航天用保險(xiǎn)閥試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

白亞群 韓春陽 冀曉來 王 鑫 杜峻松 于長吉

航天用保險(xiǎn)閥試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

白亞群 韓春陽 冀曉來 王 鑫 杜峻松 于長吉

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

以航天用保險(xiǎn)閥的試驗(yàn)過程全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)為目的，開展了試驗(yàn)系統(tǒng)搭建分析，基于PLC理論和Labview平臺(tái)，設(shè)計(jì)了符合自動(dòng)供氣和控氣要求的配氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工控機(jī)，促進(jìn)了航天閥門產(chǎn)品生產(chǎn)過程智能化的發(fā)展。

自動(dòng)化；配氣系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

1 引言

保險(xiǎn)閥是根據(jù)壓力信號(hào)指令調(diào)節(jié)貯箱放氣與密封的功能件。航天用保險(xiǎn)閥是增壓輸送系統(tǒng)中的重要部件，對產(chǎn)品的性能有著更高的要求，主要用于控制和調(diào)節(jié)火箭飛行過程中的貯箱壓力，是保障火箭發(fā)射成功的重要器件。保險(xiǎn)閥的生產(chǎn)過程包括零件制造、整閥裝配和試驗(yàn)分析，其中試驗(yàn)分析過程是決定交付的產(chǎn)品是否合格的最后一步，也是關(guān)鍵一步。保險(xiǎn)閥的試驗(yàn)過程相對較復(fù)雜，如圖1所示，具有壓力工況多、數(shù)據(jù)收集量大、耗費(fèi)時(shí)間長等特點(diǎn)，而目前的試驗(yàn)過程控制多為手動(dòng)式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是依靠人工判讀并記錄，而手動(dòng)配氣試驗(yàn)臺(tái)需要多人的配合操作，這樣既容易引入誤差，也無法對試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)完整記錄。因此，通過對保險(xiǎn)閥試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，充分應(yīng)用自動(dòng)化控制手段，是縮短試驗(yàn)過程，提高試驗(yàn)精度，解放人力，保證合格率的關(guān)鍵。

圖1 保險(xiǎn)閥試驗(yàn)流程圖

國內(nèi)對閥門試驗(yàn)過程自動(dòng)化與數(shù)字化的研究歷史并不長，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和控制技術(shù)的提高，人們才逐漸開始研究閥門試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。朱紹原等人詳細(xì)設(shè)想了數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)的組成與工作邏輯關(guān)系[1]，為閥門壓力試驗(yàn)數(shù)字化改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與思考；朱利民等人從閥門檢驗(yàn)質(zhì)量方面入手，對閥門數(shù)字化檢驗(yàn)進(jìn)行了研究[2]，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)庫的功能分析，設(shè)計(jì)了閥門檢驗(yàn)質(zhì)量分析系統(tǒng)。本文將根據(jù)航天用保險(xiǎn)閥的工作和試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套閥門自動(dòng)化試驗(yàn)和數(shù)字化采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航天用保險(xiǎn)閥試驗(yàn)過程的自動(dòng)化與數(shù)字化。

2 自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

保險(xiǎn)閥的試驗(yàn)過程雖然涉及到較多的工況，包括環(huán)境溫度不同、試驗(yàn)壓力不同、供電電壓不同和持續(xù)時(shí)間不同等，但綜合統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)閥的自動(dòng)試驗(yàn)過程，主要是自動(dòng)化輸入與數(shù)字化輸出兩方面工作。保險(xiǎn)閥的試驗(yàn)輸入包括氣壓和電壓，輸出包括漏率、氣壓、電壓和時(shí)間。

經(jīng)過對市場與各研究所的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，閥門漏率檢測的研究與應(yīng)用尚未發(fā)展出一套較成熟的自動(dòng)化采集系統(tǒng)，因此本研究在有限的資源與時(shí)間條件下，不再考慮漏率的數(shù)字化采集，而沿用傳統(tǒng)的手動(dòng)采集和錄入系統(tǒng)的方法，因此本研究中的保險(xiǎn)閥自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)采用自動(dòng)為主、手動(dòng)為輔兩種控制方式，既在有限的資源條件下實(shí)現(xiàn)絕大部分試驗(yàn)的自動(dòng)控制，也提高系統(tǒng)的可靠性與可控性。

圖2所示為保險(xiǎn)閥自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。

圖2 保險(xiǎn)閥自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖3 自動(dòng)試驗(yàn)、采集系統(tǒng)總體方案

自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)三大部分，如圖3所示。硬件系統(tǒng)保障供氣供電，以配氣臺(tái)、變壓器為主；軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣壓和電壓的控制與調(diào)節(jié)，以工控機(jī)、施耐德PLC組成控制核心，控制配氣系統(tǒng)的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)系統(tǒng)氣體壓力和流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。

為保證自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性、安全性和智能性，系統(tǒng)還將設(shè)置冗余設(shè)計(jì)、過載保護(hù)、互鎖和報(bào)警等可靠性保護(hù)措施。閥門試驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸入輸出將采用具有人機(jī)交互式的測試界面，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)控制檢測全過程的智能化參數(shù)設(shè)定。

