洞运行控制权限，进行二级关车，引导安全联锁与状态监控系统按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，由操作员根据试验实际情况触发“急停”按钮，执行三级关车操作。
28.9.引射器集气室压力过高与稳定段总压保护方式一致；若检测到操作台“回零关车”信号或核心控制系统发送的“回零关车”信号，由核心控制系统执行一级关车操作；若一级关车操作失效，安全联锁与状态监控系统plc接管风洞运行控制权限，进行二级关车，引导安全联锁与状态监控系统按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，由操作员根据试验实际情况触发“急停”按钮，执行三级关车操作。
29.10.试验前后，若检测到子系统发送的预警信号影响子系统安全运行，安全联锁岗位操作人员指导核心系统关车。
30.11.若检测到子系统发送的报警信号，由核心系统执行一级关车，或者由岗位人员按下“急停按钮”执行三级关车。
31.12.若检测到半挠性喷管系统发送的“柔壁故障”信号，由核心控制系统执行一级关车。
32.13.试验正常结束后，操作员通过核心控制系统操作界面或者测控间控制台“回零关车”按钮下达关车命令，核心控制系统按照一级关车流程逐一操作相关测控设备，实现风洞正常关车。关车流程要求四自由度机构控制系统的各个机构回到零位后，再关闭阀门系
统，实现设备关车。
33.14.核心控制系统出现故障或核心控制系统网络通信发生故障时，核心控制系统失去对整个测控系统的有效控制。操作人员通过触发测控间控制台上的“plc关车”按钮，由安全联锁控制系统实施关车操作。plc关车命令触发后，安全联锁控制系统plc获取控制权限，先控制迎角机构、侧滑角机构回零，再关闭调压阀，最后关闭快速阀，实现设备关车。
34.15.全联锁与状态监控系统设置硬件逻辑电路，在安全联锁控制系统plc出现故障状态或危险情况下通过触发该电路联锁控制阀门系统，快速关闭快速阀，实现紧急关车。
35.如系统出现严重故障时，通过测控间控制台紧急关车按钮或现场急停按钮，手动触发硬件逻辑电路，实现紧急关车。
36.以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
37.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
38.尽管本发明的实施方案已公开如上，但由于射流风洞特种试验类型的不同，其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种暂冲式射流风洞安全关车控制系统，其特征在于，包括：与风洞安全关车控制相配合的多个执行机构；通过现场总线技术将功能分散的各执行机构进行连接的多个子系统；通过网络将各子系统进行集成管理的主系统；其中，各执行机构被配置为采用总阀、快速阀、调压阀、半挠性喷管、四自由度机构中的一种或几种；各执行机构均被配置为采用液压驱动或电动缸驱动。2.如权利要求1所述暂冲式射流风洞安全关车控制系统，其特征在于，还包括安全联锁与状态监控系统，其被配置为包括状态监控单元和安全联锁控制单元，所述状态监控单元包括：对各执行机构工作状态进行监测的检测机构ⅰ；对气源、稳定段、集气室压力进行检测的检测机构ⅱ；对主管路和/或引射管路的总阀、快速阀、调压阀，前后端压力分别进行采集的检测机构ⅲ；用于对风洞内是否有人进行监测的检测机构ⅳ；用于对急停按钮或洞内有人按钮状态进行监测的检测机构
ⅴ
