下面文章通過梳理大型氣候環(huán)境實驗室工藝系統(tǒng)組成，分析了試驗任務對試驗過程控制、試驗測試、數(shù)據(jù)管理、試驗監(jiān)控和試驗信息展示等多方面需求，明確了綜合控制管理系統(tǒng)功能，進行系統(tǒng)劃分。綜合運用當下主流的工業(yè)自動化過程控制方式，進行了實驗室綜合管控系統(tǒng)設計。搭建了實驗室的綜合控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，定義了網(wǎng)絡通訊方式。

　　關鍵詞：氣候環(huán)境實驗室,控制管理系統(tǒng),功能需求,系統(tǒng)架構,網(wǎng)絡結構

　　大型氣候環(huán)境實驗室是一套大型的人工復合氣候環(huán)境綜合模擬設施，可實現(xiàn)對高溫、低溫、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、太陽輻射、降霧和吹風等典型自然環(huán)境或極端氣候的模擬，滿足飛機在整機平臺上驗證氣候環(huán)境適應性，保證其在復雜氣候條件下的飛行安全[1]。氣候環(huán)境實驗室占地約5000m2，容積達13萬m3，設置有20余套獨立工作的工藝系統(tǒng)，可模擬的自然氣候環(huán)境多達11種。

　　實驗室綜合控制管理系統(tǒng)作為氣候環(huán)境模擬管理和氣候環(huán)境試驗實施的綜合化總控中心，通過協(xié)調控制各個工藝系統(tǒng)的運行，來執(zhí)行飛機整機等被試件在實驗室氣候環(huán)境下的單項環(huán)境模擬試驗或復合環(huán)境模擬試驗，完成試驗信息發(fā)布，試驗任務配置，試驗過程監(jiān)控，試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、上傳和分析以及試驗資源的管理等，以滿足實驗室氣候環(huán)境試驗全過程的控制管理和測試任務需要[2-3]。

　　由于實驗室工藝設備繁雜，布位分散，協(xié)調工作復雜程度高，有必要通過梳理各工藝系統(tǒng)組成和氣候環(huán)境試驗流程，并結合當下主流的、先進的工業(yè)過程控制技術，設計出一種能夠支持試驗高效可靠進行的綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構。

　　1綜合控制管理系統(tǒng)功能

　　大型氣候環(huán)境實驗室內氣候環(huán)境模擬試驗的實施主要由基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)和綜合控制管理系統(tǒng)三部分的聯(lián)合運行而展開。其中基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)提供了可進行環(huán)境室內空氣溫度、濕度、壓力模擬的各項基本設施[4]，主要包括空氣處理及集成控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、新風系統(tǒng)等。

　　特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)包含淋雨試驗模擬系統(tǒng)、太陽輻照試驗模擬系統(tǒng)、降雪試驗模擬系統(tǒng)、噴霧試驗模擬系統(tǒng)、吹風試驗模擬系統(tǒng)、積冰/凍雨試驗模擬系統(tǒng)，并輔以水、氣聯(lián)合控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對雨、雪、風、霧等各種特殊氣候環(huán)境的模擬。

　　綜合控制管理系統(tǒng)則是進行實驗室管理和實施氣候環(huán)境模擬試驗的指揮中心，負責協(xié)調基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)和特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的運行，共同完成飛機在環(huán)境室內的高溫、高寒、濕熱、吹風、降雨、風吹雨/雪、降霧、結冰、太陽輻照、發(fā)動機地面開車等氣候環(huán)境單項試驗和復合試驗的配置、控制與管理，實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析和試驗過程監(jiān)控、實驗室安全保護、實驗室資源管理等[5]。這些模塊保證了實驗室綜合控制管理系統(tǒng)應具備如下功能。

