航天器熱試驗(yàn)電源健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

0 引言

航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)作為航天器研制過程耗時(shí)最長(zhǎng)、耗資最大、狀態(tài)最復(fù)雜的試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)試驗(yàn)過程的可靠性要求非常之高。隨著當(dāng)前航天技術(shù)的迅速發(fā)展，航天器的設(shè)計(jì)規(guī)模與技術(shù)狀態(tài)更為復(fù)雜，對(duì)熱試驗(yàn)的設(shè)備規(guī)模需求與技術(shù)要求也與之增大?？販叵到y(tǒng)作為航天器熱試驗(yàn)用環(huán)境模擬設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要由控溫軟件、程控電源和加熱裝置組成，其中程控電源作為紅外燈、紅外籠、薄膜加熱器等加熱裝置的供電設(shè)備，通過其輸出電流控制加熱裝置的輻射熱流，最終實(shí)現(xiàn)航天器外熱流的模擬，是航天器熱試驗(yàn)最為關(guān)鍵的儀器設(shè)備之一。由于試驗(yàn)用電源數(shù)量規(guī)模較大，尤其是921平臺(tái)、空間站等大型航天器熱試驗(yàn)時(shí)，所用電源數(shù)量將達(dá)上千臺(tái)，電源工作情況較為復(fù)雜，與控溫軟件通信頻率較大，經(jīng)常出現(xiàn)輸出誤差較大、無輸出或通信中斷等故障現(xiàn)象，引發(fā)試驗(yàn)狀態(tài)異常。目前，試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)程控電源故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性水平較低，且在發(fā)現(xiàn)問題后，多采用現(xiàn)場(chǎng)人工更換故障電源，耗時(shí)較長(zhǎng)、效率較低，且極易引發(fā)質(zhì)量事故，大大影響航天器熱試驗(yàn)的可靠性[1-2]。

為解決上述問題，需對(duì)控溫系統(tǒng)程控電源健康管理技術(shù)進(jìn)行研究，本文以Agilent N5750型電源為對(duì)象，首先結(jié)合熱試驗(yàn)電源故障案例，對(duì)程控電源故障類型進(jìn)行分析，研究了電源輸出超差、無輸出等輸出故障與通信丟包、中斷等網(wǎng)絡(luò)故障模式的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，然后結(jié)合冗余切換技術(shù)，設(shè)計(jì)了故障電源向備份電源的在線切換裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)程控電源健康管理系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)能夠在3 s時(shí)間內(nèi)完成最多30臺(tái)電源的故障檢測(cè)與在線切換工作，故障檢測(cè)率大于98%，提高了熱試驗(yàn)控溫系統(tǒng)的可靠性，大大降低了由電源故障所引發(fā)的熱試驗(yàn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

1 電源故障檢測(cè)技術(shù)研究

1.1 電源故障類型分析

根據(jù)航天器熱試驗(yàn)程控電源故障歷史記錄信息，對(duì)電源健康狀態(tài)及故障類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可將其分為輸出狀態(tài)故障和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障兩類，其中輸出狀態(tài)故障包括輸出超差和工作故障兩種，當(dāng)電源內(nèi)部電路出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)際輸出電流值(電壓值)與理想輸出電流值(電壓值)存在誤差，且超過試驗(yàn)所容許最大誤差，則定義該電源為輸出超差故障；當(dāng)電源因工作環(huán)境惡劣、工作時(shí)間過長(zhǎng)、內(nèi)部電路故障等原因，產(chǎn)生系統(tǒng)故障，其自檢功能將確定上述故障并形成自保護(hù)，無電量輸出，則定義電源為工作狀態(tài)故障；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障包括通信中斷和通信不暢兩種，當(dāng)由于電源通信模塊故障、路由器故障、LAN接口插接不到位或網(wǎng)線故障等原因，造成控制軟件與程控電源無法通信或丟包率較大，則定位該電源為通信中斷或通信不暢故障。

