李彦良， 宋文潇， 黄 凯， 曹知红， 张 凯， 李红卫
(北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)
高焓风洞、高超音速风洞等多种类型的风洞需要在实验下游设置真空系统，用于抽排风洞工作介质，维持风洞内的负压工作环境。多数风洞真空系统采用大容积(可达数万立方米)真空容器与小流量真空泵构成的真空系统，先将容器抽真空，再将工作介质填充至容器中，这种工作体制的风洞称为暂冲式风洞。某风洞采用不同于上述系统的小容积真空容器(用于稳压)加大流量真空泵连续抽排工作介质的新型真空系统构型，其真空系统所需的驱动功率远大于传统风洞[1-2]，达13560 kW，超过了所在地配电网络允许的上限，因此选用了船用中速柴油机构成的动力集群作为真空泵和冷却水泵的动力源。在该动力集群中，使用8台功率为1440 kW的柴油机驱动真空泵，3台功率为680 kW的柴油机用于驱动水泵。每台柴油机通过减速齿轮箱和离合器单独驱动1台真空泵或水泵。
该动力集群构成复杂，实际运行时需要操作11台柴油机、11台齿轮箱和11台真空泵(水泵)。而且作为原动机，柴油机操作步骤远多于电动机。若采取传统控制方式，需要较多的人员和控制终端设备，且难以融入某风洞高度自动化的总控制系统，因此需要研制一套智能控制系统，对真空系统动力集群进行自动控制，实现机组自动运行、参数时实监测、故障分级处理等功能，尽量减少人为干预，实现系统的高可靠性。
2001年，汪华松等[3]研究了基于Profibus通信协议和PLC硬件设备的风洞动力系统控制设备，应用于8 m×6 m低速风洞的同步电机驱动系统的控制。2007年，卞根发[4]研究了基于STD总线的船舶主柴油机智能监控系统，使船舶柴油机的监控、运行和管理的自动化程度和防失误能力得到提升。2008年，张永铭等[5]研究了柴油机电子调速系统与EGR系统的集成控制的硬件和算法。2016年，韩小东[6]研究了基于CAN总线的船舶机舱监控报警系统，实现了船舶机舱内主柴油机和各类辅机运行信息的自动化采集、处理和故障告警。2019年，王忠福等[7]研究了铁路机车用柴油机远程监视与故障诊断系统，实现了机车柴油机的远程状态监控、故障诊断与运维管理。2020年，杜玉雪[8]研究了基于自适应模糊算法的柴油机负荷控制系统，优化了在负荷突然变化时柴油机转速控制程序的瞬态响应特性。2021年，罗昌俊等[9]研究了风洞群动力系统一体化保障系统，应用CPS技术，实现了风洞气源、真空、冷却水等系统健康监测、故障诊断、维修效果评估等工作的智能化。2021年，杜洪亮等[10]研制了风洞高压动力系统，其中应用了Modbus/TCP技术，构建了风洞动力系统的控制系统，被控对象为高压电机。2021年，吴珏斐[11]对船舶动力系统控制的智能化技术进行了综述。目前，对风洞动力系统控制的研究多以电机为被控对象，而在柴油机动力设备控制方面的研究多针对船舶主机舱、铁路机车或发电机组等展开，且所研究的系统多以监控机组运行状态为主要功能。对机组数量远多于船舶机舱，且需要将控制柴油机动力集群自动运行、监控机组运行状态和故障分级处理等主要功能高度集成的控制系统的研究目前较少。
本文根据某风洞动力集群控制需求，研究了基于PLC设备和Profibus-DP总线的分布式动力集群智能控制系统，实现了仅需人工发出“起动”和“停机”两个指令，就能自动完成大规模柴油机动力集群从起动到关车的全部操作，并将运行状态时实监控和故障分级处理等功能集成在内，最大限度地降低了操作难度，减少了人因失误，做到了无顾虑操作。
作为被控对象的动力集群由11个动力机组构成。每个动力机组又由1台船用中速柴油机和1台齿轮箱构成。机组的主要控制量为转速，需要根据机组工作的不同阶段控制在不同的给定值附近。转速由机组自带的机械液压调速器控制，需要改变转速时，由电机作为执行器，带动调速器的内部机构改变其转速设定值，实现转速变化。此外，机组内还有其他需要控制的执行件，所有执行件功能汇总如表1所示，动力集群控制系统的功能就是要控制表中各执行件，实现以下几个方面的内容。