　　1)綜合管理。綜合管理包括資源管理、試驗管理和數(shù)據(jù)中心管理，對象涵蓋實驗室全部計算機設備、通訊網(wǎng)絡、現(xiàn)場控制設備、測試儀表、執(zhí)行器以及系統(tǒng)軟件、工具軟件和應用軟件及在試驗全過程發(fā)生的各類數(shù)據(jù)。

　　2)控制/監(jiān)視。控制是指對整個試驗過程的指揮調度，包括試驗流程的編制、不同試驗項目的工藝系統(tǒng)配備、試驗自檢、試驗中斷、系統(tǒng)配電等。各工藝系統(tǒng)能夠根據(jù)試驗進行情況進行遠程控制和本地控制的實時切換。監(jiān)視是指在試驗進行的各個階段，分別對實驗室和試驗件的運行狀態(tài)以及實驗室內各個工藝設備的電力運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)視。主要內容包括實驗室環(huán)境視頻監(jiān)視、試驗件視頻監(jiān)視、工藝流程監(jiān)視和關鍵參數(shù)監(jiān)視等。

　　3)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是對試驗過程中環(huán)境室氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、試驗設備運行數(shù)據(jù)及試驗件響應數(shù)據(jù)進行獲取、處理和分析。實現(xiàn)試驗過程全部數(shù)據(jù)和文件的存儲與管理，提供數(shù)據(jù)庫服務、文件服務、打印服務等。

　　4)安全保護。監(jiān)視參與試驗的各工藝系統(tǒng)PLC控制器的運行狀態(tài)，實施安全保護策略。

　　5)人員通信。試驗進行的各個階段，為實驗室工作提供必須的廣播通訊。

　　6)信息展示與仿真。通過試驗過程的全景顯示畫面對實驗室能力進行全方位介紹，具備為客戶提供能夠在試驗室外身臨其境感受試驗過程的功能[5]。

　　2常見的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

　　目前，在工業(yè)自動化過程控制中有三大控制系統(tǒng)，即PLC\DCS和FCS。長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化設備提供非常可靠的控制方案，通過數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)執(zhí)行邏輯運算，順序控制。

　　其承載能力較弱，常用于小型控制系統(tǒng);分散控制系統(tǒng)DCS是集計算機技術、控制技術、通信技術和CRT顯示技術于一身，對生產過程進行實時監(jiān)視、操作、管理和分散控制，構建一個完整的集散控制體系，著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。具有計算機控制系統(tǒng)控制算法先進、精度高、響應速度快的優(yōu)點。其承載能力較好，多用于中、大規(guī)模的連續(xù)過程控制。

　　基于現(xiàn)場總線的FCS是3C(CommunicationComputerControl)技術的融合，由PLC和DCS的發(fā)展而來，是當今世界上最新型的全數(shù)字化、全分散、全開放的生產過程自動化系統(tǒng)，可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設備中。由于從傳感器、變送器到調節(jié)器都是數(shù)字信號，所以能夠處理更復雜、更精準的信號。

　　其承載能力最強，適用于大型控制系統(tǒng)或特大型控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，重點在于控制，它以“分散”作為關鍵字，各公司產品基本不兼容。氣候實驗室更著重于全系統(tǒng)信息綜合管理，“綜合”是其關鍵字，不但要求最底層的實時控制、優(yōu)化控制，未來還要上升到向實現(xiàn)控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發(fā)展，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統(tǒng)。FCS系統(tǒng)作為開放式系統(tǒng)，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現(xiàn)場總線，可達到最佳的系統(tǒng)集成[6-11]。

　　3面向實驗室的綜合控制管理系統(tǒng)結構設計

　　大型氣候實驗室需在同一個環(huán)境室內模擬11種不同的典型氣候環(huán)境，涉及的工藝系統(tǒng)多達20個，每套工藝系統(tǒng)又由數(shù)個工藝設備組成，均有自己獨立的PLC控制，控制算法各不相同。加之氣候環(huán)境試驗過程并非一個完全自動化的過程，整個試驗周期需要邊調試、邊試驗、邊檢查，試驗過程會因為許多干擾因素而中斷或者反復。

