一种用于风洞安全启闭的联动控制方法与流程

1.本发明涉及高超声速风洞运行领域。更具体地说，本发明涉及一种用于风洞安全启闭的联动控制方法。


背景技术：

2.在高超声速风洞运行过程中，热阀和快速阀的动作必须保证按一定的逻辑和顺序执行，否则将损坏试验设备，并可能造成重大事故。在此试验装置中，要求两台阀门按照以下规则动作：热阀未有开阀动作前，快速阀不能打开，快速阀未完全关闭前，热阀不能关闭。
3.而现有技术中，上述阀门控制规则的实现方案是：分别在快速阀的第三执行器和热阀的第四执行器上安装阀门全开和全关位置检测开关，电控系统中的plc实时采集各阀位置信号，通过对指令信号和各阀位置信号的判断，按预定的逻辑控制液压系统的电磁阀，从而使快速阀和热阀按规则顺序做出动作。
4.具体来说，现有风洞运行过程中的快速阀和热阀控制原理如图4所示。系统中快速阀的第三执行器配置了全开、全关位置检测开关，热阀的第四执行器也是相同配置。两个阀门动作顺序全部通过检测开关检测，并由plc根据编制好的逻辑控制对应的第三电磁阀、第四电磁阀，从而使第三执行器、第四执行器按规定的顺序工作，其存在的缺点在于单一的位置检测开关的方案的可靠性较低，不足以保证试验装置安全。
5.为了提升可靠性，也有另外一种冗余位置检测开关配置方案，即在对应的第三执行器、第四执行器上分别配置双重冗余的检测开关，按1oo2或2oo2或2oo3等逻辑判定各对应执行器的实际位置，其控制原理基本相同，而即便采用多重冗余的检测开关配置，因其检测机制相同、安装位置相近，对电磁阀的控制机制相同等同构特征，依然存在不可忽略的可靠性缺陷。
6.故现有的各种实现方法虽然通过电控系统、多个位置检测开关和对应的执行器等多个环节共同参与，但仍然存在安全保护措施过于简单，系统中任何部件故障都有可能导致故障发生，从而严重影响试验安全。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
8.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于风洞安全启闭的联动控制方法，在风洞快速阀的第一执行器和热阀的第二执行器上，均设置相配合的电控单元和机控单元，以在电控单元和机控单元均满足开阀顺序要求或关阀顺序要求时，控制快速阀或热阀执行相应的开阀或关阀动作。
9.优选的是，所述电控单元被配置为包括：在第一执行器和第二执行器外部支架上，分别设置有对阀门全开和全关位置进行
检测的开行程开关、关行程开关。
10.优选的是，所述机控单元被配置为包括：在第二执行器和第一执行器外部支架上分别设置有相配合的第一液控阀、第二液控阀，且各液控阀的作动杆在空间上与对应执行器活塞杆上的凸轮所在位置相配合；其中，第一液控阀、第二液控阀分别通过相配合的第一液控单向阀、第二液控单向阀与快速阀、热阀联接。
11.优选的是，所述第一液控单向阀、第二液控单向阀的连接通路上分别并联有相配合的第一手动式开关阀、第二手动式开关阀。
12.优选的是，还包括：设置在第一液控阀输出口的第一压力传感器，以及设置在第二液控阀的输出口的第二压力传感器。
13.优选的是，对于关阀顺序要求来说，所述机控单元的控制逻辑流程被配置为包括：当快速阀处于非全关位置时，第一执行器活塞杆上的凸轮与第二液控阀的作动杆不接触，第二液控阀处于非工作状态，热阀侧的第二液控单向阀控制口连通回油以使第二液控单向阀反向关闭，进而使热阀关阀时的回油管路截止无法执行关阀动作；当快速阀处于全关位置时，第一执行器活塞杆上的凸轮因位置变换后压动第二液控阀的作动杆，压力油通过第二液控阀后使第二液控单向阀反向打开后双向导通，进而使热阀的开关阀动作不受限制。
14.优选的是，对于开阀顺序要求来说，所述机控单元的控制逻辑流程被配置为包括：当热阀处于全关位置时，第二执行器活塞杆上的凸轮压动第一液控阀的作动杆，快速阀侧的第一液控单向阀控制口连通回油以使第一液控单向阀反向关闭，进而使快速阀开阀时的进油通道截止无法执行开阀动作；当热阀离开全关位置后，第一液控阀复位使第一液控单向阀反向开启以使快速阀的开关阀动作不受限制。
15.优选的是，还包括试验前或试验过程中对电控单元和机控单元工作的第一重逻辑校验和第二重逻辑校验，并在二重校验均通过时使工作流程继续进行，否则发出报警信号，并触发停机指令。
16.优选的是，所述第一重逻辑校验包括：当快速阀和热阀各处于全关或非全关位置时，快速阀的关行程开关为打开状态时，快速阀的值应与系统压力一致，否则快速阀的值应为0；当快速阀和热阀各处于全关或非全关位置时，热阀的关行程开关为打开状态时，热阀的值应为0，否则热阀的值与系统压力一致。
