衛(wèi)星星座地面供配電測試系統(tǒng)研制

王建軍，馬 楠，李 立

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星星座日益增多，應(yīng)用范圍日益廣泛，如環(huán)境遙感、空間探測等，在國防和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)中起著重要的作用。衛(wèi)星星座模式的發(fā)展通常要求在其研發(fā)和設(shè)計(jì)過程中多星并行進(jìn)行。在衛(wèi)星星座綜合測試過程中，同樣需要解決多星并行測試的問題。

衛(wèi)星測試是衛(wèi)星研發(fā)過程中必不可缺的步驟[1]，提高測試水平是優(yōu)化總體設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是目前衛(wèi)星工作者共同關(guān)心的問題之一[2]。衛(wèi)星地面供配電測試系統(tǒng)是衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，它通過脫落電連接器以有線方式對衛(wèi)星進(jìn)行供配電控制，對衛(wèi)星的重要參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和測量，對脫落電連接器電脫離進(jìn)行控制，滿足在各階段以及各種試驗(yàn)場合的整星測試任務(wù)的要求。衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)的功能和性能直接影響著衛(wèi)星測試質(zhì)量，對于保證衛(wèi)星整星測試的安全可靠具有重要的意義[3]。

如何實(shí)現(xiàn)地面供配電測試系統(tǒng)的通用化、模塊化、系列化，并提高其可擴(kuò)展性，從而滿足星座模式下多星測試的需要，成為亟需解決的問題。多星星座模式下的地面供配電測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制需要較高的專業(yè)知識技能和系統(tǒng)工程思想，其設(shè)計(jì)研制既要盡可能多地繼承原有的設(shè)計(jì)思維和成熟技術(shù)，又要考慮通用化、模塊化、系列化和可擴(kuò)展性的需求，加入新的技術(shù)手段。為此，我們開發(fā)研制了基于PLC的通用小衛(wèi)星星座地面供配電測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

選擇PROFIBUS總線構(gòu)建星座模式下的地面供配電測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大、可擴(kuò)展性良好，是一種功能強(qiáng)大、開放、堅(jiān)固耐用的總線系統(tǒng)，能滿足工業(yè)現(xiàn)場要求高可靠性的通信[4]。

多星星座模式的衛(wèi)星地面供配電測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由太陽電池陣模擬器、穩(wěn)壓電源、PLC通用供配電測試設(shè)備、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PROFIBUS總線、衛(wèi)星等效器、DC/DC主備份切換測試設(shè)備和火工品電路檢測設(shè)備等構(gòu)成。

圖1 地面供配電測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of ground power supply test system

1）地面電源系統(tǒng)主要包含太陽電池陣模擬器和穩(wěn)壓電源，如圖2所示。太陽電池陣模擬器用于模擬衛(wèi)星在軌時(shí)太陽電池陣的電輸出特性，在衛(wèi)星測試過程中提供電源，滿足日常測試需求。穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)定的輸出特性，可以直接將輸出電壓加載到衛(wèi)星母線上，用于滿足特定測試需求。該系統(tǒng)主要功能是在衛(wèi)星發(fā)射前的各項(xiàng)試驗(yàn)中模擬太陽電池陣為衛(wèi)星供電，以及為星上蓄電池組充電。地面電源測試系統(tǒng)由 N套配置相同的設(shè)備組成，每套設(shè)備包含12個(gè)太陽電池陣模擬器模塊（1個(gè)模塊模擬1個(gè)供電分陣）、配電箱、控制用筆記本電腦以及直流穩(wěn)壓電源和電子負(fù)載；系統(tǒng)采用GPIB總線；系統(tǒng)軟件可設(shè)置充/供電陣工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控充/供電陣工作狀態(tài)，修改狀態(tài)設(shè)置，模擬進(jìn)出陰影功能，實(shí)時(shí)生成各種工作狀態(tài)下的監(jiān)測報(bào)告，還具有采集數(shù)據(jù)存檔和歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

圖2 地面電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of ground power system

