高精度點(diǎn)火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

本文介紹了自行研制的便攜式高精度點(diǎn)火自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。文章就該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行論述。硬件上從PLC控制器開(kāi)發(fā)、通訊形式及控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述；在軟件方面，介紹了系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)思想，闡述了各主要模塊的功能。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn) PLC 點(diǎn)火控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)及應(yīng)用

點(diǎn)火控制系統(tǒng)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的關(guān)鍵控制設(shè)備。其點(diǎn)火的安全性和可靠性是決定地面試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。同時(shí)控制器的精度影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。尤其是級(jí)間分離試驗(yàn)要求在試驗(yàn)中多次點(diǎn)火，方便搬運(yùn)、組裝等，為滿足級(jí)間分離試驗(yàn)的特點(diǎn)和安全性要求，設(shè)計(jì)了便攜式級(jí)間分離試驗(yàn)點(diǎn)火自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的PLC控制技術(shù)，主要由控制程序和點(diǎn)火控制器組成， 它們之間通信通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程安全可靠點(diǎn)火，保障了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1 系統(tǒng)功能及技術(shù)要求

1.1 點(diǎn)火控制

提供試驗(yàn)要求的點(diǎn)火電流，8路輸出100V 50ADC；控制通道在常態(tài)下保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

1.2 緊急關(guān)機(jī)

在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠快速斷開(kāi)點(diǎn)火通道并使控制程序停止。

1.3 警報(bào)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，發(fā)出警報(bào)警示。

1.4 牽動(dòng)控制

為采集系統(tǒng)提供時(shí)序牽動(dòng)信號(hào)。牽動(dòng)通道：16路（TTL、開(kāi)關(guān)和電平信號(hào)）。

1.5 計(jì)時(shí)顯示功能

顯示試驗(yàn)點(diǎn)火過(guò)程計(jì)時(shí)。設(shè)置范圍：倒計(jì)時(shí)999秒和正計(jì)時(shí)999秒（誤差：≤5ms）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)功能模塊：PLC控制模塊、點(diǎn)火控制模塊、牽動(dòng)控制模塊和計(jì)時(shí)顯示模塊。

控制臺(tái)包括計(jì)算機(jī)、PLC 控制器、大功率管、大功率繼電器、點(diǎn)火控制系統(tǒng)電源、牽動(dòng)系統(tǒng)電源、電流傳感器、LED顯示屏等。

系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制PLC控制器，得到倒數(shù)計(jì)時(shí)指令后，PLC控制器自動(dòng)計(jì)數(shù)，控制小功率繼電器和時(shí)間顯示器，再由小功率繼電器控制大功率開(kāi)關(guān)管和大功率繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制。由小功率繼電器和直流穩(wěn)壓電源共同實(shí)現(xiàn)牽動(dòng)控制。緊急關(guān)機(jī)時(shí)，切斷大功率繼電器的供電電源，使點(diǎn)火回路斷開(kāi)，并通過(guò)數(shù)字I/O口反饋到PLC控制器。如圖1。

2.1 PLC控制器

選用的PLC控制器是一款繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入的小型單機(jī)PLC，包括256個(gè)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)16位1ms定時(shí)器、1個(gè)雙字毫秒定時(shí)器、4k的寄存器空間，提供16路光隔離開(kāi)關(guān)量輸入，16路繼電器輸出。該P(yáng)LC可靠性高， 不需要驅(qū)動(dòng)，直接安裝開(kāi)發(fā)軟件“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”，通過(guò)PPI線纜將編寫(xiě)的程序直接從計(jì)算機(jī)下載到PLC，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制。

但是，由于PLC的16位1ms定時(shí)器遠(yuǎn)不能滿足試驗(yàn)最大動(dòng)作時(shí)間范圍要求，設(shè)計(jì)中采用PLC自帶的計(jì)數(shù)器配合定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)毫秒定時(shí)器定時(shí)范圍的擴(kuò)展。為提高控制效率和精度，設(shè)計(jì)中采用雙字方式，PLC接收到啟動(dòng)按鈕的輸入信號(hào)后開(kāi)始發(fā)出1秒和1毫秒的脈沖方波。