17.优选的是，所述第二重逻辑校验包括：在液压泵间歇运行工况时，如快速阀处于全关位置时，则第一压力传感器的时间序列应与系统压力的时间序列相同；当热阀处于非全关位置时，第二压力传感器的时间序列与系统压力的时间序列相同。
18.本发明至少包括以下有益效果：本专利是采用电控和机控两种异构化的检测机制，以电控逻辑实现各种试验工况下快速阀和热阀的顺序动作控制、以机控逻辑实现错误动作的禁止机制，并使电控和机控两个逻辑回路通过不同信号的检测实现两个逻辑实现回
路的校验，克服了风洞启闭控制过程的安全性偏低的难题。
19.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
20.图1为本发明的用于多阀门安全联动的联动逻辑控制原理示意图；图2为本发明快速阀和热阀的开阀电控逻辑流程示意图；图3为本发明快速阀和热阀的关阀电控逻辑流程示意图；图4为现有风洞试验中快速阀和热阀的电控控制原理示意图；其中，plc控制器-1，第一执行器-2，第二执行器-3，第一开行程开关-4，第二开行程开关-5，第一关行程开关-6，第二关行程开关-7，第一液控阀-8，第二液控阀-9，第一液控单向阀-10，第二液控单向阀-11，第一手动式开关阀-12，第二手动式开关阀-13，第一压力传感器-14，第二压力传感器-15，第三压力传感器-16。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
22.本发明应用于风洞快速阀和热阀的控制。根据风洞试验要求和试验设备条件，试验过程要求：热阀未有开阀动作前，快速阀不能打开；快速阀未完全关闭前，热阀不能关闭。为了便于后续描述，我们简称之为“开阀顺序要求”和“关阀顺序要求”。
23.如图1所示，本发明采用包含控制逻辑算法的plc控制器1、位置检测开关、电磁换向阀等部件，以电控方式实现了诸阀门按要求顺序进行开关的动作控制功能。本发明还采用机控阀、在各执行器活塞杆上均设置与机控阀相配合的凸轮机构、液控阀等机械液压部件，以机控方式实现了防止错误动作发生的误动禁止功能，且图1中单实线表示液压回路，双实线表示机控回路，虚线表示电控回路，而箭头所示方向为阀门关闭方向。
24.在具体的实施中，所述电控单元被配置为包括：在快速阀的第一执行器2和热阀的第二执行器3外部支架上，分别设置有对阀门全开位置进行检测的第一开行程开关4与第二开行程开关5，以及对全关位置进行检测的第一关行程开关6与第二关行程开关7。
25.所述机控单元被配置为包括：在第一执行器和第二执行器外部支架上，分别设置有相配合的第一液控阀8、第二液控阀9，且各液控阀的作动杆在空间上与对应的各执行器活塞杆上的凸轮（未示出）所在位置相配合；其中，第一液控阀、第二液控阀分别通过相配合的第一液控单向阀10、第二液控单向阀11与快速阀、热阀联接；所述第一液控单向阀、第二液控单向阀的连接通路上并联有相配合的第一手动式开关阀12、第二手动式开关阀13，在实际的应用中，在设备调试阶段，可以通过分别打开对应的手动式开关阀分别对快速阀和热阀的状态进行检验与测试；在本方案中，因采用机控方式与电控方式共同配合，通过联动的方式对快速阀和
热阀的工作状态进行检测，采用的元件和实现原理等均不相同，是两种独立性强、异构化的控制逻辑实现形式，组合使用可使系统的安全性大大增强。
26.1、以电控方式实现诸阀门按要求顺序进行开关动作的方法在快速阀的外部支架上，对应该阀门全开和全关位置安装行程开关，用以检测快速阀的全开或全关位置。同样，在第二执行器外部支架上，对应其全开、全关位置安装位置检测开关，用以检测热阀的全开或全关位置。
27.两台阀门按照以下规则动作：热阀未有开阀动作前，快速阀不能打开，快速阀未完全关闭前，热阀不能关闭。
28.（1）如图2的热阀和快速阀的开阀过程的电控逻辑方式，在初始状态中，满足以下状态：a、快速阀全关位，热阀全关位；b、第一电磁阀、第二电磁阀失电；根据上述控制流程，执行开阀动作时第二执行器首先开启，热阀关阀位置检测开关发出脱离全关位的信号后，控制系统再启动快速阀的开阀动作，从而实现“开阀顺序要求”。
29.（2）如图3的热阀和快速阀的关阀过程的电控逻辑方式，在初始状态中，满足以下状态：a、快速阀全开位，热阀全开位；b、第一电磁阀加电、第二电磁阀失电；根据上述控制流程，执行关阀动作时快速阀首先关阀，至其全关到位后，快速阀关阀位置检测开关发出全关到位信号，然后控制系统再启动第二执行器执行热阀的关阀动作，从而实现“关阀顺序要求”。
