Paper

STRUCTURE OF DATA ACQUISITION
SYSTEM FOR EXPERIMENTAL RESEARCHES
IN THE HYPERSONIC WIND TUNNEL
V.M. Gilyov, V.V. Garkusha, V.I. Zvegintsev, A.N. Shiplyuk,
S.I. Shpak, V.V. Yakovlev
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
В.М. Гилев, В.В. Гаркуша, В.И. Звегинцев, А.Н. Шиплюк,
С.И. Шпак, В.В. Яковлев
ИТПМ СО РАН, КТИ ВТ СО РАН
Новосибирск, Россия
Financial support:
1) программа Импортозамещения СО РАН;
2) гранты РФФИ № 10-07-00483 (КТИ ВТ, рук. С.Р. Шакиров);
№ 12-07-00548 (ИТПМ СО РАН, рук. В.М. Гилев).
Hypersonic wind tunnel of adiabatic
compression АТ-303
Аэродинамическая труба АТ-303 создана в 2000 году.
Основные арактеристики трубы:
- повышенные (вплоть до натурных) значения чисел Рейнольдса;
- диапазон чисел Маха от 8 до 20;
- давление воздуха в форкамере от 200 до 3000 атм;
- температура торможения от 300 до 2500 К;
- продолжительность рабочего режима 20 – 50 мс.
Working part of wind tunnel AT-303
Рабочая часть аэродинамической трубы АТ-303
с установленной моделью.
В аэродинамической трубе АТ-303 проводятся экспериментальные
исследования по различным научным программам, в том числе по
зарубежным контрактам.
Operating experience of wind tunnel AT-303
Опыт эксплуатации трубы выявил ряд принципиальных недостатков
данной экспериментальной установки, в частности, конструкции
источника рабочего газа.
Основным недостатком аэродинамической трубы является малая
продолжительность рабочего режима (0,02 – 0,05 с), которая обусловлена
в первую очередь малым объемом форкамеры (начальный объем около
6,5 дм3, конечный объем после сжатия менее 1 дм3).
Для эффективного проведения экспериментов необходимо, чтобы
продолжительность рабочего режима с постоянными по времени
параметрами потока была не менее 0,10 с, что требует увеличения объема
форкамеры примерно в 5 раз.
New source of working gas for a wind tunnel
Для преодоления отмеченных ограничений в ИТПМ СО РАН был
разработан новый более совершенный источник рабочего газа. На его
основе в настоящее время в Институте создается новая
экспериментальная установка – аэродинамическая труба
адиабатического сжатия АТ-304.
Труба позволит моделировать обтекание летательных аппаратов вплоть
до космических скоростей полета. Данная установка будет иметь
рекордные аэродинамические характеристики, существенно превосходя
по ряду параметров многие не только отечественные, но и зарубежные
установки подобного класса.
Source of working gas for wind tunnel AT-304
Wind tunnel AT-304
Аэродинамическая труба АТ-304, использующая новый источник
рабочего газа, является установкой кратковременного действия; в
ней в ходе проведения эксперимента в сжатый временной интервал
(0,1 – 0,2 с) в реальном времени должно производиться управление
ее различными исполнительными механизмами (клапанами,
задвижками и т.д.), а также автоматическое измерение нескольких
десятков физических параметров (давления, температуры и т.п.) в
различных технологических точках установки.
Все это требует создания высокоэффективной системы
автоматизации научных исследований, как на этапе подготовки
эксперимента, так и в процессе его проведения, в частности, для
управления работой аэродинамической трубы.
Mathematical model of a wind tunnel
Для исследования динамических характеристик основных узлов
источника рабочего газа была разработана его математическая
модель. Моделирование процессов было основано на решении
нестационарных уравнений истечения газа из емкости (с учетом
сопротивления воздушных и жидкостных трасс) и равновесия
действующих сил при движении поршней.
Модель позволяет считать динамические характеристики
параметров рабочего газа (давления, температуры, силы) в основных
элементах конструкции источника, расходы в воздушных и
жидкостных трассах, скорости и ускорения поршней.
Интегрирование ведется численно, с использованием неявной схемы
первого порядка по времени. По модели разработаны алгоритмы
расчета и составлена программа, позволяющая считать как полный
пуск АТ-304, так и работу отдельных узлов источника рабочего газа.
Программа использовалась при создании реальной конструкции
источника рабочего газа АТ-304.
Results of numerical simulation
10000
Т, К
1
1000
2
100
1
10
100
Pf1, bar
1000
10000
Область возможных режимов работы источника рабочего газа
(1 – линии равных объемов форкамеры перед началом истечения из
сопла; 2 – линии адиабат).