圖1 程控電源故障樹

1.2 電源故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出狀態(tài)故障的檢測(cè)，本文通過對(duì)N5750電源后面板模擬編程接口JI中相關(guān)端口信號(hào)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出超差和工作故障模式的檢測(cè)。具體通過模擬量采集端口對(duì)電源接口J1的電流輸出監(jiān)視端口P24進(jìn)行測(cè)量，換算得到電源實(shí)際輸出值。并將其與該臺(tái)電源的目標(biāo)輸出值的差值與輸出誤差閾值(一般取0.1A)進(jìn)行對(duì)比，判斷電源輸出是否出現(xiàn)超差故障，得到輸出超差故障電源的IP位置信息[3]。對(duì)于電源工作故障的檢測(cè)，通過數(shù)字量采集端口對(duì)電源接口J1的電源正常工作信號(hào)端口P16進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)P16端口輸出信號(hào)為高電平時(shí)，電源為工作正常狀態(tài)；當(dāng)輸出信號(hào)為低電平，電源出現(xiàn)工作故障。

熱試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)中，程控電源通過局域網(wǎng)交換機(jī)與服務(wù)器和客戶機(jī)進(jìn)行通信。為實(shí)現(xiàn)對(duì)程控電源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的檢測(cè)，本文采用ICMP通信協(xié)議技術(shù)[4-5]，通過測(cè)試設(shè)備主機(jī)向被檢測(cè)電源IP地址連續(xù)分別發(fā)送數(shù)據(jù)包，并對(duì)其返回?cái)?shù)據(jù)包情況進(jìn)行分析，分析內(nèi)容包括返回?cái)?shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包的比對(duì)、返回?cái)?shù)據(jù)包耗用時(shí)間等。在每個(gè)檢測(cè)過程中，若連續(xù)出現(xiàn)未接收到返回?cái)?shù)據(jù)包且超過所設(shè)定最大允許連續(xù)丟包次數(shù)(譬如5次)，則檢測(cè)終止，判定電源出現(xiàn)通信中斷故障；若未出現(xiàn)連續(xù)未接收到返回?cái)?shù)據(jù)包超過設(shè)定所最大允許連續(xù)丟包次數(shù)，且返回?cái)?shù)據(jù)包的丟包率超過最大允許丟包率(丟包率是指在每周期網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)過程中，出現(xiàn)與發(fā)送數(shù)據(jù)包內(nèi)容不一致的返回?cái)?shù)據(jù)包數(shù)量和未接收到返回?cái)?shù)據(jù)包的數(shù)量之和與已發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值)[6]，則檢測(cè)終止，判定電源出現(xiàn)通信不暢故障，以此獲取網(wǎng)絡(luò)故障電源IP信息。

2 電源在線切換技術(shù)研究

為實(shí)現(xiàn)熱試驗(yàn)過程中故障電源的在線快速更換，降低因人工電源更換速度較慢給熱試驗(yàn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)電源在線切換技術(shù)進(jìn)行研究。本文基于繼電器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7-8]，設(shè)計(jì)了電源在線切換裝置，并研究了電源在線切換策略。電源在線切換原理如圖2所示。

圖2 電源在線切換方案原理圖

如圖2所示，實(shí)現(xiàn)故障電源在線切換的主要設(shè)計(jì)思路為：將30路主電源輸出通道與2路備用電源輸出通道均接入繼電器網(wǎng)絡(luò)，并通過繼電器網(wǎng)絡(luò)的30路供電輸出通道連接至外熱流負(fù)載裝置。其中，繼電器網(wǎng)絡(luò)邏輯組合設(shè)計(jì)是電源在線切換方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。繼電器網(wǎng)絡(luò)由120路單刀雙擲繼電器組成，其中，每4路單刀雙擲繼電器構(gòu)成1路外熱流加熱裝置供電通道及其對(duì)應(yīng)主電源和2臺(tái)備用電源輸出通道的電氣連接單元，能夠?qū)崿F(xiàn)加熱裝置負(fù)責(zé)向主電源和兩臺(tái)備用電源的中任意一臺(tái)電源的電氣匹配連接。每個(gè)電氣連接單元的工作原理如圖3所示，繼電器缺省狀態(tài)均為常閉，在缺省狀態(tài)下，負(fù)載供電通道A連接至主電源輸出通道B，按照表1所示的繼電器動(dòng)作組合，負(fù)載供電通道可切換至備用電源1或備用電源2的輸出通道。