表1 机组中执行件汇总
① 调度各机组，按操作人员通过人机交互发来的指令和风洞总控系统下发的指令完成风洞实验。
② 各机组按指令自动完成从备车到试验再到停车的全部工作流程。
③ 监控机组运行数据，自动判别故障，将故障按严重程度分级，采取不同处理措施。
通过上述分析发现，构成系统的11台机组是同构型的，具有类似的功能和工作流程，可以各自独立控制。同时又需要一台上位机对11个相同的机组进行调度和监控，并实现人机交互。基于这些特点，确定采用分布式控制系统来对动力集群进行控制。
每台机组设基于PLC的控制子站，构成过程控制层，控制本机组由起动到停机的全部动作，并采集本机组转速、润滑油压力等运行状态数据，控制子站架构如图1所示。其中柴油机监控仪为主要故障诊断设备，用于判别故障，并可直接处理致命故障。
图1 控制子站架构图
图2为控制系统架构，控制总站构成控制系统的管理监控。各控制子站通过Profibus-DP总线与基于PLC的主站连接。通过DP总线，总站可以读取各子站通过传感器采集的机组运行数据，也可以向各子站写入指令。总站还通过TCP/IP协议与作为上位机的计算机通信，通过计算机上的图形界面实现人机交互。
图2 控制系统架构图
各机组的控制逻辑运行于控制子站中，实现机组从起动到停止的工作流程控制、柴油机转速控制两项主要功能和运行数据采集等其他功能。
3.1 工作流程控制
各机组中，柴油机和齿轮箱均有固定的工作流程，相比电机工作时仅需要起动和停止两个动作，柴油机动力机组的工作流程步骤较多，且需要设置较为复杂的判据去判断每一步骤是否完成。机组工作流程如图3所示。
图3 各机组工作流程
流程控制的重点是合理设计各步骤完成的判据，使机组在适当的时机转入下一工作阶段。各步骤具体的流程控制策略如下。
① 子站收到主站发来的起动信号后，首先接通预润滑泵对运动部件进行润滑，而后接通起动电磁阀，使气动起动马达工作，符合起动成功判据后，起动机退出工作后，预润滑泵关闭，转入暖车阶段。
② 进入暖车阶段后，将柴油机转速设值设为怠速，开始检测冷却水和润滑油温度，水油温度符合暖车完的判据后，开始接合负载。
③ 进入接合负载阶段，将柴油机转速升至接合转速后，接通离合器工作电磁阀，液压离合器接合，将动力传递至真空泵(或水泵)，延时10 s后开始升高转速。
④ 控制子站将柴油机转速设定值设为工作转速，转速控制子程序按转速控制逻辑(后文详述)使柴油机转速升至工作转速，满足判据后给出备妥集号。
⑤ 至此参试机组完成准备，操作人员将控制总站的控制权限上交至风洞总控系统。控制总站按照总控系统的指令完成开始和停止抽真空、供水等动作，完成一个吹风车次的工作。
⑥ 风洞总控系统交还控制权限，操作人员发出停机指令。子站接到总站停机指令后，将转速给定值设为分离转速，使柴油机转速下降。
⑦ 转速降到给定值后，控制子站切断离合器工作电磁阀供电，分离负载。
⑧ 负载分离后，将柴油机转速降至怠速，接通停车电磁阀，通过切断燃油供应使柴油机滑行停机。
单台机组工作流程控制的主要设计要点为各阶段完成判据的设计，汇总如表2所示。
表2 机组工作阶段转换判据
3.2 转速控制
3.2.1 转速控制硬件
分析单台机组的流程控制逻辑，可以发现转速控制是机组控制中的重要问题，接通/分离负载、升速/降速，包括带负载工作等过程中，都涉及到转速的变化或在负载突变时稳定转速的问题。
柴油机自身配有UG-10D型液压调速器，调速器输入轴与曲轴连接，通过离心机构感知实际转速与设定转速的差值，产生控制信号，控制信号通过液压机构放大，控制柴油机供油量，将柴油机转速稳定在给定值附近，而给定值则由机械机构设定，需要电控时，在机械机构上连接一台升降速电机，电机正转时给定值增大，反转时减小。
