衛星星座地面供配電測試系統研制

王建軍，馬 楠，李 立

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術的發展，衛星星座日益增多，應用范圍日益廣泛，如環境遙感、空間探測等，在國防和國民經濟發展建設中起著重要的作用。衛星星座模式的發展通常要求在其研發和設計過程中多星并行進行。在衛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。

衛星測試是衛星研發過程中必不可缺的步驟[1]，提高測試水平是優化總體設計的重要組成部分，也是目前衛星工作者共同關心的問題之一[2]。衛星地面供配電測試系統是衛星綜合測試系統中的重要組成設備，它通過脫落電連接器以有線方式對衛星進行供配電控制，對衛星的重要參數進行狀態監測和測量，對脫落電連接器電脫離進行控制，滿足在各階段以及各種試驗場合的整星測試任務的要求。衛星供配電測試系統的功能和性能直接影響著衛星測試質量，對于保證衛星整星測試的安全可靠具有重要的意義[3]。

如何實現地面供配電測試系統的通用化、模塊化、系列化，并提高其可擴展性，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的設計研制需要較高的專業知識技能和系統工程思想，其設計研制既要盡可能多地繼承原有的設計思維和成熟技術，又要考慮通用化、模塊化、系列化和可擴展性的需求，加入新的技術手段。為此，我們開發研制了基于PLC的通用小衛星星座地面供配電測試系統。

1 系統總體方案

選擇PROFIBUS總線構建星座模式下的地面供配電測試系統網絡，其傳輸速度快、數據量大、可擴展性良好，是一種功能強大、開放、堅固耐用的總線系統，能滿足工業現場要求高可靠性的通信[4]。

多星星座模式的衛星地面供配電測試系統總體結構如圖1所示。系統主要由太陽電池陣模擬器、穩壓電源、PLC通用供配電測試設備、工業控制計算機、PROFIBUS總線、衛星等效器、DC/DC主備份切換測試設備和火工品電路檢測設備等構成。

圖1 地面供配電測試系統總體結構Fig. 1 Structure of ground power supply test system

1）地面電源系統主要包含太陽電池陣模擬器和穩壓電源，如圖2所示。太陽電池陣模擬器用于模擬衛星在軌時太陽電池陣的電輸出特性，在衛星測試過程中提供電源，滿足日常測試需求。穩壓電源具有穩定的輸出特性，可以直接將輸出電壓加載到衛星母線上，用于滿足特定測試需求。該系統主要功能是在衛星發射前的各項試驗中模擬太陽電池陣為衛星供電，以及為星上蓄電池組充電。地面電源測試系統由 N套配置相同的設備組成，每套設備包含12個太陽電池陣模擬器模塊（1個模塊模擬1個供電分陣）、配電箱、控制用筆記本電腦以及直流穩壓電源和電子負載；系統采用GPIB總線；系統軟件可設置充/供電陣工作狀態，實時監控充/供電陣工作狀態，修改狀態設置，模擬進出陰影功能，實時生成各種工作狀態下的監測報告，還具有采集數據存檔和歷史數據分析等功能。

圖2 地面電源系統總體結構Fig. 2 Structure of ground power system

2）通用供配電測試設備實現了由1臺工業控制計算機集中監控管理、N套PLC通用供配電測試設備分布控制的集散控制系統。1臺控制計算機作為主工作站，通過CP5611（Siemens公司）通信卡接入PROFIBUS總線，位于衛星測試現場的N套PLC通用供配電測試設備通過各自的通信端口接入PROFIBUS總線。通用供配電測試設備的數量與衛星星座中包含的衛星數量相同，每個通用供配電測試設備對應一顆待測試衛星，并分配不同的可修改的站地址，完成與其對應衛星的監控，包括對衛星進行供配電控制，對衛星的重要參數進行狀態監測，對脫落電連接器電脫離進行控制，具有實時顯示、數據歸檔、報警記錄等功能。另外，控制計算機可以通過TCP/IP協議經由以太網直接連入衛星電測間綜合測試網絡，向實時數據庫廣播供配電測試設備參數信息，接收并執行主測試計算機（MTP）發來的測試控制命令。每套通用供配電測試設備具有各自的站地址，能夠獨立工作，設備間可以互換，實現了設備級的通用性。

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

4）DC/DC主備份切換測試設備通過星表接口與衛星連接，再通過星上電纜網與各分系統DC/DC模塊相連。通過該專用設備模擬主DC/DC模塊故障的方式進行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）火工品電路檢測設備通過星表接口與衛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，衛星等效器、DC/DC主備份切換測試設備和火工品電路檢測設備在測試需要的時候接入脫落電連接器或者衛星星表插座。

2 系統硬件設計

2.1 通用供配電測試設備硬件設計

可編程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是一種工業控制器件，可靠性高，硬件組態方便靈活，開發過程迅速，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。基于 PLC模塊研制開發了衛星星座模式下的地面供配電測試設備，配備工業控制計算機來進行良好的人機交互，實現更加完善的自動控制功能。基于PLC的通用供配電測試設備硬件接口如圖3所示。

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

供配電測試設備通過脫落電連接器與衛星連接（設備自檢時接衛星等效器），通過 DP接口接入PROFIBUS網絡，利用工業控制計算機對其進行監視控制和操作。日常測試時，根據需要接入太陽電池陣模擬器或者穩壓電源（不可同時接入），完成衛星的供配電功能。

基于PLC的通用供配電測試設備底層硬件核心為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（數字量輸入和數字量輸出模塊DI/DO及模擬量輸入模塊AI）等。另外還包含設備用電源模塊、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8 MB，電源電壓額定值為24 V。

