1 引言
風(fēng)洞是空氣動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。它依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過(guò)，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。也可以說(shuō)，風(fēng)洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個(gè)“天空”。風(fēng)洞是研制飛機(jī)必需的一種試驗(yàn)裝置。它模擬飛機(jī)飛行中各種空氣動(dòng)力條件，只在地面就可以獲取飛機(jī)在空中飛行時(shí)的各種參數(shù)。
氣流的改變通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)洞系統(tǒng)中的風(fēng)速，風(fēng)速采用富士G11系列變頻控制器，并配以編碼器反饋完成高精度速度控制。可編程控制器(也稱為PLC)工業(yè)控制部件因其功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、修改程序靈活方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期工作等顯著特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。但是其本身不具備人機(jī)交互功能，在工藝參數(shù)較多，需要人機(jī)交互時(shí)，配合使用具有觸摸操作和通信功能的人機(jī)界面就是一種很好的選擇。在本文所述的風(fēng)洞調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器、PLC及人機(jī)界面之間以串行通信方式，可以在人機(jī)界面上直接對(duì)風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速、速壓進(jìn)行設(shè)定、控制及監(jiān)視，并且可以通過(guò)趨勢(shì)圖隨時(shí)觀察氣流改變時(shí)風(fēng)洞內(nèi)9個(gè)環(huán)境參數(shù)(溫度、大氣壓、落壓差等)的變化。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠性高的特點(diǎn)。
2 硬件配置設(shè)計(jì)
2.1 原理設(shè)計(jì)
圖1是該系統(tǒng)的主要硬件組成圖，應(yīng)用于某風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)主要硬件配置圖

設(shè)定數(shù)據(jù)主要是風(fēng)速，風(fēng)速分為自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí),風(fēng)速分15個(gè)等級(jí)，在POD上預(yù)先設(shè)定好每個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)和工作時(shí)間后，按預(yù)先設(shè)定的等級(jí)的數(shù)據(jù)和時(shí)間讓風(fēng)速電機(jī)依次連續(xù)運(yùn)行。手動(dòng)時(shí)，POD隨時(shí)由操作員調(diào)節(jié)風(fēng)速電機(jī)的速度。通過(guò)傳感器把風(fēng)洞內(nèi)的9個(gè)環(huán)境參數(shù)信號(hào)傳給三個(gè)模擬輸入單元。這9個(gè)環(huán)境參數(shù)分別是溫度、實(shí)驗(yàn)段氣壓、落壓差和力等。
對(duì)風(fēng)速和速壓兩種方式可以任意選擇和任意設(shè)定，根據(jù)流體力學(xué)[1]，由公式:
Qi=k1ρVi2=k2△Pi ——i=1到15可任意選擇(i為實(shí)驗(yàn)Vi或Qi點(diǎn)數(shù))
ρ=k3P/(273+t) ——k1,k2,k3:常數(shù)，根據(jù)不同系統(tǒng)而定:
Qi——速壓(kg/m2)
Vi——風(fēng)速(m/s)
△Pi——落差壓(mbar)
ρ——空氣密度(kg*s2/m4)
t——溫度(℃)
P——實(shí)驗(yàn)段氣壓(mbar)
可以計(jì)算Vi和Qi，也可以和風(fēng)速的給定值進(jìn)行比較。
2.2 配置設(shè)計(jì)
(1) 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行和控制要求，選用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，最優(yōu)性能價(jià)格比，能滿足各種各樣自動(dòng)化控制需要，且具有尺寸小不受安裝場(chǎng)所限制，大容量?jī)?nèi)存，高速指令功能;并提供了方便、簡(jiǎn)潔、開(kāi)放的通信功能;可直接連接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的滿足控制要求[2]。
(2) 人機(jī)界面選用帶RS-485通信的富士UG430H-SS觸摸屏，彩色，128色，10.4寸。進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、顯示[3]。
(3) 變頻器選用富士的FRENIC5000G11S，該變頻器具有低噪音、高性能、多功能以及帶有RS-485通信接口等特點(diǎn)。配以編碼器反饋完成高精度速度控制[4]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)人機(jī)界面所有畫(huà)面均用UG00S-CWV3軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為操作畫(huà)面和檢測(cè)畫(huà)面。有主畫(huà)面、環(huán)境參數(shù)趨勢(shì)圖顯示、風(fēng)速的自動(dòng)和手動(dòng)設(shè)定等畫(huà)面，經(jīng)UG00S-CWV3編譯無(wú)誤后，從個(gè)人電腦中下載到人機(jī)界面,如果與PLC的通信能正常進(jìn)行，并且PLC側(cè)相應(yīng)的程序也正確無(wú)誤，則即可使用。人機(jī)界面通過(guò)RS-422通信電纜直接與與PLC編程器端口連接，實(shí)行命令設(shè)定型通信。根據(jù)來(lái)自人機(jī)界面的請(qǐng)求命令，可以實(shí)施PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作。PLC完成處理后，回送答復(fù)給外部設(shè)備。PLC側(cè)不用特意編寫(xiě)通信程序。這里只介紹風(fēng)速的自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)畫(huà)面。
(1) 風(fēng)速自動(dòng)畫(huà)面設(shè)計(jì)
風(fēng)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)分為15個(gè)等級(jí)，每一個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)風(fēng)速設(shè)定值和相應(yīng)運(yùn)行的時(shí)間。通過(guò)畫(huà)面顯示風(fēng)速的當(dāng)前值和系統(tǒng)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。
圖2是設(shè)計(jì)的畫(huà)面。畫(huà)面中的自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速是靜態(tài)文字，對(duì)畫(huà)面起到說(shuō)明的作用，畫(huà)面上所有靜態(tài)文字的設(shè)計(jì)方法基本相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在畫(huà)面上合理布置，現(xiàn)以“自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速”為例說(shuō)明如下:在draw tool bar中選擇[text],輸入文字“自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速”設(shè)定文字大小為Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字顏色為白色、透明。文字底下的方塊、陰影，是在draw tool bar中選擇[box]進(jìn)行重疊的結(jié)果，它起到美化的作用，這里就不再詳細(xì)說(shuō)明[5]。