控制子站对柴油机转速实施控制时，通过柴油机飞轮旁安装的转速传感器获取转速信号，在子站PLC中对实际转速和设定转速进行对比，生成控制信号，并通过调速器的升/降速电机执行，转速控制执行流程如图4所示。
图4 转速控制执行流程
3.2.2 转速控制逻辑
液压调速器控制柴油机转速的系统本身是一个闭环系统，机组控制子站通过改变这一闭环系统改定值而控制转速的变化。控制子站虽能通过升降速电机调整液压调速器给定值，但是给定值调整结果却不能直接反馈回子站。这使得对改定值的调整结果只能通过转速传感器进行反馈，有较大时延，这给转速的控制带来了困难，很容易产生振荡和发散。
为此，设计转速控制逻辑如下。
① 在PLC中对转速进行检测，并与给定值对比，若二者差值小于±10 r/min，则不进行控制。
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② 若实际转速大于给定值10 r/min以上，则接通升/降速电机反转，降低转速；
若实际转速小于给定值10 r/min以上，则接通升/降速电机正转，升高转速。
③ 转速达到给定值±10 r/min范围内时，断开升/降速电机，并延时60 s，延时期间不再检测转速差值，不调整转速。
④ 延时结束后再次使转速检测和调整功能生效，重复步骤①～步骤③。
3.3 控制效果实验研究
按上述主要逻辑编制控制子站控制程序后，对其效果进行了实验研究，发现水泵机组出现了泵后供水阀门打开瞬间，柴油机转速突变，不能迅速回到额定转速的问题，于是对转速变化和控制系统介入情况进行了实验，结果如图5和图6所示。
图5 负荷突变时柴油机转速及控制系统作用情况1
图6 负荷突变时柴油机转速及控制系统作用情况2
具体分析如下。
情况1：如图5所示，开阀瞬间，水泵带来的负荷突然增大，导致柴油机转速在3 s时间内从1004 r/min突降至978 r/min，而后开始在液压调速器和控制子站的控制下将转速调回设定值。但是，转速重新稳定后出现了较大的静态偏差，稳定值由1004 r/min变为1018 r/min，并且一直维持在这一较高的稳定值，未再进行回调。
情况2：如图6所示，开阀后，柴油机转速在4 s时间内由1004 r/min降至975 r/min，而后在调速器和机组控制子站的作用下开始回升，回升产生了较大过冲，转速稳定在1021 r/min，维持45 s后才开始回调，并最终稳定在1005 r/min附近。
图5和图6中，升速或降速信号为1表示升速或降速电机工作，为0则表示不工作。
① 供水阀打开瞬间，机组负荷产生突变，由液压调速器和柴油机组成的系统瞬态响应较慢，不能适应负荷突变，需要3～4 s才能将转速重新稳定至额定转速。
② 在液压调速器调整过程中，控制子站先检测到转速低于额定值下限1000 r/min，按照控制逻辑，接通升降速电机，向上调整液压调速器的转速给定值，直到转速重新高于额定值下限(1000 r/min)时才退出。这一过程中，升速电机工作使调速器给定值产生了超调。情况1中升速电机工作5.7 s，转速超调14 r/min。情况2中，机组负载突变大于情况1，因此升速电机时间更长，为7.5 s，超调17 r/min。
③ 液压调速器按照超调后的给定值调节柴油机转速，使转速重新稳定在超调的给定值附近。情况1中，负荷突变相对小，升速接通时间短，因此超调程度较情况2小。因此，在情况1中，转速虽然超调，但是未超过控制子站控制逻辑中的转速上限1020 r/min，因此控制子站后续一直未介入进行转速回调，如图5中降速信号曲线。情况2中，转速超调较大，超过了1020 r/min，因此控制子站进行了回调，使转速回到1005 r/min，如图6所示。
④ 情况2中，子站虽然对转速进行了回调，但是延时达45 s。这是由于子站转速控制逻辑中，每次调速转速后，都会延时60 s才会重新检测转速，决定是否调整。而负载突变有可能随机地落在这60 s中的任一时间点。因此转速虽然超过了上限，但是需要待延时结束后才会调整，从而产生延迟。延迟时间为0～60 s的随机值。