2）通用供配電測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了由1臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控管理、N套PLC通用供配電測試設(shè)備分布控制的集散控制系統(tǒng)。1臺控制計(jì)算機(jī)作為主工作站，通過CP5611（Siemens公司）通信卡接入PROFIBUS總線，位于衛(wèi)星測試現(xiàn)場的N套PLC通用供配電測試設(shè)備通過各自的通信端口接入PROFIBUS總線。通用供配電測試設(shè)備的數(shù)量與衛(wèi)星星座中包含的衛(wèi)星數(shù)量相同，每個(gè)通用供配電測試設(shè)備對應(yīng)一顆待測試衛(wèi)星，并分配不同的可修改的站地址，完成與其對應(yīng)衛(wèi)星的監(jiān)控，包括對衛(wèi)星進(jìn)行供配電控制，對衛(wèi)星的重要參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，對脫落電連接器電脫離進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄等功能。另外，控制計(jì)算機(jī)可以通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)由以太網(wǎng)直接連入衛(wèi)星電測間綜合測試網(wǎng)絡(luò)，向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫廣播供配電測試設(shè)備參數(shù)信息，接收并執(zhí)行主測試計(jì)算機(jī)（MTP）發(fā)來的測試控制命令。每套通用供配電測試設(shè)備具有各自的站地址，能夠獨(dú)立工作，設(shè)備間可以互換，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備級的通用性。

3）衛(wèi)星等效器模擬衛(wèi)星通過脫落電連接器的部分測量和控制信號，目的是檢驗(yàn)地面供配電專用測試設(shè)備同衛(wèi)星的電氣接口的正確性，同時(shí)檢驗(yàn)地面供配電專用測試設(shè)備功能的正確性。通過衛(wèi)星等效器驗(yàn)證無誤，地面供配電測試設(shè)備才能投入到衛(wèi)星測試中。

4）DC/DC主備份切換測試設(shè)備通過星表接口與衛(wèi)星連接，再通過星上電纜網(wǎng)與各分系統(tǒng)DC/DC模塊相連。通過該專用設(shè)備模擬主DC/DC模塊故障的方式進(jìn)行DC/DC模塊主備份切換功能的檢查和備份DC/DC模塊功能的檢查。

5）火工品電路檢測設(shè)備通過星表接口與衛(wèi)星上的火工品線路連接，用于檢測星上火工品電路功能的正確性。

其中，衛(wèi)星等效器、DC/DC主備份切換測試設(shè)備和火工品電路檢測設(shè)備在測試需要的時(shí)候接入脫落電連接器或者衛(wèi)星星表插座。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 通用供配電測試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是一種工業(yè)控制器件，可靠性高，硬件組態(tài)方便靈活，開發(fā)過程迅速，模塊的選用余地大，通用程度高，判斷故障范圍方便，維修更換模塊快捷?；?PLC模塊研制開發(fā)了衛(wèi)星星座模式下的地面供配電測試設(shè)備，配備工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來進(jìn)行良好的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)更加完善的自動(dòng)控制功能?；赑LC的通用供配電測試設(shè)備硬件接口如圖3所示。

圖3 通用供配電測試設(shè)備硬件接口圖Fig. 3 Hardware interface of test equipment

供配電測試設(shè)備通過脫落電連接器與衛(wèi)星連接（設(shè)備自檢時(shí)接衛(wèi)星等效器），通過 DP接口接入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行監(jiān)視控制和操作。日常測試時(shí)，根據(jù)需要接入太陽電池陣模擬器或者穩(wěn)壓電源（不可同時(shí)接入），完成衛(wèi)星的供配電功能。

基于PLC的通用供配電測試設(shè)備底層硬件核心為PLC模塊部分，主要有中央控制單元CPU、PLC用電源模塊PS、信號模塊SM（數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出模塊DI/DO及模擬量輸入模塊AI）等。另外還包含設(shè)備用電源模塊、具有隔離放大功能的輸入、輸出模塊以及各種接插件等。各模塊選擇如下：

1）中央控制單元CPU選用CPU 313C-2 DP，該型號的CPU是Siemens公司S7-300系列PLC系統(tǒng)中帶有集成DI/DO和PROFIBUS-DP接口的緊湊型CPU模塊。該模塊集成DI/DO通道各16路，集成32 kB RAM，裝載存儲器最大可達(dá)8 MB，電源電壓額定值為24 V。

2）根據(jù)需要，另外擴(kuò)展了SM 323：DI 16/DO 16×24 VDC/0.5 A的DI/DO模塊，該模塊包含16路DI/DO通道，均為隔離輸入輸出，額定電壓24 V。