2.2 小繼電器控制系統(tǒng)

由于PLC控制器自帶的繼電器沒(méi)有完全隔離，無(wú)法滿足試驗(yàn)要求，因此，必須單獨(dú)開(kāi)發(fā)小繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有31個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)8路點(diǎn)火通道和23路牽動(dòng)通道的控制，每個(gè)通道均可精確到1毫秒。

2.3 大繼電器控制系統(tǒng)

由于試驗(yàn)點(diǎn)火需要很大的瞬間電流，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求非常高，系統(tǒng)的響應(yīng)速率及穩(wěn)定性也是非常重要的。本設(shè)計(jì)選用JQX-64M繼電器，最大電流80A，耐壓500V，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了專用的保護(hù)電路。

2.4 點(diǎn)火控制箱

點(diǎn)火控制箱不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制，還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警、緊急關(guān)機(jī)、點(diǎn)火確認(rèn)等功能。

2.5 LED顯示屏

LED顯示屏作為點(diǎn)火控制的重要部件，不僅能動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)火、牽動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間進(jìn)度，更要求具有高可靠性，因此設(shè)計(jì)上采用光隔離模塊，不僅有效提高電路抗干擾能力，而且使LED燈的亮度可以進(jìn)行硬件調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 概述

軟件采用Labwindows/CVI8.5開(kāi)發(fā)CVI8.5是NI公司最新發(fā)布的可基于Microsoft Windows、Windows NT、以及Linux下的RAD和強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具。

3.2 功能模塊

點(diǎn)火控制程序主要包括以下模塊：登錄模塊、項(xiàng)目管理模塊、監(jiān)測(cè)模塊和點(diǎn)火電流測(cè)量模塊。

3.2.1 登錄模塊

用于進(jìn)行相關(guān)功能選擇，主要功能包括“項(xiàng)目管理”、“點(diǎn)火電流測(cè)試”、“參數(shù)設(shè)置”等用于進(jìn)行相關(guān)功能選擇。

3.2.2 項(xiàng)目管理模塊

點(diǎn)火、牽動(dòng)通道信息，并把信息發(fā)送到PLC中，保證PLC中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)解決了點(diǎn)火、牽動(dòng)通道信息收集的問(wèn)題，并為傳遞信息做好了準(zhǔn)備。

3.2.3 監(jiān)測(cè)模塊

當(dāng)通道信息發(fā)送完畢，軟件進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面后，上位軟件只會(huì)被動(dòng)接收來(lái)自PLC控制器反饋的通道狀態(tài)信息，包括啟動(dòng)、緊急關(guān)機(jī)、復(fù)位、試驗(yàn)開(kāi)始、試驗(yàn)結(jié)束及通道狀態(tài)信息。

3.2.4 點(diǎn)火電流測(cè)量模塊

由于不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器的不同，要求在試驗(yàn)前必須進(jìn)行點(diǎn)火電流的測(cè)試，保證點(diǎn)火回路處于工作狀態(tài)，在通過(guò)電壓調(diào)節(jié)得到合適的點(diǎn)火電流，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠點(diǎn)火。

4 結(jié)束語(yǔ)

該點(diǎn)火控制系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線的新技術(shù)，系統(tǒng)功能強(qiáng)大， 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程點(diǎn)火控制、危險(xiǎn)狀態(tài)下緊急關(guān)機(jī)、試驗(yàn)前警報(bào)控制、為采集系統(tǒng)提供時(shí)序牽動(dòng)控制、并顯示試驗(yàn)點(diǎn)火過(guò)程計(jì)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、能夠滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)對(duì)點(diǎn)火控制系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

夏虹（1964-）黑龍江省哈爾濱市人。大學(xué)專科學(xué)歷?，F(xiàn)供職于西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所一室。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控及應(yīng)用。

王忠頤（1972-）陜西省人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)供職于西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所一室。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控及應(yīng)用。

劉潔（1964-）山西省人。大學(xué)專科學(xué)歷?，F(xiàn)供職于西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所質(zhì)量處。研究方向?yàn)橘|(zhì)量管理。

作者單位

西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所 陜西省西安市 710025