发动机喷雾实验系统测控软件设计探析

摘要:发动机喷雾实验系统的建设目的是测量发动机喷注器的喷雾场液滴直径和速度的分布，评估喷注器喷射的雾化特性，为发动机喷注器的优化设计提供实验数据支撑。为了达到简化操作流程，降低实验人员的劳动强度，保证实验过程的稳定可靠以及实验数据的完整和准确，提出了一种基于S7-1500PLC和WinCC的发动机喷雾实验系统的测控系统解决方案。通过PLC的通信口进行各个数据的采集，并将数据的实时监测、数据处理等功能全部集成到WinCC中。测控系统的实验数据处理软件的设计方便了相关研究人员从庞大的实验结果数据中快速提取和加工出与实验相关的有意义的数据，加速研究成果转化效率。

关键词:发动机;喷雾;可编程逻辑控制器;测控系统;数据处理

0引言

喷注器喷射的雾化特性在动力机械领域和工程领域里的气体燃料发动机、飞机发动机和火箭发动机的发展中都有着重要影响［1］。近年来，随着我国汽车行业以及航天事业的蓬勃发展，动力系统研发取得了令人骄傲的成就，同时也对动力系统的研发提出了新的要求，主要的目标就包括提高发动机的性能和可靠性、缩短研发周期、降低设计制造成本等。喷注器作为发动机的核心部件，其技术性能决定了燃料、推进剂的雾化混合效果［2］。因此，设计一个功能完善的喷雾系统是保证准确测量发动机喷注器的喷雾场液滴直径和速度的分布，评估喷注器喷射的雾化特性的重要措施。

1测控系统软件设计

测控系统主要是以西门子PLCS7-1500产品为主构成的高可靠性、工业级的分布式测控系统，功能框图如图1所示。西门子S7-1500可编程逻辑控制器(PLC)是专为中高端和工厂自动化设计的新一代PLC，软硬件功能强大，响应速度快，控制精度高，运用范围广。PLC采用模块化设计，有完整的软硬件电磁兼容设计，抗扰能力强，可靠性优于其他板块插件式工控机。相较于插板式工控机，该系统可靠性高，工控机与测控子模块实现了物理上的独立，实时性更高，整个系统的可扩展性更好。采用工业以太网总线提高了通信的速度，并易于和其他计算机通信。测控系统软件包括三个部分:上位机监控界面开发、下位机PLC程序设计和触摸屏画面设计。上位机画面采用西门子组态软件WinCCV7．5进行界面开发，实现对现场设备的状态显示、参数设置、故障报警、数据实时处理、时间日期和报表统计等功能。下位机控制器编程使用STEP7V5．5作为软件开发环境，同时实现各个模块的硬件组态、数据通信、程序下载和程序调试［3］。现场触摸屏画面使用WinCCflexible2008进行人机交互界面的开发。

2测控系统上位机画面设计实现

2．1开发软件介绍

本文使用WinCCV7．5实现上位机监控界面开发，实现对现场过程的数据采集、参数设置、数据处理、设备控制、可视化显示和报表归档等功能。WinCC可以直接使用STEP7中的变量表，因此它具有很强的便利性与灵活性，使系统的生产效率更高。系统的组成部分包括:资源管理器、编程接口、消息系统、通信系统、归档系统、图形系统、Windows标准接口、报表系统和脚本处理系统等［4］，这些组成部分能够协调工作。

2．2测控界面

测控系统具有手动/自动功能，能对每个电磁阀和电动调节阀进行手动和自动控制。自动控制由计算机根据工艺要求来控制，手动控制由操作者操作测控柜上的启停按钮或者WinCC界面按钮来控制。界面还包括了试验数据实时显示及计算结果展示区域等，用于监控数据的动态变化。整个测控流程及测控界面如图2所示。首先选择预先制定的测试方案，然后启动流量控制，确认流量满足实验工况，接着启动实验，待实验结束存储数据。界面上有测试进程显示，测试结束会有弹框提示。

2．3测试方案制定

测试方案制定界面如图3所示。首先是添加并选定需要进行的测试方案，在敲定测试方案之后填写测试工况相关参数，然后添加测试项并填写测试项参数，最后再点击确认将测试方案保存到测试方案数据库中。