30.上述过程中，位置检测开关一般使用行程开关、接近开关或其它位置检测形式。plc或其它类型的电控系统接收位置信号、执行控制逻辑和对电磁阀等执行元件发出控制指令信号。
31.2、以机控方式实现误动禁止功能的方法（1）第二液控阀安装在第一执行器支架上，快速阀在全关位置时，第一执行器活塞杆上的凸轮压动第二液控阀作动杆，压力油通过第二液控阀后使第二液控单向阀反向打开后双向导通，这样热阀的开关阀动作均不受限。
32.当快速阀处于非全关位置时，凸轮脱离第二液控阀使其复位，第二液控单向阀控制口连通回油，第二液控单向阀反向关闭，使热阀关阀时的回油管路截止，从而使热阀无法执行关阀动作。即：当快速阀不在全关位置时，第二执行器快速阀无法实现关闭动作。这样就对不符合“关阀顺序要求”误动作实现了机控方式的禁止限制。
33.（2）第一液控阀安装在第二执行器支架上，热阀全关时，第二执行器活塞杆上的凸轮压动第一液控阀作动杆，使第一液控单向阀控制油连通回油，第一液控单向阀反向关闭，使快速阀开阀时的进油通道截止，从而使快速阀无法实现开阀动作。这样就对不符合“开阀顺序要求”误动作实现了机控方式的禁止限制。
34.只有当第二执行器离开全关位置后，第一液控阀复位使第一液控单向阀反向开启，这样快速阀上的第一执行器开关阀动作均不受限。
35.上述措施，对风洞试验快速阀和热阀动作顺序要求，采用了异构化的冗余控制方式，确保试验过程中诸阀门动作正确，最大限度防止阀门错误动作，避免重大试验事故发生。故本发明的优点是增加了不同于电控逻辑的异构化的机控逻辑保障机制，而机控逻辑的实现过程和功能元件同样处于有效的监测之下，安全性大大提高。
36.另外的实现方案，是在现有的电控逻辑基础上，增加冗余的位置检测开关，或使用
冗余的第四压力传感器检测机控阀输出压力。电控系统除了使用plc实现信号采集、逻辑处理和输出控制，也可以采用其它带有微处理器的电控系统实现上述功能。
37.3、电控和机控的逻辑校验原理和实现本发明还通过测压方法对主要机控部件进行检测，以校验机控功能的完整性，并对系统中特定点位的压力动态监测，保证机控校验功能具有较高的可信性。
38.试验中第二执行器或第一执行器周围环境温度较高、各执行器随阀门振动明显，位置检测开关、机控阀和凸轮等，都是安装在对应执行器的支架上，容易产生电气或机械故障。此系统中设计有逻辑校验功能，检验电控逻辑和机控逻辑的一致性。
39.如图1，为了实现校验功能，系统在第一液控阀的输出口配置了第一压力传感器14，在第二液控阀的输出口配置了第二压力传感器15。位置检测开关和第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器16检测的系统压力（系统压力用ps表示）之间的关系如下：表1
快速阀上的第一关行程开关快速阀备注onps快速阀处于全关位置，第一液控阀压动，输出口通压力油off0快速阀不在全关位置，第一液控阀复位，输出口通回油
表2
热阀上的第二关行程开关热阀值备注on0热阀处于全关位置，第二液控阀压动，输出口通回油offps热阀不在全关位置，第二液控阀复位，输出口通压力油
（1）第一重逻辑校验快速阀和热阀各处于全关或非全关位置时，第一关行程开关、第二关行程开关与第一压力传感器、第二压力传感器的数值关系应满足表1-2的要求。
40.（2）第二重逻辑校验本系统采用的液压泵间歇运行方式，即系统压力低于设定低限值时液压泵对系统补压，当系统压力达到设定高限值时液压泵停止补压。因此，系统压力是在一定范围变动的，由此形成第二重逻辑校验规则：a、快速阀处于全关位置时，第一压力传感器的时间序列与系统压力的时间序列相同；b、热阀在非全关位置时，第二压力传感器的时间序列与系统压力的时间序列相同；通过系统压力信号、各液控阀输出压力信号的时间序列数据比对，可以确定各压力传感器的状态，提高了机控逻辑校验的可信性。
41.（3）通过试验前或试验过程中执行上述校验，当校验通过时工作流程继续进行；当校验未能通过时，发出报警信号，并触发停机指令。
42.在本方案中，利用位置检测开关和压力传感器，并利用系统压力波动的特点，通过比对一些状态下的位置信号和压力信号，构建了电控和机控逻辑的校验机制，有助于及早发现系统中关键部件故障，有助于避免安全保障措施的失效以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
43.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
44.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。