圖2 風(fēng)速自動(dòng)調(diào)節(jié)畫(huà)面

在工具欄中單擊數(shù)值顯示部件[Num.Data Display],出現(xiàn)Num.Display對(duì)話框，對(duì)該數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，Division No設(shè)為0，Memory設(shè)為$u0100,Display function設(shè)為Entry Target，放置到如圖2等級(jí)1的下面。用同樣的方法，在工具欄中單擊數(shù)值顯示部件[Num.Data Display]，對(duì)該數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，Division No設(shè)為0，Memory設(shè)為D0120，Display function設(shè)為Entry Target。利用編輯菜單中的Multi Copy分別對(duì)上面設(shè)置的兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行復(fù)制，復(fù)制時(shí)次序遞增，存儲(chǔ)單元地址遞增，分別復(fù)制15個(gè)，放置的位置如圖2。然后用Draw工具欄中的[Line]和[Text]畫(huà)成表格的形式。
圖3是對(duì)風(fēng)速和時(shí)間設(shè)定時(shí)彈出的小窗口，在Item菜單中選擇[Multi-Overlap],在出現(xiàn)的對(duì)話框中設(shè)窗口號(hào)為0，點(diǎn)擊OK，進(jìn)入多窗口設(shè)置畫(huà)面，在工具欄中單擊[Overlap],設(shè)置彈出窗口大小、顏色、類型，設(shè)好后點(diǎn)擊OK放置到畫(huà)面編輯區(qū)域里。在編輯區(qū)域內(nèi)單擊右鍵，選擇Overlap0，工具欄中選擇[Entry Mode]，出現(xiàn)，點(diǎn)擊最左面的部件，通過(guò)設(shè)置把鍵盤到上一步的彈出窗口中。通過(guò)[Max]和[Min]在彈出窗口上可以顯示每一個(gè)設(shè)定值的范圍，這里就不再詳細(xì)介紹了。

圖3 風(fēng)速和時(shí)間設(shè)定窗口

在圖2的畫(huà)面上設(shè)置了三個(gè)按鈕，通過(guò)他們可以轉(zhuǎn)到首頁(yè)、手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速、風(fēng)壓畫(huà)面。自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速的數(shù)值設(shè)好后，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)指示燈亮。顯示的當(dāng)前值是根據(jù)前面的公式計(jì)算的結(jié)果，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間是從系統(tǒng)運(yùn)行到停止的總的運(yùn)行時(shí)間。
在依次自動(dòng)執(zhí)行15個(gè)風(fēng)速段的程序設(shè)計(jì)中用到了宏命令模式。每一個(gè)風(fēng)速值對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)志位，系統(tǒng)從第一個(gè)數(shù)值運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間后，第二個(gè)風(fēng)速值對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位置1，執(zhí)行宏命令，把設(shè)定值送給變頻器、風(fēng)扇電機(jī)，按設(shè)定時(shí)間運(yùn)行后，第三個(gè)風(fēng)速值對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位置1，下面的依此類推。
該人機(jī)界面內(nèi)置日歷，用來(lái)顯示當(dāng)前時(shí)間，也可是修改時(shí)間的顯示格式。如圖2右上角顯示當(dāng)前的年月日、日期和時(shí)間。
(2) 風(fēng)速手動(dòng)畫(huà)面
圖4為風(fēng)速手動(dòng)畫(huà)面