2）根據需要，另外擴展了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）根據負載功率需要，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。每個該類型模塊具有4組共8個通道，每個通道組測量范圍可選，精度可選（這里設定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）設備用電源模塊產生設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路可調電壓。

從電氣連接形式來看，星地接口分為3個類型，即模擬量輸入、數字量輸出和數字量輸入。供配電測試設備不但要實現測量和控制的準確性及有效性，還要實現高可靠性要求，即保證衛星安全和供配電測試設備安全，增強設備輸入/輸出驅動能力，減少測試人員誤操作，提高產品的可靠性，實現星地電氣接口的完全隔離。系統充分利用PLC的可靠性和準確性，配備外圍電路進行信號采集、處理和控制輸出；采用電磁繼電器、固態繼電器和隔離放大器進行完善的隔離放大；利用應急開關實現應急斷電處理功能；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慎處理：對于電壓量參數，如電池電壓，PLC系統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，使信號轉換為能與AI模塊輸入端匹配的電壓信號；對于電流量參數，如負載電流，則采用霍爾器件轉換為電壓量進行采集和隔離。電池電壓、負載電流接口如圖4所示，其余模擬量接口與此相同。

2.2 PLC模塊接點分配

采用PLC模塊構建供配電測試設備硬件體系，需要對各個模塊的接點進行分配。結合實際情況，PLC模塊接點分配如表1所示（表中列出了主接點分配情況；另外DO和DI有相同數量的冗余備份接點，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模塊接點分配表Table 1 Pin configuration of PLC module

3 系統軟件設計

通用供配電測試設備利用工業組態技術進行開發。組態軟件產生與工業控制領域是工業應用軟件的一個重要組成部分，是數據采集監控系統SCADA的軟件平臺工具。采用類似資源管理器的窗口，對自動控制系統中的各種硬件資源進行配置管理；提供多種數據驅動程序；支持多種腳本語言；具有數據處理、報警記錄、數據歸檔、報表生成等功能。該軟件功能強大，組態使用靈活方便，具備良好的封裝性、通用性、開放性和可擴展性，在工業自動化領域發揮著重要作用[5]。

3.1 SIEMENS工業組態軟件

WinCC與STEP 7借助于組態技術，通用化、模塊化和系列化程度高；二者緊密結合，共同開發，可縮短項目開發周期，并且具備良好的可擴展性[6]。通過STEP 7對PLC設備進行硬件組態并編寫硬件程序，將其下載到PLC內部，完成單個PLC通用供配電測試設備的底層硬件組態和程序編寫下載。用于多星星座模式的多個PLC通用供配電測試設備以及工業控制計算機統一連接于PROFIBUS總線，利用WinCC對其進行整體硬件組態和上層軟件組態，提供圖形化操作和顯示的人機交互界面。

3.2 基于WinCC的供配電測試監控軟件平臺

基于 WinCC開發了供配電測試監控軟件平臺，其軟件功能如圖5所示。組態軟件WinCC采用觸發機制，組態了完善的功能，具備了多星界面選擇、控制輸出、實時顯示、數據歸檔、報警記錄、冗余備份等功能；通過PROFIBUS-DP接口實現與底層PLC的通信；通過OPC進行網絡鏈接，接入綜合測試網，接收外部命令和對外廣播數據信息。

為了提高星座模式下的地面供配電測試系統的可靠性，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備的可靠性，主要包括冗余備份、動作使能、動作輸出、條件判斷提醒對話框、輸出確認、輸出信號狀態回讀等措施。

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

4 系統特點

在繼承原有的設計思維和成熟技術基礎上，考慮通用化、模塊化、系列化和可擴展性的需求，開發了基于PLC的通用小衛星星座地面供配電測試系統。該系統采用由1臺工業控制計算機集中監控管理、多套通用供配電測試設備分布控制的集散控制系統。通過不同的站地址，工業控制計算機通過總線將不同PLC通用供配電測試設備的控制命令輸出，控制多套PLC通用供配電測試設備，對衛星進行供配電控制，對衛星的重要參數進行狀態監測，并能夠及時廣播數據，接收并執行遠程遙控命令。該系統具有以下特點：

1）由工業控制計算機和多套PLC通用供配電測試設備通過PROFIBUS總線構成分布控制的集散控制系統，性能可靠，操作方便，便于迅速構建衛星綜合測試系統，實現了多星并行測試，并具備遠程監控功能。

2）每套 PLC通用供配電測試設備基于 PLC技術構建，體積小巧，操作方便，接口統一，可擴展性強，通用化和模塊化程度高。

3）采用PROFIBUS總線進行通信連接，堅固耐用、接口統一，現場組態快速方便。

4）采用STEP 7進行每套PLC通用供配電測試設備的硬件組態配置和程序開發，利用 WinCC軟件進行系統整體硬件組態和頂層控制軟件組態，開發迅速，功能完善，便于實時監控，實現了多星數據存儲和分析。

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的可靠性以及操作的安全性。

5 結束語

多星星座研制的日益增多對綜合測試系統提出了更高的要求。本文研制開發了衛星星座地面供配電測試系統，該系統采用了組態技術，基于PROFIBUS總線和PLC搭建底層硬件平臺，基于STEP 7和WinCC進行軟件開發，通過OPC接入綜合測試網絡。經實際使用證明該系統功能完善，使用方便，控制靈活，穩定可靠，具備良好的可靠性和可擴展性，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需要。

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[1] 張黎明, 孫寧, 于慧亮, 等. 基于PXI的衛星綜合測試系統的設計與實現[J].計算機測量與控制, 2008, 16(1): 27-29

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

[3] 李立. 衛星供配電測試設備接口設計技術[J]. 航天器工程, 2002, 11(1): 66-72

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

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

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