一種電火工品控制系統(tǒng)可靠性安全性設(shè)計(jì)

沈福東，許學(xué)雷，徐 浩，趙忠明，劉海飛

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著工業(yè)應(yīng)用、軍事裝備等領(lǐng)域的發(fā)展，電點(diǎn)火器等電氣觸發(fā)的火工品的應(yīng)用日益廣泛，例如爆炸螺栓、各類電氣式雷管、分離切割器等，火工品的引燃或起爆往往是系統(tǒng)中的最終執(zhí)行環(huán)節(jié)或關(guān)鍵的中間環(huán)節(jié)，點(diǎn)火的成敗往往決定著系統(tǒng)的成敗，因此幾乎所有應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)火工品點(diǎn)火執(zhí)行級(jí)電路的可靠性和安全性均提出了極高要求。本文針對(duì)火工品點(diǎn)火提出了一種具有高可靠性、安全性的點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案已成功應(yīng)用于某型火箭發(fā)射系統(tǒng)，具有較高的可靠性和安全性。

1 系統(tǒng)組成及原理

火工品點(diǎn)火控制電路有 3種基本類型，分別為非奇偶型、奇偶型和混合型。非奇偶型火工品點(diǎn)火控制電路是一個(gè)控制指令同時(shí)啟動(dòng)所有火工品點(diǎn)火；奇偶型火工品點(diǎn)火控制電路是兩個(gè)控制指令啟動(dòng)火工品點(diǎn)火，適用于火工品數(shù)量較多的情況；混合型是既有非奇偶型又有奇偶型的火工品點(diǎn)火控制電路。本文闡述的點(diǎn)火控制系統(tǒng)采用是奇偶型火工品點(diǎn)火控制電路，奇偶型火工品點(diǎn)火控制電路原理如圖1所示。

圖1 奇偶型火工品點(diǎn)火控制電路原理Fig.1 Ignition Control Circuit Principle of Odd-Even Type PyrotechnicsK3-1，K3-2—繼電器K3觸點(diǎn)；K4-1，K4-2—繼電器K4觸點(diǎn)；KA-1，KA-2—繼電器KA觸點(diǎn)；KB-1，KB-2—繼電器KB觸點(diǎn)；KC-1，KC-2—繼電器KC觸點(diǎn)；KD-1，KD-2—繼電器KD觸點(diǎn)；KE-1，KE-2—繼電器KE觸點(diǎn)；KF-1，KF-2—繼電器KF觸點(diǎn)；KG-1，KG-2—繼電器KG觸點(diǎn)；KH-1，KH-2—繼電器KH觸點(diǎn)；RX1～RX8—限流電阻；RQ1～RQ8—火工品橋絲電阻

火工品點(diǎn)火控制電路的 3種類型均可以等效為基本電流計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 基本電流計(jì)算模型Fig.2 Basic Current Calculation Model

電流計(jì)算為單位為Ω；U為電源電壓數(shù)值，單位為V。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)由PLC組合、繼電器組合、檢測(cè)電路組合、電源組合、電纜網(wǎng)和上位機(jī)組成。

本系統(tǒng)采用GE公司的PAC Rx7i、PAC Rx3i系列PLC為控制核心，具有熱備冗余功能。PAC Rx7i作為主站，主站之間通過同步鏈路相連實(shí)現(xiàn)控制同步，PAC Rx3i作為子站，主站PAC Rx7i通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)子站PAC Rx3i控制輸出，該系統(tǒng)具有主、子站交叉冗余控制功能。子站PAC Rx3i控制冗余繼電器，從而最終實(shí)現(xiàn)控制4路鈍感點(diǎn)火器點(diǎn)火電流[1,2]通斷的功能，達(dá)到觸發(fā)4路火工品點(diǎn)火的目的。上位機(jī)通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，遠(yuǎn)程控制PLC觸發(fā)火工品點(diǎn)火，并能接收火工品點(diǎn)火控制回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)[3]。單路火工品點(diǎn)火控制原理如圖 3所示，其他3路控制原理與此相同。

