下面文章通過梳理大型氣候環境實驗室工藝系統組成，分析了試驗任務對試驗過程控制、試驗測試、數據管理、試驗監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功能，進行系統劃分。綜合運用當下主流的工業自動化過程控制方式，進行了實驗室綜合管控系統設計。搭建了實驗室的綜合控制管理系統網絡結構，定義了網絡通訊方式。

　　關鍵詞：氣候環境實驗室,控制管理系統,功能需求,系統架構,網絡結構

　　大型氣候環境實驗室是一套大型的人工復合氣候環境綜合模擬設施，可實現對高溫、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境或極端氣候的模擬，滿足飛機在整機平臺上驗證氣候環境適應性，保證其在復雜氣候條件下的飛行安全[1]。氣候環境實驗室占地約5000m2，容積達13萬m3，設置有20余套獨立工作的工藝系統，可模擬的自然氣候環境多達11種。

　　實驗室綜合控制管理系統作為氣候環境模擬管理和氣候環境試驗實施的綜合化總控中心，通過協調控制各個工藝系統的運行，來執行飛機整機等被試件在實驗室氣候環境下的單項環境模擬試驗或復合環境模擬試驗，完成試驗信息發布，試驗任務配置，試驗過程監控，試驗數據的采集、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，協調工作復雜程度高，有必要通過梳理各工藝系統組成和氣候環境試驗流程，并結合當下主流的、先進的工業過程控制技術，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的網絡結構。

　　1綜合控制管理系統功能

　　大型氣候環境實驗室內氣候環境模擬試驗的實施主要由基礎環境模擬系統、特殊環境模擬系統和綜合控制管理系統三部分的聯合運行而展開。其中基礎環境模擬系統提供了可進行環境室內空氣溫度、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、制冷系統、新風系統等。

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

　　綜合控制管理系統則是進行實驗室管理和實施氣候環境模擬試驗的指揮中心，負責協調基礎環境模擬系統和特殊環境模擬系統的運行，共同完成飛機在環境室內的高溫、高寒、濕熱、吹風、降雨、風吹雨/雪、降霧、結冰、太陽輻照、發動機地面開車等氣候環境單項試驗和復合試驗的配置、控制與管理，實現對試驗數據的采集、傳輸、存儲、分析和試驗過程監控、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、試驗管理和數據中心管理，對象涵蓋實驗室全部計算機設備、通訊網絡、現場控制設備、測試儀表、執行器以及系統軟件、工具軟件和應用軟件及在試驗全過程發生的各類數據。

　　2)控制/監視。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配備、試驗自檢、試驗中斷、系統配電等。各工藝系統能夠根據試驗進行情況進行遠程控制和本地控制的實時切換。監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以及實驗室內各個工藝設備的電力運行狀態參數進行監視。主要內容包括實驗室環境視頻監視、試驗件視頻監視、工藝流程監視和關鍵參數監視等。

　　3)數據采集。數據采集是對試驗過程中環境室氣候環境數據、試驗設備運行數據及試驗件響應數據進行獲取、處理和分析。實現試驗過程全部數據和文件的存儲與管理，提供數據庫服務、文件服務、打印服務等。

　　4)安全保護。監視參與試驗的各工藝系統PLC控制器的運行狀態，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常見的工業控制系統網絡結構

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

　　其承載能力較弱，常用于小型控制系統;分散控制系統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，著重于閉環控制及數據處理。具有計算機控制系統控制算法先進、精度高、響應速度快的優點。其承載能力較好，多用于中、大規模的連續過程控制。

　　基于現場總線的FCS是3C(CommunicationComputerControl)技術的融合，由PLC和DCS的發展而來，是當今世界上最新型的全數字化、全分散、全開放的生產過程自動化系統，可以將PID控制徹底分散到現場設備中。由于從傳感器、變送器到調節器都是數字信號，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或特大型控制系統。DCS系統是封閉式系統，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、優化控制，未來還要上升到向實現控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發展，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統。FCS系統作為開放式系統，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現場總線，可達到最佳的系統集成[6-11]。