3数据处理

依据姿轨控发动机试车数据处理规范进行室压、流量等参数的计算处理。压力、流量等参数常规数据采集速率为1kHz，所有全程段瞬时值数据中的数据时间间隔最短为0．001s，常规情况下取值0．001s。时间区间为(－5，(ton+5))，单位为s。由于温度参数对时间敏感度不高，所以对于温度参数的全程段瞬时值数据时间间隔取值0．1s。稳态试车的时间区间为(－1，(ton+1))，单位为s。其中ton为产品阀工作时间。

3．1室压计算

室压参数的计算包括计算平均值、全程段最大值Pc，max、启动段峰值Pc，sp及对应时间tPc，sp。3．1．1平均值。产品阀得电时刻为时间零点，在(ts，(ton－0．2))的时间区间内取平均值，按式(1)计算。稳态试车时需对室压参数进行零位修正。式中:Pc是室压瞬时值，单位为MPa;Pcz是室压零位，单位为MPa;PB为大气压实测值，单位为MPa;Pc是稳态室压数据平均值，单位为MPa;ton是产品阀工作时间，本文中所有ton定义均相同，单位为s;ts是平均值取值开始时间点，本文中所有ts定义均相同，具体定义见表1，单位为s;S为采样速率，本文中所有S定义均相同，单位为Hz。3．1．2全程段最大值。Pc，max从产品阀得电时刻开始，计算全程段室压的最大值。3．1．3启动段峰值Pc，sp及对应时间tpc，sp从产品阀得电时刻开始，计算2s内室压的最大值，并计算出该最大值对应的时间tPc，sp。

3．2入口压力计算

稳态试车的入口压力只计算平均值，平均值区间为(ts，(ton－0．2))。按下式计算:式中:Pi是稳态入口压力数据瞬时值，双组元时为Pio、Pif，单组元时为Piv，单位为MPa;Pi是稳态入口压力数据平均值，双组元时为Pio、Pif，单组元时为Piv，单位为MPa。

3．3流量计算

稳态试车的流量参数只计算平均值，均值区间为(ts，(ton－0．2))。按下式计算:式中:qm是稳态流量数据瞬时值(质量流量)，双组元时为qmo、qmf，单组元时为qmm，单位为g/s;qm为稳态流量数据平均值(质量流量)，双组元时为qmo、qmf，单组元时为qmm，单位为g/s。3．4温度计算温度的计算分为两种，一种是起动时刻瞬时值Ts，一种是全程段最大值Tmax。Ts的计算方法为从产品阀得电时刻各个温度的瞬时值;Tmax计算方法为从产品阀得电时刻开始，计算全程段温度的最大值，并记录达到该数值的的时间点，记为tT，max。

4结束语

本文采用S7-1500PLC和WinCC组态软件对发动机喷雾试验系统测控系统进行设计研究，实现了对温度、压力、流量等环境及系统参数的采集与处理分析;实现了整个实验过程自动化、实验流程可通过专用测控软件实现自主定制、测试过程和相关物理量的可视化实时监控、实验结果数据持久化存储、实验结果数据可视化展示和智能化分析等功能。通过设计达到简化操作流程，降低实验人员的劳动强度，保证实验过程的稳定可靠，保证实验数据的完整和准确，方便相关研究人员从庞大的实验结果数据中快速提取和加工出与实验相关的有意义的数据，加速研究成果转化效率。

参考文献:

［1］石璞，朱国强，李进贤，等．液体火箭发动机针栓喷注器雾化燃烧技术研究进展［J］．火箭推进，2020，46(4):1－13．

［2］王婕，余永刚，刘焜．HAN基液体推进剂喷雾场液滴尺寸分布的简化模型［J］．火炸药学报，2016，39(3):84－88．

［3］菲力浦·苏尔曼，约翰·福斯特，罗尔夫·帕德鲁特，等．用于燃气轮机喷雾和强化喷雾系统中的旋流压力喷嘴的雾化特性［J］．燃气轮机技术，2003，16(4):69－71．

［4］李勇．基于S7-1200PLC和WinCC的瓦斯抽采监控系统［J］．电气自动化，2020，42(4):66－68．

作者:叶梦阳 朱凌云 单位:东华大学信息科学与技术学院