　　鑒于以上原因，綜合控制管理系統(tǒng)采用了雙網(wǎng)加環(huán)網(wǎng)的設計思路，對PLC\DCS\FCS三大控制系統(tǒng)進行綜合運用[12-17]，形成了“分散控制、集中管理、數(shù)據(jù)共享”的集散型控制網(wǎng)絡結構，凸顯了實驗室控制管理系統(tǒng)的特點和設計的先進性。其主干網(wǎng)絡采用雙冗余星形千兆以太網(wǎng)，可實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間大量數(shù)據(jù)的交互。這種網(wǎng)絡實現(xiàn)了一層冗余功能，即當網(wǎng)絡中某一信道或者單臺交換機/工作站發(fā)生故障時，系統(tǒng)會在不影響其他系統(tǒng)工作的情況下自動進行傳輸路徑的切換，網(wǎng)絡會重新構建拓撲結構，從而維持整個系統(tǒng)正常運行。

　　該系統(tǒng)架構綜合考慮了實驗室工藝設備多、放置區(qū)域分散、相互間距離較遠的實際狀況，本著便于試驗調試和操作方便靈活，確保試驗能夠安全運行、測試數(shù)據(jù)可靠有效等多方面出發(fā)，使實驗室綜合控制管理系統(tǒng)具備如下特性：成熟性和先進性，成熟的基礎平臺和先進的智能優(yōu)化技術;易用、易維護性，綜合化試驗平臺和故障快速定位與糾錯;安全性，網(wǎng)絡運行安全、數(shù)據(jù)傳輸安全。

　　可靠性，冗余機制與容錯機制兼?zhèn)洌�具有高效的試驗運行成功率;可擴展性，系統(tǒng)容量可擴展、數(shù)據(jù)類型可擴展、通訊接口可擴展;節(jié)能，自動優(yōu)化試驗方案，降低試驗能耗和成本;經濟型，較高的性價比指數(shù)。此外，還設置了一套安全控制系統(tǒng)(也稱安全控制器)。該系統(tǒng)采用經IEC-61511認證的控制設備，運行獨立的監(jiān)控和處理程序，對實驗室試驗過程關鍵參數(shù)全程監(jiān)控，接收試驗中各系統(tǒng)的故障信號，定義系統(tǒng)級的聯(lián)鎖開關邏輯，保證工藝流程中相關聯(lián)的工藝系統(tǒng)安全。

　　當出現(xiàn)威脅人身安全、危及實驗室建筑結構等緊急事件時，發(fā)送系統(tǒng)設備急停指令，避免出現(xiàn)人員傷亡、設備損壞和建筑物破壞等安全事故。安全控制系統(tǒng)隸屬于實驗室綜合控制管理系統(tǒng)，但不參與試驗過程控制和管理。當且僅當出現(xiàn)安全事件時，它具有更高的優(yōu)先級，執(zhí)行預先設定好的安全策略。

　　3.1系統(tǒng)架構

　　實驗室綜合控制管理系統(tǒng)的拓撲結構從上到下分為三層：中央管理層、現(xiàn)場控制層和現(xiàn)場設備層[16]。

　　1)中央管理層，提供人機操作界面的最頂層系統(tǒng)。利用中央控制軟件進行控制指令的發(fā)送和實驗室狀態(tài)的監(jiān)控，以及將現(xiàn)場反饋信息整合起來，供用戶分析決策。協(xié)調基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)和各特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)氣候環(huán)境試驗的配置、監(jiān)控和管理。對氣候環(huán)境試驗數(shù)據(jù)進行采集和分析，具有試驗配置、試驗過程監(jiān)控、試驗指揮、全景展示、大屏顯示、視頻監(jiān)控、配電管理、網(wǎng)絡授時、數(shù)據(jù)服務、會議傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　2)過程控制層。進行各子系統(tǒng)功能控制的實際執(zhí)行機構，主要包括各類現(xiàn)場控制器和相應的管理控制上位機。其上運行自動控制算法，用于實現(xiàn)現(xiàn)場設備的監(jiān)測與控制，接收中央管理層的命令，并向中央管理層傳遞實時數(shù)據(jù)。由基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)和安全控制環(huán)網(wǎng)組成。

