发表于：2012/12/10 14:07:26
#0楼
LOGO! 在特种燃烧器控制系统中的试用报告
郭颀 郭子敬 侯文杰
摘要：本报告详细介绍了高背压特种燃烧器的技术需求，LOGO! 在该特种燃烧器上应用的技术方案。在参数摸索试验和应用中作为控制系统的接线图、T型图及试验完成情况。
关键词： 西门子LOGO! 特种燃烧器 控制系统
一、应用简介
1. 应用简述：热气浮空器在旅游观光、应急通信等领域有着广泛的应用前景。通用热气球的燃烧器只能在零压下工作，无法满足在高背压下的工作需要，为了实现热气浮空器项目高背压增压燃烧的目的，项目组采用今年6月在中华工控网体验项目中申请的“LOGO！智能逻辑控制器”开展了该项目的研究开发工作。由于LOGO! 智能逻辑控制器的便捷易扩展性，项目组将主要精力投入到燃烧器的部件改造中，将原来220VAC体制的很多功能模块和执行机构都更换为球上24VDC体制的功能模块和执行机构，经过2个多月的研究开发，项目组迅速完成了测试阶段和初步试样阶段的开发工作。该项目的开发成功将解决制约热气浮空器的燃烧机瓶颈，为热气浮空器在各领域的推广应用打下坚实基础。按照前期低空开放下的市场需求分析，在未来的5～10年中，热气浮空器将迎来大发展时期，市场年需求量将达到数以万计的级别。
2. 中国航天科工集团7801研究所隶属于中国航天科工集团，位于历史文化名城湖南省长沙市。主要从事浮空器、惯性指导和测试设备、新型光学惯性敏感器件等产品的科研生产。 多年来， 7801 所秉承“国家利益高于一切”的核心价值观，忠诚履行“科技强军、航天报国”的神圣使命，始终坚持“以军为本，军民融合”的发展思路，圆满完成了多个国家重点型号配套产品的研制生产任务。中国航天科工集团7801研究所作为航天惯性器件和浮空器产品的研发基地，坚持自主创新，锐意进取的经营理念，开发研制以惯性技术、光学惯性敏感器件为主导的系列惯性产品和各式无人驾驶、载人浮空器产品。产品范围覆盖：挠性捷联惯性测量组合、激光陀螺捷联惯性测量组合、光纤陀螺捷联惯性测量组合、新型光学惯性敏感器件、弹上伺服控制系统及伺服元件、防空导弹武器系统发控和测试设备等高科技军用设备；1千立方米至一万多立方米系留艇系列，数百立方米至数十万立方米自控飞艇、载人飞艇系列，数十立方米至数十万立方米可控气球系列等各种浮空器。7801研究所经过多年的努力发展，在型号武器控制领域形成了一定的知名度，现产值近两个亿，职工870余人。其中研究员、享受政府特殊津贴的专家20余名，具备很强的的产品创新和批生产能力。军工产品获得了数十项部省级科技进步奖和国防发明专利，研究攻关能力受到了总装备部、国防科工局、中国航天科工集团领导的高度好评。
二、应用说明
普通燃烧器在高动态高反压下无法正常工作，而且进气鼓风机体积和重量都较大，无法满足热气浮空器轻质高可靠的使用需要。为了尽快验证普通燃烧器经过改进研制后在高动态高反压下的使用效果，我所开展了以SIEMENS LOGO!为控制核心的新型燃烧器的改进研制。
1. 应用功能描述
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2. 系统组成及工作流程：
智能燃烧控制系统主要由燃烧器组件和控制组件两大部分组成。其中，燃烧器组件包括电控风门、进气鼓风机、电控喷油嘴、油泵、电子打火器，控制组件包括SIEMENS LOGO! 通用逻辑控制模块、控制转换器和风门风向传感器、火焰点燃传感器、火焰高度传感器等各外围传感器。系统组成框图如图2所示。
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工作流程是：打开风机并调节转速、开启风门、在风流量为进风时打开油泵 和喷嘴，同时点火5秒，在火焰探测到火焰时加大风机转速，控制火焰高度；运行中可以根据需要逐步打开或关闭其余两个喷嘴，同时调节风机转速和油泵压力，控制火焰高度；在收到关车指令时逐步减少燃油压力和喷嘴，火焰熄灭后风机继续工作30秒，冷却系统。