式中 I為火工品點(diǎn)火控制電路電流的數(shù)值，該數(shù)值為鈍感點(diǎn)火器中單路橋絲的觸發(fā)電流值，如圖 1中的線路電流 1I和 2I，單位為A；R1～R5為等效電阻的數(shù)值，

圖3 單路火工品點(diǎn)火控制原理Fig.3 Ignition Control Principle of Single Road PyrotechnicsVA—繼電器KA消反峰電路中的二極管；RA—繼電器KA消反峰電路中的電阻；VB—繼電器KB消反峰電路中的二極管；RB—繼電器KB消反峰電路中的電阻

2 可靠性設(shè)計(jì)

為了保證火工品在點(diǎn)火時(shí)，控制電路準(zhǔn)確無誤地給火工品供電[4]，使火工品適時(shí)起爆，系統(tǒng)采取了冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)。

a）冗余設(shè)計(jì)。

控制電路均采取熱備、冗余設(shè)計(jì)，如熱備 PLC、熱備直流穩(wěn)壓電源、冗余繼電器等，控制電路及電纜接線為雙點(diǎn)雙線。

b）降額設(shè)計(jì)。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)電路中的元器件均采取了降額設(shè)計(jì)，例如控制火工品供電電流輸出的繼電器觸點(diǎn)（如圖1中的繼電器KA和KB）額定電流為30 A，實(shí)際火工品控制回路電流為14 A，滿足降額使用要求；提供點(diǎn)火電流的冗余直流穩(wěn)壓電源其額定輸出電流為50 A，實(shí)際應(yīng)用輸出為兩路火工品同時(shí)輸出共28 A，滿足降額使用要求。

c）電磁兼容設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)采取了電磁兼容設(shè)計(jì)，控制核心PLC自身的抗干擾能力強(qiáng)，控制電纜采用耐高溫屏蔽雙絞電纜，電控柜殼體采取連接保護(hù)地設(shè)計(jì)，控制電源為線性直流穩(wěn)壓電源（紋波干擾小于90 mV）。

3 安全性設(shè)計(jì)

點(diǎn)火控制系統(tǒng)的直接控制對(duì)象為鈍感點(diǎn)火器，該型點(diǎn)火器具有較好的防靜電、防射頻干擾的能力，抗干擾能力強(qiáng)，安全性好，點(diǎn)火器內(nèi)部采用雙橋絲設(shè)計(jì)，并相互獨(dú)立，任何一個(gè)啟動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)火工品點(diǎn)火功能，單個(gè)橋絲滿足1 A /1 W，5 min不起爆等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其最佳工作電流為5～10 A[5]。除了需要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火回路可靠點(diǎn)火功能以外，還需要考慮對(duì)控制回路相關(guān)器件的保護(hù)，在電路設(shè)計(jì)上采取了3種主要設(shè)計(jì)方法提高這方面的安全性：a）在控制回路中增加限流電阻；b）在控制回路中增加回路狀態(tài)檢測(cè)電路；c）在給該回路配電的電源通路上增加使能繼電器，使得在不能觸發(fā)的時(shí)段內(nèi)，可以可靠斷開配電電源。