3 自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)是保險(xiǎn)閥試驗(yàn)中的主要硬件系統(tǒng)，用于完成閥門通路上的供放氣工作。配氣系統(tǒng)需要根據(jù)閥門試驗(yàn)過程的需要配置相應(yīng)的氣源和氣流通路，并在通路中安裝三通四通、過濾器、壓力表、流量計(jì)和控制閥等附屬設(shè)備，必要時(shí)需要配置氣瓶。因不同閥門試驗(yàn)要求不一，配氣系統(tǒng)的形式也是多變的，需要針對某一類甚至某一個(gè)閥門進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。本研究中的保險(xiǎn)閥配氣系統(tǒng)是在傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化控制改造而成。

3.1.2 電路系統(tǒng)

電路系統(tǒng)是保險(xiǎn)閥試驗(yàn)過程中的控制介質(zhì)，是數(shù)字儀表和控制閥啟動(dòng)的源動(dòng)力，用于傳輸控制信號(hào)和保障電器產(chǎn)品正常工作。電路系統(tǒng)包括UPS電源、24V直流電源、各種電線電纜和變壓器等，保險(xiǎn)閥自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中的電路系統(tǒng)充分考慮了不同控制點(diǎn)與分析點(diǎn)的設(shè)置，在每一個(gè)氣體壓力控制點(diǎn)、流量壓力控制點(diǎn)和檢測數(shù)據(jù)的輸出點(diǎn)均設(shè)置了電磁閥和傳感器，如圖2中虛線所示。

3.2 軟件系統(tǒng)

保險(xiǎn)閥自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)為基于PLC將控制指令載入控制系統(tǒng)，并向配氣臺(tái)和供電系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動(dòng)化和數(shù)字化。軟件系統(tǒng)搭建的核心步驟是控制指令的識(shí)別與分解和過程信號(hào)的分析與調(diào)節(jié)，主要包括PLC控制系統(tǒng)和工控機(jī)，工控機(jī)附帶有基于Labview編寫的人機(jī)交互界面。為了保證保險(xiǎn)閥試驗(yàn)過程的可靠性，本研究還設(shè)計(jì)了調(diào)壓方案、濾波方法和可靠性配置。

3.2.1 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要使用的是施耐德Modicon Quantum系列的PLC，PLC能適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境，具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。PLC控制器件接受監(jiān)控畫面及現(xiàn)場按鈕、開關(guān)等指令，對配氣管路電磁閥、減壓器等設(shè)備進(jìn)行開關(guān)指令或壓力設(shè)定。試驗(yàn)系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖保護(hù)控制邏輯均由PLC執(zhí)行，在上位機(jī)及采集系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，PLC仍可按固化的程序執(zhí)行相應(yīng)指令。

3.2.2 工控機(jī)

工控機(jī)使用研華工控機(jī)，基于Labview軟件編寫操作界面對系統(tǒng)進(jìn)行顯示和輸入[3～6]。Labview和PLC間通過Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行通訊。圖4為控制系統(tǒng)供電原理圖，PLC背板上共有6個(gè)插槽，本系統(tǒng)共使用了5個(gè)模塊：

140 CPS 114 20：115/230 VAC 獨(dú)立/可累加 11 A 電源模塊；

140 CPU 651 50：時(shí)鐘頻率可達(dá)到166MHz的CPU；

140 ACI 040 00：模擬量電流輸入模塊；

140 DRA 840 00：繼電器16×1常開輸出模塊；

140 DDM 390 00：24 VDC 2×8漏極輸入/2×4源極輸出模塊。

圖4 控制系統(tǒng)供電原理圖

操作界面基于Labview編程環(huán)境進(jìn)行編寫，采取直觀形象的輸入模塊，包括“試驗(yàn)系統(tǒng)自檢及初始化”、“試驗(yàn)測試過程設(shè)定”、“數(shù)據(jù)曲線的采集、顯示和存儲(chǔ)”、“生成報(bào)表”、“數(shù)據(jù)處理”等模塊，完成試驗(yàn)過程的自動(dòng)化。圖5為某保險(xiǎn)閥調(diào)壓試驗(yàn)界面展示。

圖5 保險(xiǎn)閥調(diào)壓試驗(yàn)界面

配置數(shù)據(jù)保存著板卡的參數(shù)信息（采樣率、通道名稱、轉(zhuǎn)化量程等）、實(shí)驗(yàn)中的一些用戶信息（操作員、檢驗(yàn)員、規(guī)格型號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)等）。配置信息每次默認(rèn)讀取文件，如圖6所示。

圖6 配置文件路徑

3.2.3 調(diào)壓方案的設(shè)計(jì)