3. 系统需要分析：该项目时间紧任务急，配合现有控制电路，需要控制的模拟量和数字量符合西门子的LOGO! 产品的能力，而且可以现场改变程序调节测试量和改变逻辑顺序关系，以摸索喷嘴、油压、风机转速之间的理想对应关系，为解决三者协调配合的技术难题提供了便捷的技术途径，非常符合项目开发需要。相比其他方案有可靠、快速实现等诸多好处。
三、应用的设计与实现
1. 系统接线图
本系统使用SIEMENS LOGO! 通用逻辑控制模块作为核心，根据外部传送的控制指令和各路传感器实时收集的运行情况数据进行运算和判断，即时地调节各机械部件的运行状态，来实现该特种燃烧器在高背压下可靠点火、平稳燃烧、可以大范围调节燃烧功率的设计功能。系统接线图如图3所示：
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在点火时，燃烧器控制组件打开鼓风机并逐渐开启进气风门，调节鼓风机转速使空气处于开始进气的临界状态，打开油泵和一路喷嘴，同时打开点火器，火焰传感器检测火焰的存在，若火焰存在就调节风机转速，使其火焰高度到达预定火焰高度，否则重新开始点火程序。点火成功后，系统可以根据指令需要控制风机转速、油泵油压和开启火焰的头数来实现从一段火到三段火燃烧功率的平稳调节。
该燃烧器要求控制器能自动控制风门和鼓风机，调整火焰高度，保证点火成功率；增大、减小功率时保证燃烧器输出变化平稳；运行过程中保证燃烧器的安全可靠，能够自动监测故障并自行恢复，出现无法恢复的故障能进行安全处理并发出警报；从点火到关车全过程保证整个燃烧器的安全运行。燃烧器控制流程如下：
（1） 燃烧器启动
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流程图说明：控制器收到启动指令后，以最小状态打开风门和进气鼓风机并自动调节保证风力向内，开启油泵，开启喷嘴1同时进行点火，若点火成功，检测并自动调节保持火焰高度是否在最佳范围内，点火过程完成；若点火失败，则增大进气量再次尝试点火，直到点燃；若进气量增大至最大值再减小至最小值一次循环过后点火仍然失败，则关闭所有部件并报错告警。
（2） 稳定控制
控制器在燃烧器的整个工作过程中实时监测燃烧器的各项指标，以确保燃烧器处于最佳工作状态。在运行中若存在不稳定因素而且无法自动调节解决时，将采取报错、停机并报错等措施进行处理。
① 火焰高度过高
控制器监测到火焰高度过高时，说明有油气浓度过高、燃烧不完全等倾向，将依次采取增大进气鼓风机转速、加大风门、降低油泵压力等措施来提高进风风压减少燃油供给，直到火焰高度降至正常水平。如果火焰高度过低，则说明油气浓度偏低，过量空气被打入热气浮空器，系统将进行反向操作。如果风压增至最大或减至最小，火焰高度仍然较长时间不符合要求，则需要调节油泵压力，同时输出燃油调节信息。
② 燃烧器熄火
控制器监测到燃烧器意外熄火时，立刻保存当前的工作状态，立即停止供油并重新启动点火过程。若点火成功，则逐步自动恢复到熄火前的工作状态。若点火尝试失败，说明燃烧机故障，关闭系统并告警。
③ 风门无法正常进气
控制器监测到风门气流方向异常时，将采取增大鼓风机转速的措施提高进气风压，若鼓风机转速达最大值气流方向仍然长时间异常，则关闭系统并告警。
（3） 功率调节
控制器收到增大功率指令后，逐步增大油泵压力，提高鼓风机转速，直到逐个打开喷油嘴2（喷油嘴3），并使得火焰高度控制在最佳范围内。控制器收到减小功率指令后，减小鼓风机转速同时减小油泵压力，并逐个关闭喷嘴（以3,2,1顺序），保证火焰高度在最佳范围内，指令完成后报告执行成功。
（4） 紧急关车
