高精度點火控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

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

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機地面試驗 PLC 點火控制系統(tǒng) 設(shè)計及應(yīng)用

點火控制系統(tǒng)是固體火箭發(fā)動機地面試驗的關(guān)鍵控制設(shè)備。其點火的安全性和可靠性是決定地面試驗成敗的關(guān)鍵。同時控制器的精度影響試驗結(jié)果的可靠性。尤其是級間分離試驗要求在試驗中多次點火，方便搬運、組裝等，為滿足級間分離試驗的特點和安全性要求，設(shè)計了便攜式級間分離試驗點火自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進的PLC控制技術(shù)，主要由控制程序和點火控制器組成， 它們之間通信通過RS232接口實現(xiàn)。系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)動機遠程安全可靠點火，保障了試驗的順利進行。

1 系統(tǒng)功能及技術(shù)要求

1.1 點火控制

提供試驗要求的點火電流，8路輸出100V 50ADC；控制通道在常態(tài)下保持斷開狀態(tài)。

1.2 緊急關(guān)機

在發(fā)動機點火前，出現(xiàn)異常情況時，能夠快速斷開點火通道并使控制程序停止。

1.3 警報控制

發(fā)動機點火前，發(fā)出警報警示。

1.4 牽動控制

為采集系統(tǒng)提供時序牽動信號。牽動通道：16路（TTL、開關(guān)和電平信號）。

1.5 計時顯示功能

顯示試驗點火過程計時。設(shè)置范圍：倒計時999秒和正計時999秒（誤差：≤5ms）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)功能模塊：PLC控制模塊、點火控制模塊、牽動控制模塊和計時顯示模塊。

控制臺包括計算機、PLC 控制器、大功率管、大功率繼電器、點火控制系統(tǒng)電源、牽動系統(tǒng)電源、電流傳感器、LED顯示屏等。

系統(tǒng)通過計算機控制PLC控制器，得到倒數(shù)計時指令后，PLC控制器自動計數(shù)，控制小功率繼電器和時間顯示器，再由小功率繼電器控制大功率開關(guān)管和大功率繼電器，實現(xiàn)點火控制。由小功率繼電器和直流穩(wěn)壓電源共同實現(xiàn)牽動控制。緊急關(guān)機時，切斷大功率繼電器的供電電源，使點火回路斷開，并通過數(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PLC，包括256個計數(shù)器、兩個16位1ms定時器、1個雙字毫秒定時器、4k的寄存器空間，提供16路光隔離開關(guān)量輸入，16路繼電器輸出。該PLC可靠性高， 不需要驅(qū)動，直接安裝開發(fā)軟件“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”，通過PPI線纜將編寫的程序直接從計算機下載到PLC，就可以實現(xiàn)對PLC的控制。

但是，由于PLC的16位1ms定時器遠不能滿足試驗最大動作時間范圍要求，設(shè)計中采用PLC自帶的計數(shù)器配合定時器，實現(xiàn)毫秒定時器定時范圍的擴展。為提高控制效率和精度，設(shè)計中采用雙字方式，PLC接收到啟動按鈕的輸入信號后開始發(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有完全隔離，無法滿足試驗要求，因此，必須單獨開發(fā)小繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有31個通道，實現(xiàn)8路點火通道和23路牽動通道的控制，每個通道均可精確到1毫秒。

2.3 大繼電器控制系統(tǒng)

由于試驗點火需要很大的瞬間電流，對系統(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)計選用JQX-64M繼電器，最大電流80A，耐壓500V，根據(jù)實際情況設(shè)計了專用的保護電路。

2.4 點火控制箱

點火控制箱不僅可以實現(xiàn)點火控制，還可以實現(xiàn)報警、緊急關(guān)機、點火確認等功能。

2.5 LED顯示屏

LED顯示屏作為點火控制的重要部件，不僅能動態(tài)顯示點火、牽動試驗的時間進度，更要求具有高可靠性，因此設(shè)計上采用光隔離模塊，不僅有效提高電路抗干擾能力，而且使LED燈的亮度可以進行硬件調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 概述

軟件采用Labwindows/CVI8.5開發(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和強大數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具。

3.2 功能模塊

點火控制程序主要包括以下模塊：登錄模塊、項目管理模塊、監(jiān)測模塊和點火電流測量模塊。

3.2.1 登錄模塊

用于進行相關(guān)功能選擇，主要功能包括“項目管理”、“點火電流測試”、“參數(shù)設(shè)置”等用于進行相關(guān)功能選擇。

3.2.2 項目管理模塊

點火、牽動通道信息，并把信息發(fā)送到PLC中，保證PLC中的數(shù)據(jù)準確無誤。

結(jié)構(gòu)體設(shè)計解決了點火、牽動通道信息收集的問題，并為傳遞信息做好了準備。

3.2.3 監(jiān)測模塊

當通道信息發(fā)送完畢，軟件進入監(jiān)測界面后，上位軟件只會被動接收來自PLC控制器反饋的通道狀態(tài)信息，包括啟動、緊急關(guān)機、復位、試驗開始、試驗結(jié)束及通道狀態(tài)信息。

3.2.4 點火電流測量模塊

由于不同型號發(fā)動機的點火器的不同，要求在試驗前必須進行點火電流的測試，保證點火回路處于工作狀態(tài)，在通過電壓調(diào)節(jié)得到合適的點火電流，以保證發(fā)動機可靠點火。

4 結(jié)束語

該點火控制系統(tǒng)充分利用了計算機、PLC和現(xiàn)場總線的新技術(shù)，系統(tǒng)功能強大， 可實現(xiàn)遠程點火控制、危險狀態(tài)下緊急關(guān)機、試驗前警報控制、為采集系統(tǒng)提供時序牽動控制、并顯示試驗點火過程計時，系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定、操作簡便、能夠滿足固體火箭發(fā)動機地面試驗對點火控制系統(tǒng)的要求。

參考文獻

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[3]宋伯生.PLC編程使用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介

夏虹（1964-）黑龍江省哈爾濱市人。大學專科學歷。現(xiàn)供職于西安航天動力測控技術(shù)研究所一室。研究方向為計算機測控及應(yīng)用。

王忠頤（1972-）陜西省人。大學本科學歷。現(xiàn)供職于西安航天動力測控技術(shù)研究所一室。研究方向為計算機測控及應(yīng)用。

劉潔（1964-）山西省人。大學專科學歷。現(xiàn)供職于西安航天動力測控技術(shù)研究所質(zhì)量處。研究方向為質(zhì)量管理。

作者單位

西安航天動力測控技術(shù)研究所 陜西省西安市 710025