發動機噴霧實驗系統測控軟件設計探析

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摘要:發動機噴霧實驗系統的建設目的是測量發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，為發動機噴注器的優化設計提供實驗數據支撐。為了達到簡化操作流程，降低實驗人員的勞動強度，保證實驗過程的穩定可靠以及實驗數據的完整和準確，提出了一種基于S7-1500PLC和WinCC的發動機噴霧實驗系統的測控系統解決方案。通過PLC的通信口進行各個數據的采集，并將數據的實時監測、數據處理等功能全部集成到WinCC中。測控系統的實驗數據處理軟件的設計方便了相關研究人員從龐大的實驗結果數據中快速提取和加工出與實驗相關的有意義的數據，加速研究成果轉化效率。

關鍵詞:發動機;噴霧;可編程邏輯控制器;測控系統;數據處理

0引言

噴注器噴射的霧化特性在動力機械領域和工程領域里的氣體燃料發動機、飛機發動機和火箭發動機的發展中都有著重要影響［1］。近年來，隨著我國汽車行業以及航天事業的蓬勃發展，動力系統研發取得了令人驕傲的成就，同時也對動力系統的研發提出了新的要求，主要的目標就包括提高發動機的性能和可靠性、縮短研發周期、降低設計制造成本等。噴注器作為發動機的核心部件，其技術性能決定了燃料、推進劑的霧化混合效果［2］。因此，設計一個功能完善的噴霧系統是保證準確測量發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測控系統軟件設計

測控系統主要是以西門子PLCS7-1500產品為主構成的高可靠性、工業級的分布式測控系統，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計的新一代PLC，軟硬件功能強大，響應速度快，控制精度高，運用范圍廣。PLC采用模塊化設計，有完整的軟硬件電磁兼容設計，抗擾能力強，可靠性優于其他板塊插件式工控機。相較于插板式工控機，該系統可靠性高，工控機與測控子模塊實現了物理上的獨立，實時性更高，整個系統的可擴展性更好。采用工業以太網總線提高了通信的速度，并易于和其他計算機通信。測控系統軟件包括三個部分:上位機監控界面開發、下位機PLC程序設計和觸摸屏畫面設計。上位機畫面采用西門子組態軟件WinCCV7．5進行界面開發，實現對現場設備的狀態顯示、參數設置、故障報警、數據實時處理、時間日期和報表統計等功能。下位機控制器編程使用STEP7V5．5作為軟件開發環境，同時實現各個模塊的硬件組態、數據通信、程序下載和程序調試［3］。現場觸摸屏畫面使用WinCCflexible2008進行人機交互界面的開發。

2測控系統上位機畫面設計實現

2．1開發軟件介紹

本文使用WinCCV7．5實現上位機監控界面開發，實現對現場過程的數據采集、參數設置、數據處理、設備控制、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，使系統的生產效率更高。系統的組成部分包括:資源管理器、編程接口、消息系統、通信系統、歸檔系統、圖形系統、Windows標準接口、報表系統和腳本處理系統等［4］，這些組成部分能夠協調工作。

2．2測控界面

測控系統具有手動/自動功能，能對每個電磁閥和電動調節閥進行手動和自動控制。自動控制由計算機根據工藝要求來控制，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據實時顯示及計算結果展示區域等，用于監控數據的動態變化。整個測控流程及測控界面如圖2所示。首先選擇預先制定的測試方案，然后啟動流量控制，確認流量滿足實驗工況，接著啟動實驗，待實驗結束存儲數據。界面上有測試進程顯示，測試結束會有彈框提示。

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參數，然后添加測試項并填寫測試項參數，最后再點擊確認將測試方案保存到測試方案數據庫中。

3數據處理

依據姿軌控發動機試車數據處理規范進行室壓、流量等參數的計算處理。壓力、流量等參數常規數據采集速率為1kHz，所有全程段瞬時值數據中的數據時間間隔最短為0．001s，常規情況下取值0．001s。時間區間為(－5，(ton+5))，單位為s。由于溫度參數對時間敏感度不高，所以對于溫度參數的全程段瞬時值數據時間間隔取值0．1s。穩態試車的時間區間為(－1，(ton+1))，單位為s。其中ton為產品閥工作時間。

3．1室壓計算

室壓參數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及對應時間tPc，sp。3．1．1平均值。產品閥得電時刻為時間零點，在(ts，(ton－0．2))的時間區間內取平均值，按式(1)計算。穩態試車時需對室壓參數進行零位修正。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是穩態室壓數據平均值，單位為MPa;ton是產品閥工作時間，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及對應時間tpc，sp從產品閥得電時刻開始，計算2s內室壓的最大值，并計算出該最大值對應的時間tPc，sp。

3．2入口壓力計算

穩態試車的入口壓力只計算平均值，平均值區間為(ts，(ton－0．2))。按下式計算:式中:Pi是穩態入口壓力數據瞬時值，雙組元時為Pio、Pif，單組元時為Piv，單位為MPa;Pi是穩態入口壓力數據平均值，雙組元時為Pio、Pif，單組元時為Piv，單位為MPa。

3．3流量計算

穩態試車的流量參數只計算平均值，均值區間為(ts，(ton－0．2))。按下式計算:式中:qm是穩態流量數據瞬時值(質量流量)，雙組元時為qmo、qmf，單組元時為qmm，單位為g/s;qm為穩態流量數據平均值(質量流量)，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的計算方法為從產品閥得電時刻各個溫度的瞬時值;Tmax計算方法為從產品閥得電時刻開始，計算全程段溫度的最大值，并記錄達到該數值的的時間點，記為tT，max。

4結束語

本文采用S7-1500PLC和WinCC組態軟件對發動機噴霧試驗系統測控系統進行設計研究，實現了對溫度、壓力、流量等環境及系統參數的采集與處理分析;實現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自主定制、測試過程和相關物理量的可視化實時監控、實驗結果數據持久化存儲、實驗結果數據可視化展示和智能化分析等功能。通過設計達到簡化操作流程，降低實驗人員的勞動強度，保證實驗過程的穩定可靠，保證實驗數據的完整和準確，方便相關研究人員從龐大的實驗結果數據中快速提取和加工出與實驗相關的有意義的數據，加速研究成果轉化效率。

參考文獻:

［1］石璞，朱國強，李進賢，等．液體火箭發動機針栓噴注器霧化燃燒技術研究進展［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中的旋流壓力噴嘴的霧化特性［J］．燃氣輪機技術，2003，16(4):69－71．

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

作者:葉夢陽 朱凌云 單位:東華大學信息科學與技術學院