控制器收到紧急关车指令后，依次关闭喷油嘴、油泵、风门和鼓风机，确认所有部件关闭后，报告指令执行成功。
2. I/O分配表
表1 燃烧器控制器输入输出信号表
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3. LOGO! 控制程序说明
本项目针对的燃烧器控制主要是顺序控制结合逻辑控制，使燃烧器能顺利点燃并防止燃烧器在测试过程中发生危险，虽然油泵、风门和鼓风机的调速都是增减步进制，为了安全可靠起见模拟量的增减在这一阶段仍然采用手动完成。后续过程将利用触点的开合来实现模拟量的增减。现阶段的主要任务是摸索出燃油与空气的配比及实时、自动地控制的方法。控制逻辑图如下图5所示。
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4. 应用设备图片展示
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经过方案设计、组装和实验等多阶段的研究，我们搭建出了能够稳定运行、达到预期功能和技术指标的智能燃烧控制系统，在项目研究中，切实体会到了如前文所述的LOGO!具有的各种独到的特性。上图为使用中的LOGO!控制器。
四、应用体会
在本项目研究中，LOGO! 通用逻辑控制模块作为控制系统的核心发挥出了它的极大优势，在相对简单的控制系统案例中能够达到低投入、高产出的效果。
1. LOGO!在实际工控应用中，与传统方案相比，节省了大量的时间和空间，减低了控制系统的设计难度和复杂性，提高了控制系统的稳定性和可靠性。同时，LOGO!还具有非常好的可扩展性，需要增添、修改功能时，能够非常灵活地进行操作而几乎不影响现有的控制方案，在较小规模的控制系统中表现出了极大的优势。
2. 这次研制中遇到的主要困难就是模拟量的采集和输出不能像计算机系统那样可以独立采集和输出，在模拟量输入和输出不是简单函数关系时，在一定程度上限制了应用范围。
3. 对简单逻辑和顺序控制的设备和场合，尤其是其可扩展性，西门子LOGO!产品有极大的优势。
4. 本项目是试验性项目，已经完成各项参数的测试，圆满完成测试任务。
参考文献
[1] 《飞艇技术概论》：
[2] 参考文献内容：参考文献正文用宋体9号字体
[3] 参考文献内容：参考文献正文用宋体9号字体
郭颀 郭子敬 侯文杰
摘要：本报告详细介绍了高背压特种燃烧器的技术需求，LOGO! 在该特种燃烧器上应用的技术方案。在参数摸索试验和应用中作为控制系统的接线图、T型图及试验完成情况。
关键词： 西门子LOGO! 特种燃烧器 控制系统
一、应用简介
1. 应用简述：热气浮空器在旅游观光、应急通信等领域有着广泛的应用前景。通用热气球的燃烧器只能在零压下工作，无法满足在高背压下的工作需要，为了实现热气浮空器项目高背压增压燃烧的目的，项目组采用今年6月在中华工控网体验项目中申请的“LOGO！智能逻辑控制器”开展了该项目的研究开发工作。由于LOGO! 智能逻辑控制器的便捷易扩展性，项目组将主要精力投入到燃烧器的部件改造中，将原来220VAC体制的很多功能模块和执行机构都更换为球上24VDC体制的功能模块和执行机构，经过2个多月的研究开发，项目组迅速完成了测试阶段和初步试样阶段的开发工作。该项目的开发成功将解决制约热气浮空器的燃烧机瓶颈，为热气浮空器在各领域的推广应用打下坚实基础。按照前期低空开放下的市场需求分析，在未来的5～10年中，热气浮空器将迎来大发展时期，市场年需求量将达到数以万计的级别。