这两种情况下，柴油机转速稳定时间长，对水泵稳定供水不利。且两种情况下，柴油机均有长时间超过额定转速运行的状态，对其本身也有不利影响，需要设法解决。
分析产生情况1和情况2的原因，发现控制子站的介入是转速超调的基本原因。机组负载突变时，本可依靠液压调速器来自行稳定机组转速，控制子站不应调整调速器给定值，而子站的控制逻辑本身又必然需要在转速不在预设区间内时改变调速器的给定值，这是调速器给定值无法直接反馈，而通过转速传感器间接反馈必然导致的结果。
因此，对控制子站工作阶段的程序进行了修改，在机组实际转速达到额定供水转速(1010±10 r/min)时，机组控制子站转速控制子程序退出工作，将机组转速控制交由液压调速器单独执行，直至接收到停机信号，需要再次改变工作转速时再恢复工作。修改后再次进行实验，机组转速变化及升降速信号变化情况如图7所示。由图7可知，负荷突变后，升速和降速信号均未发出，液压调速器在8 s内将柴油机转速重新稳定在1004 r/min，转速突变化柴油机转速长时间超调问题得以解决。
图7 修改后负荷突变时柴油机转速及控制系统作用情况
控制子站对各机组的自动控制构成了动力集群控制系统的过程控制层，实现了各机组的自动运行和运行数据采集。而居于控制子站上层的控制总站及其软件则构成了系统的管理监控层，完成动力集群运行调度、人机交互、故障诊断处理等功能，对动力集群进行总体控制。
4.1 运行调度与人机交互
管理监控层程序的主要功能是按照操作人员通过人机界面输入的指令，或风洞总控系统发来的指令，对各机组的运行进行调度；
控制冷却水供应系统、真空泵工作液供应系统等公共保障系统保障各机组正常工作；
并控制水泵机组供水阀门、真空主管关断阀门等关键受控设备，配合风洞其他系统共同完成风洞实验。具体功能如下。
① 风洞在不同工况时，所需真空机组的台数不同，管理层程序需要按照操作人员的选择，决定哪些机组参加本次试验。
② 操作人员按下起动按钮后，按30 s的时间间隔向被选中的机组依次发送起动信号，使机组依次开始执行前文所述的单台机组控制程序。操作人员按下停机按钮后，按30 s时间间隔依次向各机组发送停机信号，使机组开始执行停机程序。
③ 对不参与工作的机组进行隔离，确保不参与工作的机组不会误起动，且不参与工作机组的关键阀门不会误动。锁定关键阀门和机组关键操作的人工操作功能，防止误操作。
④ 控制冷却液、真空泵工作液、燃油、电源等系统公共资源仅向参与工作的机组分配。
⑤ 进入工作阶段后，接收风洞总控系统指令，控制水泵机组供水阀、真空泵机组关断阀等关键阀门完成抽真空、供水、停止抽真空、停止供水等动作。
以这些功能为支撑，操作人员只需要在人机界面上完成工况选择、起动机组、上交控制权限、收回控制权限和机组停机这5步操作，就可以控制风洞真空系统完成一个车次的风洞实验，且由于机组、阀门等设备的操作均由系统自动完成，关键操作的人工操作功能在自动模式下又进行了锁定，所以操作人员可以基本实现无顾虑操作。
4.2 故障诊断与分级处理
故障的诊断和分级处理是管理监控层软件的另一重要功能，是实现无顾虑操作的基础。故障诊断和分级处理功能同样基于分布式控制思想实现。这部分软件除用于诊断和处理动力集群的故障外，还兼顾了动力集群所驱动的风洞真空系统的故障诊断与处理。
为了实现智能化的故障诊断与处理，在动力集群和真空系统中安装了大量传感器，获取各机组转速、润滑、冷却、燃油、排气等功能的运行情况。传感器数据由各控制子站获取，而后通过Profibus-DP总线上传至总站。
机组级故障诊断功能在各机组控制子站中实现。子站中设置了机组中柴油机、齿轮箱、真空泵等部位各类故障发生的判据，当传感器数据满足故障判据时，子站生成相应的告警信号，通过Profibus-DP总线传至总站。
系统级故障诊断功能在控制总站中实现，冷却水流量不足、真空系统压力超限等系统级关键故障由总站按传感器数据直接判断，并通过TCP/IP通信直接传至人机界面以及位于更高层级的风洞总控系统。