；所述联锁控制单元包括：与各检测机构、主系统、子系统通信连接的plc；其中，所述plc还通过硬件逻辑电路与主管路、引射管路的快速阀连接，且所述主管路和引射管路的快速阀均具有失电自行关闭功能。3.一种如权利要求2所述暂冲式射流风洞安全关车控制系统的应用方法，其特征在于，基于风洞运行过程中引发各类故障的危害程度进行分级，在风洞运行时，主系统基于不同故障所对应的分级结果，采用三级关车联锁控制策略进行关车控制。4.如权利要求3所述暂冲式射流风洞安全关车控制系统的应用方法，其特征在于，所述三级关车联锁控制策略包括：通过主系统先控制执行机构操作模型支撑机构回零，再关闭阀门系统实现风洞安全关车的一级关车模式；在主系统出现故障无法关车时，通过联锁控制单元的plc控制器先控制模型机构回零，再关闭阀门系统实现风洞安全关车的二级关车模式；在故障会威胁到设备和人员安全，或主系统和联锁控制单元因故障均无法实施关车操作时，通过急停按钮、硬件逻辑电路直接关闭主管路、引射管路上快速阀，以实现设备关车的三级关车模式。5.如权利要求3所述暂冲式射流风洞安全关车控制系统的应用方法，其特征在于，所述关车控制流程被配置为包括：s1、在试验准备过程中，状态监控单元实时监测和各系统之间的网络连接状态，并接收主系统发送的就绪主信号作为允许开车的判定条件之一，对于试验中未参与的执行机构，可通过联锁设置屏蔽相应的状态信号检测，从而优化试验安全控制流程；s2、试验开始前，各子系统进行试验准备并进行自检，自检通过后各子系统发送对应的子系统就绪信号至安全联锁控制单元，并对接收的信号进行检查，根据试验条件，设置允许
开车联锁关系，自动判断是否具备开车条件；主系统满足开车条件时，通过联锁控制单元向调度系统发送开车申请，申请开车通过后才允许主系统按照预定开车时序执行开车操作；s3、状态监控单元自检通过后，发送准备就绪信号给主系统，开始吹风试验；s4、在试验过程中，系统基于状态监控单元的以下检测结果执行相应的关车操作：在检测到急停按钮或洞内有人按钮按下时，触发硬件电路执行三级关车操作；状态监控单元在风洞稳定段、引射器集气室电接点压力表压力大于设定值时，触发硬件电路执行三级关车操作，否则plc接管风洞运行控制权限，在检测到关车信号后，进行二级关车，引导联锁控制单元按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，则由操作人员根据试验情况触发急停按钮，执行三级关车操作；状态监控单元在检测到回零关车信号后，由主系统执行一级关车操作；若一级关车操作失效，则由plc接管风洞运行控制权限，进行二级关车，引导联锁控制单元按预设关车时序执行二级关车操作；若二级关车操作失效，则由操作人员根据试验情况触发急停按钮，执行三级关车操作；状态监控单元在检测到子系统发送的预警信号后，通过安全联锁岗位的操作人员指导主系统进行相应关车动作；状态监控单元在检测到子系统发送的报警信号后，由主系统执行一级关车或由操作人员按下急停按钮执行三级关车；状态监控单元在检测到半挠性喷管系统发送的柔壁故障信号后，由主系统执行一级关车；s5、试验正常结束后，操作员通过核心控制系统操作界面或者测控间控制台“回零关车”按钮下达关车命令，核心控制系统按照正常关车流程逐一操作相关测控设备，实现风洞正常关车。

技术总结
本发明公开了一种暂冲式射流风洞安全关车控制系统及应用方法，涉及航空航天风洞试验领域，包括：与风洞安全关车控制相配合的多个执行机构；通过现场总线技术将功能分散的各执行机构进行连接的多个子系统；通过网络将各子系统进行集成管理的主系统；各执行机构均被配置为采用液压驱动或电动缸驱动。本发明提供一种暂冲式射流风洞安全关车控制系统及应用方法，通过对风洞在进行不同的特种试验运行时，根据实际情况针对故障及异常状态自动执行或人工执行相应安全关车操作，防止试验过程中出现因设备准备条件不足或风洞洞体、试验模型及测控系统设备状态异常等引发的不安全因素，造成人身或设备出现损害。成人身或设备出现损害。成人身或设备出现损害。


技术研发人员：吴琦 黄昊宇 凌忠伟 刘为杰 李聪健 田嘉懿 白本奇 范金磊 叶成 夏语
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/9/16