2. 中国航天科工集团7801研究所隶属于中国航天科工集团，位于历史文化名城湖南省长沙市。主要从事浮空器、惯性指导和测试设备、新型光学惯性敏感器件等产品的科研生产。 多年来， 7801 所秉承“国家利益高于一切”的核心价值观，忠诚履行“科技强军、航天报国”的神圣使命，始终坚持“以军为本，军民融合”的发展思路，圆满完成了多个国家重点型号配套产品的研制生产任务。中国航天科工集团7801研究所作为航天惯性器件和浮空器产品的研发基地，坚持自主创新，锐意进取的经营理念，开发研制以惯性技术、光学惯性敏感器件为主导的系列惯性产品和各式无人驾驶、载人浮空器产品。产品范围覆盖：挠性捷联惯性测量组合、激光陀螺捷联惯性测量组合、光纤陀螺捷联惯性测量组合、新型光学惯性敏感器件、弹上伺服控制系统及伺服元件、防空导弹武器系统发控和测试设备等高科技军用设备；1千立方米至一万多立方米系留艇系列，数百立方米至数十万立方米自控飞艇、载人飞艇系列，数十立方米至数十万立方米可控气球系列等各种浮空器。7801研究所经过多年的努力发展，在型号武器控制领域形成了一定的知名度，现产值近两个亿，职工870余人。其中研究员、享受政府特殊津贴的专家20余名，具备很强的的产品创新和批生产能力。军工产品获得了数十项部省级科技进步奖和国防发明专利，研究攻关能力受到了总装备部、国防科工局、中国航天科工集团领导的高度好评。
二、应用说明
普通燃烧器在高动态高反压下无法正常工作，而且进气鼓风机体积和重量都较大，无法满足热气浮空器轻质高可靠的使用需要。为了尽快验证普通燃烧器经过改进研制后在高动态高反压下的使用效果，我所开展了以SIEMENS LOGO!为控制核心的新型燃烧器的改进研制。
1. 应用功能描述
2. 系统组成及工作流程：
智能燃烧控制系统主要由燃烧器组件和控制组件两大部分组成。其中，燃烧器组件包括电控风门、进气鼓风机、电控喷油嘴、油泵、电子打火器，控制组件包括SIEMENS LOGO! 通用逻辑控制模块、控制转换器和风门风向传感器、火焰点燃传感器、火焰高度传感器等各外围传感器。系统组成框图如图2所示。
工作流程是：打开风机并调节转速、开启风门、在风流量为进风时打开油泵 和喷嘴，同时点火5秒，在火焰探测到火焰时加大风机转速，控制火焰高度；运行中可以根据需要逐步打开或关闭其余两个喷嘴，同时调节风机转速和油泵压力，控制火焰高度；在收到关车指令时逐步减少燃油压力和喷嘴，火焰熄灭后风机继续工作30秒，冷却系统。
3. 系统需要分析：该项目时间紧任务急，配合现有控制电路，需要控制的模拟量和数字量符合西门子的LOGO! 产品的能力，而且可以现场改变程序调节测试量和改变逻辑顺序关系，以摸索喷嘴、油压、风机转速之间的理想对应关系，为解决三者协调配合的技术难题提供了便捷的技术途径，非常符合项目开发需要。相比其他方案有可靠、快速实现等诸多好处。
三、应用的设计与实现
1. 系统接线图
本系统使用SIEMENS LOGO! 通用逻辑控制模块作为核心，根据外部传送的控制指令和各路传感器实时收集的运行情况数据进行运算和判断，即时地调节各机械部件的运行状态，来实现该特种燃烧器在高背压下可靠点火、平稳燃烧、可以大范围调节燃烧功率的设计功能。系统接线图如图3所示：
在点火时，燃烧器控制组件打开鼓风机并逐渐开启进气风门，调节鼓风机转速使空气处于开始进气的临界状态，打开油泵和一路喷嘴，同时打开点火器，火焰传感器检测火焰的存在，若火焰存在就调节风机转速，使其火焰高度到达预定火焰高度，否则重新开始点火程序。点火成功后，系统可以根据指令需要控制风机转速、油泵油压和开启火焰的头数来实现从一段火到三段火燃烧功率的平稳调节。
该燃烧器要求控制器能自动控制风门和鼓风机，调整火焰高度，保证点火成功率；增大、减小功率时保证燃烧器输出变化平稳；运行过程中保证燃烧器的安全可靠，能够自动监测故障并自行恢复，出现无法恢复的故障能进行安全处理并发出警报；从点火到关车全过程保证整个燃烧器的安全运行。燃烧器控制流程如下：
（1） 燃烧器启动