3.1 限流電阻

限流電阻是保證點(diǎn)火電路安全可靠的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[6]，限流電阻在電路中起到限制點(diǎn)火電流和保護(hù)配電電源、解耦通道間故障耦合等作用，可以有效地保護(hù)點(diǎn)火控制回路中的元器件，就本系統(tǒng)而言，根據(jù)圖 3所示，限流電阻RX1、RX2既可以保護(hù)控制回路中繼電器的觸點(diǎn)不被燒壞，也可以保護(hù)后端的直流穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)控制的單路火工品采用了雙橋絲設(shè)計(jì)，每個(gè)橋絲的內(nèi)阻約為1.0 Ω，工作時(shí)間小于20 ms，其最佳工作電流為直流5～10 A，點(diǎn)火控制系統(tǒng)對(duì)火工品每個(gè)橋絲輸出設(shè)計(jì)電流為7 A，滿足火工品起爆要求，控制一個(gè)火工品雙橋絲總計(jì)輸出電流應(yīng)為7×2=14 A；每個(gè)橋絲上串聯(lián)的限流電阻選用了專用的火工品限流電阻2W-(1±5%)Ω，其技術(shù)參數(shù)是400 W，100 ms不燒斷?？刂苹芈分械娜哂嘀绷鞣€(wěn)壓電源為10～35 V、50 A可調(diào)，經(jīng)實(shí)際測(cè)量單路火工品總控制回路阻值約為2 Ω，要保證整個(gè)單路火工品控制回路控制輸出14 A電流，直流穩(wěn)壓電源輸出約為28 V、14 A，若控制兩路火工品則直流穩(wěn)壓電源輸出約為28 V、28 A，10～35 V、50 A可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源滿足兩路火工品同時(shí)控制輸出的要求。考慮到在火工品起爆瞬間每個(gè)限流電阻的功率損耗經(jīng)計(jì)算約為49 W，小于400 W，且響應(yīng)時(shí)間約為20 ms，小于100 ms，因此選用的火工品專用限流電阻可以滿足使用要求，既起到了限流作用，又可以保護(hù)控制回路中的繼電器和直流穩(wěn)壓電源。

3.2 檢測(cè)電路

為了提高系統(tǒng)的安全性，在設(shè)計(jì)中增加了狀態(tài)檢測(cè)電路，用于檢測(cè)控制輸出火工品觸發(fā)電流的繼電器狀態(tài)，該檢測(cè)電路是為了防止因繼電器粘連等異常狀態(tài)而導(dǎo)致火工品誤動(dòng)作而設(shè)計(jì)的，主要采用光電耦合原理來檢測(cè)火工品控制輸出回路是否處于異常接通狀態(tài)，如果處于接通狀態(tài)則要采取有效地處理措施進(jìn)行解決，確保火工品控制輸出回路可靠安全。檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 單路火工品控制檢測(cè)電路原理Fig.4 Principle of Control and Detection Circuit For Single Road Pyrotechnics K1～K4—繼電器；V1—繼電器K1消反峰電路中的二極管；R1—繼電器K1消反峰電路中的電阻；V2—繼電器K2消反峰電路中的二極管；R2—繼電器K2消反峰電路中的電阻；R200、R300—光電耦合控制電路中的電阻；X1—控制輸出插座；X2—火工品控制電路短路保護(hù)插座

為了確?；鸸て房刂苹芈钒踩裕趫D4電路設(shè)計(jì)采用如下幾項(xiàng)措施：

a）當(dāng)點(diǎn)火控制電纜分別與插座X1和火工品連接好后，為了防止火工品誤觸發(fā)，要使用保險(xiǎn)短路插頭將插座X2短接；實(shí)際應(yīng)用中共有4路火工品，所以整個(gè)控制系統(tǒng)需要4個(gè)短路插頭。

b）保險(xiǎn)短路插頭將插座X2的A～E點(diǎn)短接，根據(jù)圖中黑色粗線的電路，當(dāng)檢測(cè)電路中的繼電器 K1、K2觸點(diǎn)由冗余 PLC開關(guān)量輸出模塊控制輸出吸合，控制輸出電路中的繼電器KA或KB的觸點(diǎn)一旦發(fā)生粘連故障，導(dǎo)致整個(gè)控制回路接通，則檢測(cè)電路中的光耦可將回路檢測(cè)信號(hào)傳送給冗余PLC的開關(guān)量輸入模塊進(jìn)行信號(hào)采集，該信號(hào)最終在遠(yuǎn)端的上位機(jī)軟件界面上接收顯示，如果顯示有信號(hào)，則表明控制輸出火工品電流的繼電器KA或KB發(fā)生粘連故障，必須執(zhí)行故障預(yù)案排除故障，然后執(zhí)行后續(xù)流程。