3）根據(jù)負(fù)載功率需要，選用PS307（5 A）電源模塊為PLC各模塊供電，PS307電源模塊輸入電壓為120/230 V的交流電，輸出電壓為24 V直流電，具有防短路和開路保護(hù)功能。

4）模擬量輸入模塊AI選擇2塊SM 331：AI 8×12位模塊。每個(gè)該類型模塊具有4組共8個(gè)通道，每個(gè)通道組測量范圍可選，精度可選（這里設(shè)定12位精度），差分最大輸入電壓范圍-10 +10 V，電源額定電壓24 V。

5）設(shè)備用電源模塊產(chǎn)生設(shè)備工作所需要的電源電壓為繼電器、隔離放大器、脫落電連接器等供電。其輸入為220 V交流電，輸出電壓為24 V、28 V、28 36 V 3路可調(diào)電壓。

從電氣連接形式來看，星地接口分為3個(gè)類型，即模擬量輸入、數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入。供配電測試設(shè)備不但要實(shí)現(xiàn)測量和控制的準(zhǔn)確性及有效性，還要實(shí)現(xiàn)高可靠性要求，即保證衛(wèi)星安全和供配電測試設(shè)備安全，增強(qiáng)設(shè)備輸入/輸出驅(qū)動(dòng)能力，減少測試人員誤操作，提高產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現(xiàn)星地電氣接口的完全隔離。系統(tǒng)充分利用PLC的可靠性和準(zhǔn)確性，配備外圍電路進(jìn)行信號采集、處理和控制輸出；采用電磁繼電器、固態(tài)繼電器和隔離放大器進(jìn)行完善的隔離放大；利用應(yīng)急開關(guān)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急斷電處理功能；具有硬件輸出使能、輸出信號回讀、冗余備份等措施。其中，對于模擬量的采集需要謹(jǐn)慎處理：對于電壓量參數(shù)，如電池電壓，PLC系統(tǒng)中模擬量輸入模塊自身集成了總線隔離、濾波功能，因此增加了分壓和隔離放大部分的外圍電路，使信號轉(zhuǎn)換為能與AI模塊輸入端匹配的電壓信號；對于電流量參數(shù)，如負(fù)載電流，則采用霍爾器件轉(zhuǎn)換為電壓量進(jìn)行采集和隔離。電池電壓、負(fù)載電流接口如圖4所示，其余模擬量接口與此相同。

2.2 PLC模塊接點(diǎn)分配

采用PLC模塊構(gòu)建供配電測試設(shè)備硬件體系，需要對各個(gè)模塊的接點(diǎn)進(jìn)行分配。結(jié)合實(shí)際情況，PLC模塊接點(diǎn)分配如表1所示（表中列出了主接點(diǎn)分配情況；另外DO和DI有相同數(shù)量的冗余備份接點(diǎn)，與此相同，未列出）。

圖4 模擬量采集接口電路Fig. 4 Interface of analog signal

表1 PLC模塊接點(diǎn)分配表Table 1 Pin configuration of PLC module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通用供配電測試設(shè)備利用工業(yè)組態(tài)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。組態(tài)軟件產(chǎn)生與工業(yè)控制領(lǐng)域是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個(gè)重要組成部分，是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺工具。采用類似資源管理器的窗口，對自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各種硬件資源進(jìn)行配置管理；提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序；支持多種腳本語言；具有數(shù)據(jù)處理、報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)表生成等功能。該軟件功能強(qiáng)大，組態(tài)使用靈活方便，具備良好的封裝性、通用性、開放性和可擴(kuò)展性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[5]。

3.1 SIEMENS工業(yè)組態(tài)軟件

WinCC與STEP 7借助于組態(tài)技術(shù)，通用化、模塊化和系列化程度高；二者緊密結(jié)合，共同開發(fā)，可縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，并且具備良好的可擴(kuò)展性[6]。通過STEP 7對PLC設(shè)備進(jìn)行硬件組態(tài)并編寫硬件程序，將其下載到PLC內(nèi)部，完成單個(gè)PLC通用供配電測試設(shè)備的底層硬件組態(tài)和程序編寫下載。用于多星星座模式的多個(gè)PLC通用供配電測試設(shè)備以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)統(tǒng)一連接于PROFIBUS總線，利用WinCC對其進(jìn)行整體硬件組態(tài)和上層軟件組態(tài)，提供圖形化操作和顯示的人機(jī)交互界面。