圖3 備用電源切入設(shè)計(jì)原理圖

表1 繼電器狀態(tài)與負(fù)載供電通道對(duì)應(yīng)關(guān)系表

注：表中繼電器常閉狀態(tài)表示為0，斷開狀態(tài)表示為1，任意狀態(tài)表示為-。

由于目前航天器熱試驗(yàn)控溫策略中，電源多采用恒流工作模式。為防止電源切換斷路時(shí)，電源出現(xiàn)打火現(xiàn)象，切換過程中需將故障電源和備用電源設(shè)置為無輸出狀態(tài)，保證電源切換操作為冷切換。

3 電源健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案

基于電源故障檢測(cè)技術(shù)與在線切換技術(shù)的研究，本文對(duì)電源健康管理系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，通過軟硬件的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)機(jī)柜規(guī)模的電源陣列的健康管理。本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中系統(tǒng)硬件由主控制分系統(tǒng)、電源輸出狀態(tài)檢測(cè)分系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)分系統(tǒng)、在線切換分系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)總體工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體工作流程圖

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主控制分系統(tǒng)采用康拓公司PXIJX5010工控機(jī)箱與PXI/CPCI5098嵌入式主控制器相結(jié)合的模式，并通過對(duì)PXI總線測(cè)控儀器資源的控制[9]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的功能設(shè)計(jì)。輸出狀態(tài)檢測(cè)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主備32臺(tái)電源的輸出超差和工作故障的檢測(cè)，其中輸出超差檢測(cè)內(nèi)容包括輸出電流和輸出電壓；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分系統(tǒng)基于當(dāng)前局域網(wǎng)交換機(jī)，并通過ICMP軟件協(xié)議及其衍生算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)32臺(tái)電源的網(wǎng)絡(luò)傳輸情況的檢測(cè)；在線切換分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電源的本地使能輸出控制以及電源冗余切換的功能，電源無輸出控制的方式有上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程指令控制和本地使能控制兩種方式，然而當(dāng)電源出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指令關(guān)閉，需借助本地使能關(guān)閉功能，通過繼電器控制電源接口J1的端口P1與P14的短接與開路，使能電源的輸出。

根據(jù)電源在線切換技術(shù)的研究，電源在線切換裝置的設(shè)計(jì)選用10塊Pickering公司的40-161-101系列的大功率開關(guān)模塊，該型號(hào)板卡為PXI總線型，可集成于主控制系統(tǒng)工控機(jī)箱，每塊板卡具有12路單刀雙擲大功率繼電器，共構(gòu)成120路繼電器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)30臺(tái)備用電源輸出通道和2臺(tái)備用電源輸出通道與30路負(fù)載回路的冗余連接。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為機(jī)柜形式，各分系統(tǒng)硬件資源集成在機(jī)柜內(nèi)部，方便設(shè)備的移動(dòng)與使用。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于VS2010環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言為VB，運(yùn)行環(huán)境為win7操作系統(tǒng)。軟件數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟SQL SERVER 2005，調(diào)用Agilent I/O庫(kù)實(shí)現(xiàn)電源的底層驅(qū)動(dòng)。

本系統(tǒng)軟件采用C/S架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，分為主控軟件和顯示軟件兩部分，其中主控軟件運(yùn)行在系統(tǒng)本地硬件主控制分系統(tǒng)上，直接與系統(tǒng)硬件資源進(jìn)行通信控制，實(shí)現(xiàn)電源輸出狀態(tài)檢測(cè)、電源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)與電源在線切換功能，同時(shí)，主控軟件實(shí)時(shí)接收顯示軟件的指令，并將電源最新狀態(tài)信息發(fā)送到顯示軟件進(jìn)行界面顯示；顯示軟件運(yùn)行于測(cè)控系統(tǒng)局域網(wǎng)任何一臺(tái)客戶機(jī)上，負(fù)責(zé)接收主控軟件發(fā)來的數(shù)據(jù)并顯示在界面上，同時(shí)接收人機(jī)交互界面的輸入信息，向主控軟件發(fā)送控制指令。兩種模式的軟件通過UDP協(xié)議通訊，雙方互發(fā)心跳數(shù)據(jù)，以此判斷對(duì)方是否在線，對(duì)方斷線后發(fā)出警報(bào)提示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)組成圖