Automatic operation control system
Для обеспечения эффективной работы создаваемой
аэродинамической трубы была разработана система
автоматизированного управления данной установкой.
Система автоматизации эксперимента аэродинамической
трубы АТ-304 строится на основе следующих компонентов,
разработка которых производится в ходе выполнения проекта:
1. Аппаратно-программный комплекс АПК-2010.
2. Информационно-измерительный комплекс ИИК-2011.
3. АРМ оператора.
1. Hardware-software complex - HSC-2010
Аппаратно-программный комплекс АПК-2010 предназначен для сбора
технологических и экспериментальных данных и непосредственного
управления источником рабочего газа при подготовке и проведении
эксперимента. Выполнен с специальном шкафу.
Состав модулей АПК-2010:
- модули аналого-цифрового
преобразования (АЦП);
- модули приема токовых сигналов;
- модули генерации ШИМ-сигналов;
- модули приема данных с энкодеров
(число-импульсные сигналы);
- модули дискретных выходных
сигналов;
- модули дискретных входных
сигналов;
- контроллер управления каркасом.
2. Data acquisition complex - IMC-2011
Комплекс предназначен для сбора данных при проведении
экспериментов в аэродинамической трубе АТ-304. Для этой цели в
системе предполагается использовать два типа измерительных модулей:
а) высокоточные модули на базе 16-разрядных АЦП, работающих с
частотой 1 МГц;
б) модули для динамических измерения напряжений повышенной
частоты на базе 12-разрядных АЦП, работающих с частотой 5 МГц.
3. Automated workplace of the wind tunnel
operator
АРМ оператора аэродинамической трубы АТ-304 предназначен для управления
работой аэродинамической трубы. Он содержит в своем составе сервер баз
данных (хранилище данных). На АРМ оператора в реальном времени в SCADA
режиме будет отображаться мнемосхема установки с отрисовкой значений
выбранных технологических параметров в графическом/текстовом виде
непосредственно на экране монитора.
Взаимодействие АРМ оператора с комплексом АПК-2010 осуществляется в
соответствие с OPC-технологией.
OPC клиент – головная программа в АРМ оператора, определяющая режимы
работы системы; все запросы к аппаратуре нижнего уровня из головной
программы передает OPC-серверу.
OPC сервер – программа в АРМ оператора, передающая запросы OPC-клиента
через компьютерную сеть непосредственно аппаратуре нижнего уровня.
Signals have been measured in experiment
В системе производится измерение сигналов различного типа: аналоговых, дискретных,
число-импульсных и т.п.
Аналоговые сигналы. С помощью описываемого комплекса производится измерение
следующих аналоговых сигналов:
- давления и температуры в разных технологических точках установки;
- сигналы от датчиков ускорения, адиабатического нагревателя, силовых цилиндров и т.д.;
- сигналы, регистрирующие уровень гидросмеси в емкостях.
Общее количество аналоговых сигналов, измерение которых обеспечивается – более 50.
Дискретные сигналы. В системе регистрируется более 20 различных дискретных
сигналов, с помощью которых отслеживается состояние элементов аэродинамической
трубы. Регистрируются следующие типы дискретных сигналов:
- положение электроклапанов подачи/подкачки/стравливания газа;
- фиксация крайних положений поршней адиабатического нагревателя и силовых
цилиндров;
- состояние различных технологических элементов аэродинамической трубы (крышка,
«тревожная кнопка рабочей камеры», прижим альфа-механизма и т.д.);
- открытие электрозадвижек откачки газа;
- открытие электроклапанов слива гидросмеси из адиабатического нагревателя и силовых
цилиндров.
Число-импульсные сигналы. С помощью число-импульсных сигналов регистрируется
перемещение поршней адиабатического нагревателя и силовых цилиндров. С помощью
энкодеров осуществляется регистрация положения палетты и альфа-механизма.
Management signals
В системе подготовки рабочего газа производится также формирование
дискретных сигналов, обеспечивающих управление отдельными
элементами аэродинамической трубы:
- открытие электроклапанов экспериментальной установки;
- включение/выключение электродвигателей (насосов);
- управление палеттой и альфа-механизмом.
Всего с помощью системы формируется около двух десятков различных
управляющих сигналов.
Conclusion
• 1. К настоящему времени разработана структура
системы автоматизации аэродинамической трубы
адиабатического сжатия АТ-304.
• 2. Закончено изготовление и проводится отладка
аппаратно-программного комплекса АПК-2010,
предназначенного для управления работой
аэродинамической трубы.
• 3. Разработан АРМ оператора аэродинамической трубы.
Ведётся его отладка
• 4. Ведутся работы по созданию информационноизмерительного комплекса аэродинамической трубы.