3.2 基于WinCC的供配電測試監(jiān)控軟件平臺

基于 WinCC開發(fā)了供配電測試監(jiān)控軟件平臺，其軟件功能如圖5所示。組態(tài)軟件WinCC采用觸發(fā)機(jī)制，組態(tài)了完善的功能，具備了多星界面選擇、控制輸出、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄、冗余備份等功能；通過PROFIBUS-DP接口實(shí)現(xiàn)與底層PLC的通信；通過OPC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈接，接入綜合測試網(wǎng)，接收外部命令和對外廣播數(shù)據(jù)信息。

為了提高星座模式下的地面供配電測試系統(tǒng)的可靠性，除在硬件上采取了完善的可靠性措施外，軟件上也采取了多種措施來提高設(shè)備的可靠性，主要包括冗余備份、動(dòng)作使能、動(dòng)作輸出、條件判斷提醒對話框、輸出確認(rèn)、輸出信號狀態(tài)回讀等措施。

圖5 測試軟件功能框圖Fig. 5 Block diagram of test software function

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

在繼承原有的設(shè)計(jì)思維和成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，考慮通用化、模塊化、系列化和可擴(kuò)展性的需求，開發(fā)了基于PLC的通用小衛(wèi)星星座地面供配電測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用由1臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控管理、多套通用供配電測試設(shè)備分布控制的集散控制系統(tǒng)。通過不同的站地址，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過總線將不同PLC通用供配電測試設(shè)備的控制命令輸出，控制多套PLC通用供配電測試設(shè)備，對衛(wèi)星進(jìn)行供配電控制，對衛(wèi)星的重要參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，并能夠及時(shí)廣播數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控命令。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和多套PLC通用供配電測試設(shè)備通過PROFIBUS總線構(gòu)成分布控制的集散控制系統(tǒng)，性能可靠，操作方便，便于迅速構(gòu)建衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多星并行測試，并具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2）每套 PLC通用供配電測試設(shè)備基于 PLC技術(shù)構(gòu)建，體積小巧，操作方便，接口統(tǒng)一，可擴(kuò)展性強(qiáng)，通用化和模塊化程度高。

3）采用PROFIBUS總線進(jìn)行通信連接，堅(jiān)固耐用、接口統(tǒng)一，現(xiàn)場組態(tài)快速方便。

4）采用STEP 7進(jìn)行每套PLC通用供配電測試設(shè)備的硬件組態(tài)配置和程序開發(fā)，利用 WinCC軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體硬件組態(tài)和頂層控制軟件組態(tài)，開發(fā)迅速，功能完善，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了多星數(shù)據(jù)存儲和分析。

5）采取了電氣隔離、冗余備份、操作提示等多重手段提高系統(tǒng)的可靠性以及操作的安全性。

5 結(jié)束語

多星星座研制的日益增多對綜合測試系統(tǒng)提出了更高的要求。本文研制開發(fā)了衛(wèi)星星座地面供配電測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了組態(tài)技術(shù)，基于PROFIBUS總線和PLC搭建底層硬件平臺，基于STEP 7和WinCC進(jìn)行軟件開發(fā)，通過OPC接入綜合測試網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)實(shí)際使用證明該系統(tǒng)功能完善，使用方便，控制靈活，穩(wěn)定可靠，具備良好的可靠性和可擴(kuò)展性，模塊化、通用化和系列化程度高，滿足了星座模式下多星綜合測試中的地面供配電系統(tǒng)需要。

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[1] 張黎明, 孫寧, 于慧亮, 等. 基于PXI的衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2008, 16(1): 27-29

[2] 李長俊, 劉銳梅. 一種基于局域網(wǎng)的小衛(wèi)星遠(yuǎn)程智能測試系統(tǒng)[J]. 航天器工程, 2002, 11(4): 60-64

[3] 李立. 衛(wèi)星供配電測試設(shè)備接口設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 航天器工程, 2002, 11(1): 66-72

[4] 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 深入淺出西門子S7-300 PLC[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004-08: 199-200

[5] 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 深入淺出西門子WinCC V6[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 2004-05: 3-4

[6] 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). SIMATIC HMI WinCC手冊（第一冊）[G], 1999-08