軟件采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，開發(fā)結(jié)果、過程、內(nèi)部協(xié)議均為公開，可維護(hù)性強(qiáng)，提供各種配置接口，用戶界面友好，可操作性強(qiáng)，提高了軟件的設(shè)計(jì)重用性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。軟件結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

電源陣列健康管理系統(tǒng)開發(fā)完成后，在航天器熱試驗(yàn)電源間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其開展了性能驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，試驗(yàn)分別對(duì)電源陣列輸出電流檢測(cè)精度，輸出狀態(tài)故障檢測(cè)率、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障檢測(cè)率及在線切換功能可靠性等內(nèi)容進(jìn)行了驗(yàn)證與分析。

如圖7所示，被管理電源陣列以機(jī)柜為單元，每個(gè)機(jī)柜含有30臺(tái)電源，電源機(jī)柜的輸出通過2條電纜與電源管理系統(tǒng)的輸入通道接口B1、B2進(jìn)行連接，電源管理系統(tǒng)的供電輸出接口A1、A2連接至本次試驗(yàn)所選用的紅外燈陣負(fù)載，以此構(gòu)成電源管理的完整電氣連接。

圖7 電源管理系統(tǒng)工作狀態(tài)電氣連接圖

驗(yàn)證試驗(yàn)首先對(duì)電源健康管理系統(tǒng)的電流檢測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證分析。采取模擬工況試驗(yàn)的方法，驅(qū)動(dòng)程控電源向紅外燈陣加載工況電流，工況電流如圖8所示，工況周期為5 min，工況單步時(shí)長(zhǎng)為30 s，機(jī)柜上每個(gè)電源所加載的工況完全一致。

圖8 電源加載模擬工況電流圖

通過電源健康管理系統(tǒng)采集到的輸出電流與模擬工況電流的對(duì)比，分析系統(tǒng)對(duì)電源輸出電流的檢測(cè)精度。本文取5#,10#,20#,25#四臺(tái)電源輸出通道的電流檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其檢測(cè)誤差進(jìn)行分析，其誤差值如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)電流檢測(cè)誤差曲線

由圖9可知，管理系統(tǒng)所檢測(cè)輸出電流與實(shí)際加載電流的誤差值小于±0.02A，系統(tǒng)相對(duì)誤差小于0.5%，遠(yuǎn)小于電源輸出超差閾值0.1 A，滿足對(duì)輸出超差故障檢測(cè)的需求。

針對(duì)輸出狀態(tài)故障檢測(cè)率、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)率的驗(yàn)證，采用人工設(shè)置故障的方法進(jìn)行，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)程控電源前面板電流設(shè)定旋鈕，改變輸出電流，設(shè)置電源輸出狀態(tài)故障，手動(dòng)插拔電源網(wǎng)絡(luò)線的法方式，設(shè)置電源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障，驗(yàn)證電源管理系統(tǒng)對(duì)故障的檢測(cè)結(jié)果。本文分別重復(fù)執(zhí)行輸出狀態(tài)故障設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)故障設(shè)置100次，系統(tǒng)均能夠?qū)收线M(jìn)行有效判讀與定位，檢測(cè)率為100%。在每次故障檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)在線切換與切回功能也進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明系統(tǒng)切換邏輯無差錯(cuò)，且切換過程中無熱切換打火現(xiàn)象發(fā)生，能夠有效實(shí)現(xiàn)備用電源向故障電源的替代，切換時(shí)間小于2 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)電源故障檢測(cè)技術(shù)及電源冗余切換技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了電源健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)30臺(tái)電源規(guī)模陣列的輸出狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有2臺(tái)電源向30臺(tái)在用電源的冗余備份功能，故障檢測(cè)檢測(cè)周期最小為3 s，備用電源切換時(shí)間小于2 s，提高了航天器熱試驗(yàn)電源故障電源判定與定位的及時(shí)性，大大縮減了故障電源的更換時(shí)間，提高了航天器熱試驗(yàn)的可靠性。