氣體或液體壓力是保險(xiǎn)閥試驗(yàn)的主要?jiǎng)恿斎?。PLC控制系統(tǒng)以工控機(jī)輸入的壓力值為基準(zhǔn)，以輸入的包容誤差為控制精度，通過壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門試驗(yàn)所需要的壓力，并將反饋數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)反映在工控機(jī)界面上，以供人工分析使用。傳統(tǒng)的超壓保護(hù)方式為安裝溢流閥或安全閥，采用機(jī)械的方式對某一壓力定值進(jìn)行保護(hù)。在本方案設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)氣密試驗(yàn)過程采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，幾乎所有閥門均使用電控閥，故本套系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

壓力值范圍廣，整個(gè)工藝流程的壓力定值覆蓋了1～35.5MPa（目前供氣站最高供氣壓力為35.5MPa）；

本系統(tǒng)使用軟件的超壓保護(hù)判斷，能對不同的試驗(yàn)定值進(jìn)行超壓保護(hù)。

3.2.4 濾波設(shè)計(jì)

為了保證試驗(yàn)過程的精確性，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮干擾信號(hào)的影響。為減小干擾，本系統(tǒng)在硬件方面將所有外接線纜全部采用屏蔽線，并將屏蔽層單端接地；在軟件方面，調(diào)壓試驗(yàn)采樣速度設(shè)置為10000點(diǎn)/s，其余試驗(yàn)采樣速度設(shè)置為100點(diǎn)/s，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)，而在數(shù)據(jù)導(dǎo)出時(shí)根據(jù)試驗(yàn)人員需要既可以獲取原始數(shù)據(jù)，也可以使用基于卷積濾波法的濾波界面將分析采集的數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾信號(hào)和偶然干擾信號(hào)過濾清除，獲取經(jīng)濾波分析之后的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)人員根據(jù)需要，選取更可靠的輸出值。

3.2.5 軟件可靠性設(shè)計(jì)

軟件可靠性設(shè)計(jì)主要是從可能出現(xiàn)故障和危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)入手，通過冗余設(shè)計(jì)、過載保護(hù)、互鎖和報(bào)警等方法，增加自動(dòng)化試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)任務(wù)書要求，將軟件的試驗(yàn)操作分為“靈活性試驗(yàn)”、“氣密性試驗(yàn)”、“調(diào)壓試驗(yàn)”、“低、高溫試驗(yàn)-靈活性”、“低、高溫試驗(yàn)-氣密性”、“壽命試驗(yàn)”和“振動(dòng)試驗(yàn)”，根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)使用相同的PLC和采集卡資源的特點(diǎn)，將PLC和采集卡模塊設(shè)置為單指令工作模式，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)間的互鎖。

在軟件系統(tǒng)程序編寫過程中，針對不同模塊的運(yùn)行均增加“是否正常工作”的自我判定語言，當(dāng)判定結(jié)果為“否”時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。主要檢查的設(shè)備包括：系統(tǒng)中所有傳感器、大流量切換閥、母管出口切斷閥、流量調(diào)壓閥等進(jìn)行檢查，并將判定結(jié)果顯示在系統(tǒng)自檢界面。

同時(shí)還設(shè)置了機(jī)械報(bào)警裝置，如系統(tǒng)內(nèi)保險(xiǎn)閥在壓力過高時(shí)觸動(dòng)警鈴發(fā)出報(bào)警、過載蜂鳴器報(bào)警和斷電報(bào)警等，緊急關(guān)機(jī)按鈕和緊急制動(dòng)按鈕的設(shè)置增加了人對系統(tǒng)故障的應(yīng)急控制。

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化已經(jīng)是所有行業(yè)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)成功轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)。本文通過對保險(xiǎn)閥試驗(yàn)過程的深入研究，完成了以下兩方面研究與成果：

a. 建立了自動(dòng)配氣系統(tǒng)，所有氣動(dòng)壓力均由系統(tǒng)自動(dòng)控制，大幅減少工人操作環(huán)節(jié)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

b. 建立了基于PLC的控制系統(tǒng)和基于Labview的工控機(jī)，集成了航天用保險(xiǎn)閥試驗(yàn)全過程，提高了試驗(yàn)效率。

本文所形成的航天用保險(xiǎn)閥試驗(yàn)自動(dòng)供配氣技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)及成果可在航天型號(hào)中實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，其設(shè)計(jì)理念與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)可以做進(jìn)一步推廣，為閥門自動(dòng)化、數(shù)字化試驗(yàn)和檢測技術(shù)的深入探索提供了寶貴的理論支持和實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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3 楊繼志. 基于LabView的閥門試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(9)：77～95

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Automation Design of Test System of Safety Valve for Aerospace

Bai Yaqun Han Chunyang Ji Xiaolai Wang Xin Du Junsong Yu Changji

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

The purpose of this paper is to realize the full automation of the test process of the safety valve for aerospace. A new test system is constructed based on automation theory, then a gas-distribution system, a control system and an industrial computer are designed to meet the requirements of automatic gas supply and control. This research promotes the development of intelligence in the testing process of aerospace valve products.

automation；gas distribution system；control system

白亞群（1990），工程師，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：航天閥門研制。

2019-12-16