　　基礎環(huán)模模擬系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上掛設制冷系統(tǒng)、載冷載熱系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、循環(huán)風系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)的PLC控制器，均通過一臺核心控制器協(xié)調，實現(xiàn)環(huán)境室溫度、濕度、壓力的控制。特殊環(huán)模系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上包括太陽輻照系統(tǒng)控制器、吹風系統(tǒng)控制器、水系統(tǒng)控制器、凍雨/降霧系統(tǒng)控制器、淋雨系統(tǒng)控制器、發(fā)動機開車補氣系統(tǒng)控制器、結冰凍云系統(tǒng)控制器等。

　　依據(jù)不同的氣候環(huán)境試驗項目，這些控制器分別獨立或聯(lián)合與基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器協(xié)調工作。安全控制網(wǎng)絡是一個獨立的環(huán)網(wǎng)，基礎環(huán)模和各個特殊環(huán)模的控制器分別與之相連，其運行獨立的PLC控制程序。

　　3)現(xiàn)場設備層。包括環(huán)境模擬系統(tǒng)的測試儀表、執(zhí)行機構等設備。它們以網(wǎng)絡節(jié)點的形式掛在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上，依照統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議，完成數(shù)據(jù)采集、I/O轉換、PID控制等各種功能[18]。

　　3.2網(wǎng)絡結構

　　氣候環(huán)境實驗室綜合控制管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡由中央管理層網(wǎng)絡、過程控制層網(wǎng)絡、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡組成，各網(wǎng)絡的功能如下所述[17-18]。

　　1)中央管理層網(wǎng)絡。用于連接中央管理層的各上位機工作站、服務器、打印機，各設備空間距離近，需進行大量的數(shù)據(jù)傳輸，采用星形千兆以太網(wǎng)。

　　2)過程控制層網(wǎng)絡。用于連接過程控制層的控制器(包括基礎環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器、特殊環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器及安全控制器)，將控制器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍芾韺泳W(wǎng)絡。由于過程控制層網(wǎng)絡上的各設備空間位置分散，故該網(wǎng)絡采用環(huán)形Profinet工業(yè)以太網(wǎng)，支持OPC通訊機制，物理傳輸介質采用光纖，以提高數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性和可靠性。

　　3)現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡。PLC控制器及遠程I/O模塊之間采用Profibus-DP總線連接，遠程I/O模塊和現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器之間采用一對一的電纜連接。

　　4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡。用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設備的數(shù)據(jù)傳輸，采用星形千兆以太網(wǎng)，即用一臺交換機連接各個采集終端和數(shù)據(jù)采集工作站。該交換機同時連接在中央管理層的兩個核心交換機上，實現(xiàn)整個控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互。

　　4結語

　　通過梳理氣候環(huán)境實驗室工藝系統(tǒng)組成及開展氣候環(huán)境模擬試驗對綜合控制管理系統(tǒng)的功能需求，綜合考慮各系統(tǒng)功能及其設備設置，從試驗運行可行性、完整性和系統(tǒng)可靠性、安全性、可擴展性及技術先進性出發(fā)，搭建了適用于多種氣候環(huán)境模擬試驗進行的實驗室綜合控制管理系統(tǒng)架構和適用于全部子系統(tǒng)/設備的網(wǎng)絡通訊方式，組成了一個集指揮調度、試驗過程控制、實驗室運行監(jiān)控等多種功能相結合的信息網(wǎng)絡。以此為依據(jù)，綜合控制管理系統(tǒng)各個功能模塊將按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議和通訊機制開展深化設計。

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