中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所 黑龙江 哈尔滨 150001
摘要：针对环境模拟试验室设备众多，覆盖高低温、湿热、降雨降雪以及控制系统等子系统的情况，以OPC技术为基础设计开发基于LabVIEW的安全联锁系统，实现对试验室各子系统的设备状态信息实时监视的功能，保证环境模拟试验的安全性和可靠性。
关键词：OPC；LabVIEW；安全联锁系统；环境模拟试验室
引言
环境模拟试验室能够仿真复杂多变的气候条件，用来论证产品的环境适应性和可靠性。其中，安全联锁系统对试验过程中可能发生的危险提供及时的响应和保护，保证环境模拟试验顺利进行，从而保障试验人员和设备的安全。该系统由仪器仪表组成，同时包含了人机界面和过程控制系统之间的通讯等[1]。本文基于OPC协议利用LabVIEW软件开发环境模拟试验室的安全联锁监控显示软件，建立起功能完善、实时性好、易于扩展的智能安全故障诊断系统。
1系统总体设计方案
1.1设计原则
安全联锁系统监控试验室各子系统设备的运行、启动（包括温湿度试验子系统、降雨降雪试验子系统），对共用制冷系统、加湿系统和补气系统的运行状态进行评估。在试验室关键部位安装硬件联锁机构，确保只有在各部分设备都正常的情况下才能启动试验。同时设计互锁装置，对一些相互影响、相互制约的设备和参数互锁控制。当出现影响试验安全和意外情况时，自动采取紧急停车等措施，保障试验安全，避免重大人身伤害或设备损害的事故发生。
1.2设计结构
安全联锁系统对整个试验室的设备进行监控和保护，其中重要设备直接通过硬接线与设备安全信号接口相连，一般信号由安全联锁计算机通过以太网读取各子系统PLC控制器和安全联锁PLC控制器的状态信息，同时将报警信息通知主控计算机[2,3]。系统的结构如图1所示。
图1 安全联锁系统结构框图
1.3安全控制策略
为了确保试验安全运行，根据监控信号的重要程度将报警信号分为三个报警等级：一般报警、严重报警、致命报警。每类报警信号对应不同的系统响应，用户可以根据报警信息即时排除设备故障，当故障排除之后，通过故障复位功能消除报警信息，若底层故障一直存在，报警灯将继续闪烁，直到现场无任何故障，从而确保试验的正常进行。各报警等级所对应的系统响应如表1所示。
表1 警报等级划分和系统响应
图2 安全联锁系统网络图
（1）一级故障包括紧急停车，试验室内误留人员，有害气体（如一氧化碳、碳氢化合物等）达到爆炸极限等。这些致命报警信号通过硬接线连接到控制系统的急停控制输入段上。当触发此类警报时，急停回路断开，保证试验室安全。如果试验开始前存在一级故障，则禁止试验。
此类报警信号不需要通过安全联锁计算机进行判断，减少了中间控制环节，提高了执行效率。当警报出现时，安全联锁PLC将警报信息通过以太网上传至安全联锁计算机进行控制显示。
（2）二级警报包括电力、能源系统异常，舱门异常，电机系统、冷却系统异常等。各子系统PLC和安全联锁PLC将监控信号通过以太网上传至安全联锁计算机，由上位机软件判断监控信号是否处于正常状态。如果出现该警报，则向主控计算机发送信息，禁止主控计算机开始试验。如果在试验过程中出现二级警报，则需要停止正在进行的试验。
（3）三级警报包括备用设备异常或参考传感器异常等。当出现此类警报时，安全联锁计算机界面上会提示出故障信息，但是不会干预试验的进行。操作人员可以通过复位按键消除该警报内容。
2系统硬件组成
该系统采用PLC和远程I/O实现安全监控功能，同时通过以太网获取子系统的设备安全状态信息，进行实时在线管理和控制。硬件结构上包括安全联锁计算机、安全联锁PLC、输入输出模块、通信模块和现场网络总线等，系统网络图如图2所示。其中，CPU采用西门子410 smart系列中的AS412F，开关量输入输出模块为SM326 24DI和SM326 10DO，工作电压24VDC，模拟量输入模块为SM336 6AI。
3软件功能
安全联锁系统由人机界面和PLC程序组成。人机界面采用LabVIEW 2015软件开发而成，并基于OPC协议完成了PLC与安全联锁计算机的信息通信。
3.1OPC服务器配置
安全联锁计算机与PLC之间通通过OPC（OLE for Process Control）进行实时通讯。OPC的本质是一种软件接口标准，达到连接数据源（OPC服务器）和数据使用者（OPC应用程序）的目的[4]。采用这项标准后，硬件产品的开发人员将取代软件开发人员为自己的产品开发统一的OPC接口程序，从而提高系统的开放性和互操作性。而OPC Server的应用人员不需要编写硬件底层的驱动程序，直接通过OPC Client即可以实现与硬件的通讯。
本方案采用了NI公司的OPC Servers，与LabVIEW数据记录与监控（DSC）模块配合建立共享变量，实现在LabVIEW环境下对PLC数据的读写。启动OPC服务器，建立新设备，制定设备型号、通讯协议和IP地址等；建立新标签，通过变量地址访问PLC内存中的变量信息，实现信息交互。
3.2监控显示软件开发
安全联锁系统的监控界面使用LabVIEW 2015开发完成，包括对试验环境模拟子系统运行状态监控，对共用的制冷系统、补气系统、加湿系统监控，对试验流程监控，以及对误留人员、舱门气密性、有害气体、阀门开关、温度限制等的监控。程序采用状态机与事件响应结合的设计模式，状态机为程序基本流程框架，事件模式实现程序的跳转[5]。
监控显示软件的主界面如图3所示。当系统启动后，将实时显示各监视设备运行情况，并根据设定的温度、压力、湿度等参数的工作范围判断试验过程是否正常。故障报警信息画面将整个试验室的所有报警、故障信号进行分类显示，便于查询故障信息。同时支持历史故障查询和打印功能。
图3 安全联锁系统监控主界面
4结论
本文设计了基于OPC的车辆环境模拟试验室安全联锁系统，该系统针对不同的报警级别采取相应的响应方式，提高了试验过程的安全性和可靠性。使用LabVIEW编写主控程序，具有操作简便，监控信息直观，便于系统扩展的优点，有利于试验人员快速、全面的掌握设备状态信息。
参考文献
[1]邵建设，安全联锁系统的可靠性及可用性分析[J]，化工自动化及仪表，2003(30):34-37
[2]贺中华，基于PLC的1.2米风洞安全联锁系统[J]，测控技术，2015(34):314-316
[3]郁文山，马永一，苏北辰，刘龙兵，基于LabVIEW和OPC的2.4米风洞安全联锁系统[J]，自动化与仪器仪表，2014(2):72-74
[4]臧其亮，基于OPC的S7-300与LabVIEW通讯实现[J]，自动化与仪器仪表，2015(10):193-195
[5]陈锡辉，张银鸿，LABVIEW8.20 程序设计从入门到精通[M]，北京:清华大学出版社，2007
论文作者:曹阳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：联锁论文; 系统论文; 试验室论文; 设备论文; 警报论文; 信息论文; 故障论文; 《防护工程》2018年第1期论文;