圖4 風(fēng)速手動(dòng)畫(huà)面

在風(fēng)速手動(dòng)畫(huà)面上，放置有加一減一鍵、左右移動(dòng)鍵和輸入鍵，通過(guò)它們可以改變?cè)O(shè)定的風(fēng)速和時(shí)間值。
3.2 PLC的軟件設(shè)計(jì)
用PLC編制的程序主要完成的功能有:對(duì)9路環(huán)境參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、運(yùn)算;完成風(fēng)速的自動(dòng)、手動(dòng)調(diào)節(jié);PLC程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示:

圖5 程序結(jié)構(gòu)圖

PLC的程序和人機(jī)界面的畫(huà)面設(shè)計(jì)相互配合來(lái)完成系統(tǒng)的功能。在整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最明顯的特點(diǎn)是用了標(biāo)志位。以風(fēng)速自動(dòng)調(diào)節(jié)為例，對(duì)15個(gè)等級(jí)采用了15個(gè)標(biāo)志位，來(lái)分別完成對(duì)15個(gè)風(fēng)速等級(jí)的控制[6]。
4 變頻器功能參數(shù)的設(shè)置與控制方法
變頻器通過(guò)RS-485通信線和人機(jī)界面相連，通過(guò)人機(jī)界面對(duì)風(fēng)速電機(jī)進(jìn)行調(diào)控[7]。變頻器的接線圖如圖6。利用編碼器、編碼器反饋卡實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。風(fēng)洞風(fēng)速用變頻器的PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。變頻器主要功能參數(shù)的設(shè)置附表。

附表 變頻器主要功能參數(shù)

圖6 變頻器接線圖

5 系統(tǒng)調(diào)試
5.1 脫機(jī)調(diào)試
為了縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，在安裝之前先進(jìn)行脫機(jī)調(diào)試。首先用下載線分別下載程序到PLC和人機(jī)界面，再用通信線RS-422把PLC和人機(jī)界面相連，上電檢查PLC和人機(jī)界面能否正常通信。在調(diào)試中，遇到了通信出錯(cuò)的情況，通過(guò)改變PLC和人機(jī)界面的通信參數(shù)，最后使它們能夠正常通信。接下來(lái)把PLC和3個(gè)模擬輸入單元相連，給模擬輸入模塊任意通道一個(gè)0～10V的電壓信號(hào)，在PLC編程畫(huà)面里的數(shù)據(jù)表中看相應(yīng)的數(shù)字變換值，在調(diào)試中變換值正確，PLC和三個(gè)輸入模擬單元連接正常。最后，有485通信線連接變頻器和人機(jī)界面，用人機(jī)界面顯示變頻器某個(gè)功能代碼的值，在調(diào)試中，通信正常，并能正確顯示功能代碼的值。最后，把按系統(tǒng)要求編制的程序下到PLC和人機(jī)界面里，PLC的輸入接上開(kāi)關(guān)量進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試通過(guò)。
5.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試
在脫機(jī)調(diào)試通過(guò)之后，進(jìn)行帶負(fù)荷，也就是帶電機(jī)后的試運(yùn)行調(diào)試。變頻器和電機(jī)相連，上電，用變頻器的鍵盤面板操作方式，分別按FWD正轉(zhuǎn)鍵、REV反轉(zhuǎn)鍵和STOP鍵，看電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，加減速平穩(wěn)。之后增加運(yùn)行頻率，繼續(xù)試運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行正常。
6 結(jié)束語(yǔ)
由于當(dāng)時(shí)的歷史條件所決定，早期建設(shè)的低速風(fēng)洞設(shè)備落后，自動(dòng)化程度不高，這和當(dāng)前科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代不相適應(yīng)，必須對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，針對(duì)某風(fēng)洞改造實(shí)現(xiàn)的控制方案較好的達(dá)到了預(yù)期的效果。