流程图说明：控制器收到启动指令后，以最小状态打开风门和进气鼓风机并自动调节保证风力向内，开启油泵，开启喷嘴1同时进行点火，若点火成功，检测并自动调节保持火焰高度是否在最佳范围内，点火过程完成；若点火失败，则增大进气量再次尝试点火，直到点燃；若进气量增大至最大值再减小至最小值一次循环过后点火仍然失败，则关闭所有部件并报错告警。
（2） 稳定控制
控制器在燃烧器的整个工作过程中实时监测燃烧器的各项指标，以确保燃烧器处于最佳工作状态。在运行中若存在不稳定因素而且无法自动调节解决时，将采取报错、停机并报错等措施进行处理。
① 火焰高度过高
控制器监测到火焰高度过高时，说明有油气浓度过高、燃烧不完全等倾向，将依次采取增大进气鼓风机转速、加大风门、降低油泵压力等措施来提高进风风压减少燃油供给，直到火焰高度降至正常水平。如果火焰高度过低，则说明油气浓度偏低，过量空气被打入热气浮空器，系统将进行反向操作。如果风压增至最大或减至最小，火焰高度仍然较长时间不符合要求，则需要调节油泵压力，同时输出燃油调节信息。
② 燃烧器熄火
控制器监测到燃烧器意外熄火时，立刻保存当前的工作状态，立即停止供油并重新启动点火过程。若点火成功，则逐步自动恢复到熄火前的工作状态。若点火尝试失败，说明燃烧机故障，关闭系统并告警。
③ 风门无法正常进气
控制器监测到风门气流方向异常时，将采取增大鼓风机转速的措施提高进气风压，若鼓风机转速达最大值气流方向仍然长时间异常，则关闭系统并告警。
（3） 功率调节
控制器收到增大功率指令后，逐步增大油泵压力，提高鼓风机转速，直到逐个打开喷油嘴2（喷油嘴3），并使得火焰高度控制在最佳范围内。控制器收到减小功率指令后，减小鼓风机转速同时减小油泵压力，并逐个关闭喷嘴（以3,2,1顺序），保证火焰高度在最佳范围内，指令完成后报告执行成功。
（4） 紧急关车
控制器收到紧急关车指令后，依次关闭喷油嘴、油泵、风门和鼓风机，确认所有部件关闭后，报告指令执行成功。
2. I/O分配表
表1 燃烧器控制器输入输出信号表
3. LOGO! 控制程序说明
本项目针对的燃烧器控制主要是顺序控制结合逻辑控制，使燃烧器能顺利点燃并防止燃烧器在测试过程中发生危险，虽然油泵、风门和鼓风机的调速都是增减步进制，为了安全可靠起见模拟量的增减在这一阶段仍然采用手动完成。后续过程将利用触点的开合来实现模拟量的增减。现阶段的主要任务是摸索出燃油与空气的配比及实时、自动地控制的方法。控制逻辑图如下图5所示。
4. 应用设备图片展示
经过方案设计、组装和实验等多阶段的研究，我们搭建出了能够稳定运行、达到预期功能和技术指标的智能燃烧控制系统，在项目研究中，切实体会到了如前文所述的LOGO!具有的各种独到的特性。上图为使用中的LOGO!控制器。
四、应用体会
在本项目研究中，LOGO! 通用逻辑控制模块作为控制系统的核心发挥出了它的极大优势，在相对简单的控制系统案例中能够达到低投入、高产出的效果。
1. LOGO!在实际工控应用中，与传统方案相比，节省了大量的时间和空间，减低了控制系统的设计难度和复杂性，提高了控制系统的稳定性和可靠性。同时，LOGO!还具有非常好的可扩展性，需要增添、修改功能时，能够非常灵活地进行操作而几乎不影响现有的控制方案，在较小规模的控制系统中表现出了极大的优势。
2. 这次研制中遇到的主要困难就是模拟量的采集和输出不能像计算机系统那样可以独立采集和输出，在模拟量输入和输出不是简单函数关系时，在一定程度上限制了应用范围。
3. 对简单逻辑和顺序控制的设备和场合，尤其是其可扩展性，西门子LOGO!产品有极大的优势。
4. 本项目是试验性项目，已经完成各项参数的测试，圆满完成测试任务。
参考文献
[1] 《飞艇技术概论》：
[2] 参考文献内容：参考文献正文用宋体9号字体
[3] 参考文献内容：参考文献正文用宋体9号字体
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