按故障发生的层级，将故障分为机组级故障和系统级故障。机组级故障是发生在某一台真空泵或水泵机组中的故障；
系统级故障则是指风洞真空系统总体运行参数的异常。系统级故障的发生与机组故障有一定关联。对于机组级故障，按严重程度将其分为一般故障和严重故障。相较这两个等级，系统级故障后果更为严重，因此将系统级故障分级为致命故障。以下分别对一般、严重和致命3个级别故障的处理进行举例说明。
(1) 一般故障。
柴油机缸排温偏低。此故障一般代表此台柴油机某一汽缸内部柴油燃烧不良，做功能力偏低或不做功。由于柴油机缸数较多，单个缸发生此故障对机组的工作影响较小，所以将其定义为机组级的一般故障。发生这一级别故障时，控制子站生成故障信号，上传到总站，总站上传到上位机，并在上位机上点亮一般故障告警，提醒操作人员机组出现异常，不需要做停机处理，但需进一步关注该机组的状态。
(2) 严重故障。
柴油机润滑油压力低。此故障代表柴油机润滑不良，需立即切除故障机组，并将故障机组停机，否则机组将因严重机械故障而自行停止运转并损毁。这一故障对单台机组而言较为严重，但是一台机组停运又不会使整个真空系统失去功能，因此将其分级为机组级严重故障。这一级别故障发生时，控制子站将故障信号上传至总站，总站会自动关断有关阀门，切除故障机组，而后自动发停机指令至子站，使故障机组停机。同时，控制总站还将在上位机点亮严重故障告警，提醒操作员有机组退出工作，需要密切关注真空系统状态，注意冷却水流量和真空系统绝压等关键参数是否有因机组退出而恶化的趋势。这一级别的故障还会由控制总站上传给风洞的总控系统，将真空系统有故障的信息告知实验总指挥。
(3) 冷却水流量低于下限。
此故障指用于冷却风洞超高温燃气的冷却水流量不足，高温气流有可能进入真空系统，引起真空泵烧毁等恶性事故。因此将其定义为致命故障。这一故障可能由水泵机组退出运行引发，也可能由其他因素引发。当由前者引发时，系统会给出严重故障告警，作为这一致命故障的预警，操作人员尚有反应时间；
但是若由后者引发，则会突然发生，没有预警时间。因此这类故障不仅结果致命，且有可能突然发生。这一故障发生时，真空系统已经无法继续支持风洞运行，因此控制总站一旦判定发生这一级别的故障，会立即向更高层级的风洞总控系统发送急停信号，总控系统收到后会立即指示风洞各分系统结束实验，进入关车流程，以保证设备的安全。同时，在本系统和总控系统的上位机上，都会显示最高级别的致命级故障告警。
动力集群控制系统通过将系统故障划分为一般、严重和致命3个级别，分别采取提醒本系统操作人员注意、切除机组并提醒本系统和上级系统操作人员注意、直接停止风洞试验3个级别的处理措施，实现了故障的自动诊断和分级处理。解决了操作人员无法同时监控11台机组数百个参数的问题，使动力集群在运行时，仅需1名操作人员监控，就能实现无顾虑操作。
基于分布式控制的自动控制系统应用于某风洞动力集群后，取得了良好效果，使动力集群具备了智能化特征。
① 由11台船用中速柴油机组构成的动力集群实现了完全自动化运行，仅需1名操作人员进行少量操作就可以控制集群完成一次风洞实验。且在系统的辅助下，该操作人员还可同时对11台机组运行状态进行监控。
② 在机组转速控制方面，较好地实现了控制子站和液压调速器的配合，在机组负荷突变工况下仍能有效控制机组转速。
③ 控制系统的高度自动化，配合故障诊断和分级处理功能，使动力集群的运行可靠性有效提高，人因失误得到有效抑制，很大程度上实现了无顾虑操作。
某风洞动力集群智能控制系统成功实现了大规模柴油机动力集群的全自动化控制，使得规模远大于船舶、铁路机车等传统动力系统的柴油机动力集群仅需1名操作员就可完成复杂的风洞实验，且保证了其可靠性，因此该系统具有较强的推广和应用价值。
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