c）控制輸出電路中的火工品雙橋絲、限流電阻工作狀態(tài)是否正常關(guān)乎火工品點(diǎn)火的成敗，可以通過測(cè)量阻值的方法來判斷這些關(guān)鍵器件的工作狀態(tài)。插座X2就是測(cè)試阻值的電氣接口，通過該檢測(cè)接口進(jìn)行阻值測(cè)試（插座X2的短路插頭拔掉）。在點(diǎn)火控制電纜與插座X1、火工品未連接好前，可通過插座X2的A和E、F點(diǎn)測(cè)量限流電阻RX1阻值，B和E、F點(diǎn)測(cè)量限流電阻 RX2阻值；點(diǎn)火控制電纜與插座 X1、火工品連接好后，插座X2的B和C、D點(diǎn)短接，通過C、D和E、F點(diǎn)可以測(cè)量出限流電阻RX1所在單橋絲控制通路的回路阻值，反推可得出該單橋絲的阻值（限流電阻RX1、RX2和控制電纜阻值已測(cè)知）；插座X2的A和C、D點(diǎn)短接，通過C、D和E、F點(diǎn)可以測(cè)量出限流電阻RX2所在單橋絲通路的回路阻值，反推可得出該單橋絲的阻值（限流電阻RX1、RX2和控制電纜阻值已測(cè)知）；通過C、D和E、F點(diǎn)可以測(cè)量整個(gè)雙橋絲控制回路的總阻值。

3.3 電源繼電器控制輸出

為防止火工品控制通路誤動(dòng)作而導(dǎo)致點(diǎn)火電流誤輸出，對(duì)電源輸出采取繼電器控制輸出方式，一般控制電源的正極，如圖4中的繼電器K3和K4，在執(zhí)行排氫點(diǎn)火動(dòng)作前幾分鐘才進(jìn)行供電解鎖，此時(shí)電源輸出到控制繼電器KA和KB端，通過這一設(shè)計(jì)可以有效防止控制回路誤動(dòng)作，提高了火工品控制的安全性。

4 軟件實(shí)現(xiàn)方法

控制系統(tǒng)中點(diǎn)火邏輯控制是通過前端設(shè)備中的PLC控制軟件來實(shí)現(xiàn)的，控制軟件在可靠性安全性設(shè)計(jì)上增加了密碼保護(hù)和容錯(cuò)功能，并具有故障診斷功能，可以診斷系統(tǒng)中硬件故障，主要是針對(duì)PLC控制模塊故障，系統(tǒng)后端遠(yuǎn)控上位機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)前端的PLC模塊狀態(tài)及其控制執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

火工品控制要求是在400 ms內(nèi)將火箭4個(gè)象限支撐臂上安裝的火工品點(diǎn)燃，考慮直流穩(wěn)壓電源的容量及火工品分布情況，需要分兩組點(diǎn)燃火工品，即Ⅰ、Ⅱ象限為一組，Ⅲ、Ⅳ象限為一組。在火工品點(diǎn)火前需要在后端上位機(jī)軟件界面上進(jìn)行點(diǎn)火解鎖操作，冗余直流穩(wěn)壓電源正極接通，在0 s時(shí)接收到點(diǎn)火信號(hào)后直接點(diǎn)燃Ⅰ、Ⅱ象限組，間隔200 ms后點(diǎn)燃Ⅲ、Ⅳ象限組；若0 s沒有接收到點(diǎn)火信號(hào)，則上位機(jī)執(zhí)行遠(yuǎn)程強(qiáng)制點(diǎn)火控制觸發(fā)火工品。具體控制邏輯如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序控制流程Fig.5 System Program Control Flow

5 結(jié)束語

點(diǎn)火控制系統(tǒng)是否安全、可靠是影響整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)成敗的重要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用的多重可靠性、安全性措施已在多次系統(tǒng)試驗(yàn)中得到考核驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氫氣提供了有力技術(shù)支撐和可靠安全保障，對(duì)后續(xù)其他領(lǐng)域控制點(diǎn)燃易燃易爆氣體點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。