　　3面向實驗室的綜合控制管理系統結構設計

　　大型氣候實驗室需在同一個環境室內模擬11種不同的典型氣候環境，涉及的工藝系統多達20個，每套工藝系統又由數個工藝設備組成，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，綜合控制管理系統采用了雙網加環網的設計思路，對PLC\DCS\FCS三大控制系統進行綜合運用[12-17]，形成了“分散控制、集中管理、數據共享”的集散型控制網絡結構，凸顯了實驗室控制管理系統的特點和設計的先進性。其主干網絡采用雙冗余星形千兆以太網，可實現各個系統之間大量數據的交互。這種網絡實現了一層冗余功能，即當網絡中某一信道或者單臺交換機/工作站發生故障時，系統會在不影響其他系統工作的情況下自動進行傳輸路徑的切換，網絡會重新構建拓撲結構，從而維持整個系統正常運行。

　　該系統架構綜合考慮了實驗室工藝設備多、放置區域分散、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、測試數據可靠有效等多方面出發，使實驗室綜合控制管理系統具備如下特性：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，網絡運行安全、數據傳輸安全。

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

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

　　3.1系統架構

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

　　1)中央管理層，提供人機操作界面的最頂層系統。利用中央控制軟件進行控制指令的發送和實驗室狀態的監控，以及將現場反饋信息整合起來，供用戶分析決策。協調基礎環境模擬系統和各特殊環境模擬系統的工作，實現氣候環境試驗的配置、監控和管理。對氣候環境試驗數據進行采集和分析，具有試驗配置、試驗過程監控、試驗指揮、全景展示、大屏顯示、視頻監控、配電管理、網絡授時、數據服務、會議傳輸等功能。

　　2)過程控制層。進行各子系統功能控制的實際執行機構，主要包括各類現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，用于實現現場設備的監測與控制，接收中央管理層的命令，并向中央管理層傳遞實時數據。由基礎環境模擬系統環網、特殊環境模擬系統環網和安全控制環網組成。

　　基礎環模模擬系統環網上掛設制冷系統、載冷載熱系統、加熱系統、循環風系統、新風系統、冷卻水系統、壓力平衡系統的PLC控制器，均通過一臺核心控制器協調，實現環境室溫度、濕度、壓力的控制。特殊環模系統環網上包括太陽輻照系統控制器、吹風系統控制器、水系統控制器、凍雨/降霧系統控制器、淋雨系統控制器、發動機開車補氣系統控制器、結冰凍云系統控制器等。

　　依據不同的氣候環境試驗項目，這些控制器分別獨立或聯合與基礎環境模擬系統控制器協調工作。安全控制網絡是一個獨立的環網，基礎環模和各個特殊環模的控制器分別與之相連，其運行獨立的PLC控制程序。

　　3)現場設備層。包括環境模擬系統的測試儀表、執行機構等設備。它們以網絡節點的形式掛在現場總線網絡上，依照統一的現場總線協議，完成數據采集、I/O轉換、PID控制等各種功能[18]。

　　3.2網絡結構

　　氣候環境實驗室綜合控制管理系統的網絡由中央管理層網絡、過程控制層網絡、現場設備層網絡和數據采集系統網絡組成，各網絡的功能如下所述[17-18]。

　　1)中央管理層網絡。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，需進行大量的數據傳輸，采用星形千兆以太網。

　　2)過程控制層網絡。用于連接過程控制層的控制器(包括基礎環境模擬系統控制器、特殊環境模擬系統控制器及安全控制器)，將控制器的數據傳輸到中央管理層網絡。由于過程控制層網絡上的各設備空間位置分散，故該網絡采用環形Profinet工業以太網，支持OPC通訊機制，物理傳輸介質采用光纖，以提高數據通訊的穩定性和可靠性。

　　3)現場設備層網絡。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模塊和現場傳感器/執行器之間采用一對一的電纜連接。

　　4)數據采集系統網絡。用于數據采集系統設備的數據傳輸，采用星形千兆以太網，即用一臺交換機連接各個采集終端和數據采集工作站。該交換機同時連接在中央管理層的兩個核心交換機上，實現整個控制網絡的數據交互。

　　4結語

　　通過梳理氣候環境實驗室工藝系統組成及開展氣候環境模擬試驗對綜合控制管理系統的功能需求，綜合考慮各系統功能及其設備設置，從試驗運行可行性、完整性和系統可靠性、安全性、可擴展性及技術先進性出發，搭建了適用于多種氣候環境模擬試驗進行的實驗室綜合控制管理系統架構和適用于全部子系統/設備的網絡通訊方式，組成了一個集指揮調度、試驗過程控制、實驗室運行監控等多種功能相結合的信息網絡。以此為依據，綜合控制管理系統各個功能模塊將按照統一的通訊協議和通訊機制開展深化設計。

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