一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)

丁保民 吳齊才 劉麗媛

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)

丁保民 吳齊才 劉麗媛

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

描述了一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)的組成、擺桿控制方法、遠程冗余控制原理，以及擺桿控制通路的實現(xiàn)方式，采用基于熱備冗余控制器和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建的控制系統(tǒng)，能夠可靠地實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制，大幅提高了設(shè)備可靠地完成任務(wù)的能力，并成功應(yīng)用于新研制火箭的發(fā)射任務(wù)中。展望未來，該系統(tǒng)在各基地擺桿可靠性升級改造，以及電站、鋼廠，以及其它要求遠程控制、可靠性高的軍用和民用控制領(lǐng)域均具有較高的應(yīng)用價值。

擺桿，高可靠，遠程控制

1 概 述

在航天發(fā)射場等活動發(fā)射平臺上的臍帶塔與試驗設(shè)備整體運輸、測試的過程中，擺桿電控系統(tǒng)[1]主要用于控制臍帶塔上的擺桿帶動試驗設(shè)備脫落的連接器、管路、接頭等擺開到安全范圍內(nèi)。本文設(shè)計的擺桿電控系統(tǒng)采用基于可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)以太網(wǎng)的控制技術(shù)，實現(xiàn)了活動發(fā)射平臺臍帶塔擺桿的開合、油源電機啟停等各種規(guī)定動作的控制，可監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)，并具有冗余、故障診斷、遠程控制等功能。其利用以太網(wǎng)交換機、光纖通信、控制器熱備冗余等技術(shù)，實現(xiàn)了活動發(fā)射平臺擺桿電控系統(tǒng)的技術(shù)飛躍，大幅提升了活動發(fā)射平臺的智能化及可靠性水平，具有重要的戰(zhàn)略意義。

該擺桿電控系統(tǒng)將基于冗余光纖和以太網(wǎng)組合的控制技術(shù)應(yīng)用于活動發(fā)射平臺，實現(xiàn)了高可靠性的遠程控制。為了確保擺桿電控系統(tǒng)能夠在前端現(xiàn)場無人的情況下，可靠地完成活動發(fā)射平臺擺桿擺開的關(guān)鍵動作，增加了一路專用應(yīng)急控制通道，作為遠控自動模式失效時擺桿仍可強制擺開的備用方案。

2 擺桿電控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 擺桿電控系統(tǒng)組成

該擺桿電控系統(tǒng)由后端、前端及光纖網(wǎng)絡(luò)等三大部分組成，其中，后端部分包括后端主工作站、后端備工作站、后端主交換機、后端備交換機、后端擺桿應(yīng)急控制盒、后端信號轉(zhuǎn)接盒等；光纖網(wǎng)絡(luò)部分包括主傳輸光纖、備傳輸光纖、應(yīng)急光纖等；前端部分包括前端主交換機、前端備交換機、前端主PLC、前端備PLC、前端信號轉(zhuǎn)接盒、前端執(zhí)行機構(gòu)等。該擺桿電控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 擺桿控制方法

圖1 擺桿電控系統(tǒng)組成圖

該擺桿電控系統(tǒng)采用PLC控制電機、電磁閥、繼電器工作，電機帶動液壓泵為液壓系統(tǒng)提供動力，如圖2所示。PLC的DO模板控制電磁換向閥開啟，控制擺桿擺開、擺回。按照設(shè)定的擺桿運動曲線，通過調(diào)節(jié)PLC的AO模板輸出模擬量參數(shù)到壓力和流量放大板，壓力和流量放大板控制比例溢流閥和比例流量閥，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力和流量的調(diào)控，油缸推動傳動機構(gòu)帶動擺桿運動，從而控制擺桿的擺動速度，控制擺桿啟動時做勻加速運動，停止時做勻減速運動。在擺桿的起始點、加速點、減速點、停止點分別設(shè)置限位開關(guān)，用于判斷擺桿擺開或擺回的位置。整個

控制過程中，擺桿分別經(jīng)歷啟動、加速運行段、勻速運行段、減速運行段、低速運行段、停止等歷程。

圖2 擺桿控制框圖

2.3 系統(tǒng)控制模式

該擺桿電控系統(tǒng)采用集中控制、模塊化設(shè)計，可選擇近控、遠控兩種工作方式，其中，近控又可分為手動、PLC控制兩種控制模式，可實現(xiàn)無擾互鎖雙重冗余控制。其控制模式如圖3所示。

在近控PLC控制模式下，設(shè)備分布于前端區(qū)域內(nèi)，前端指令控制上位機，邏輯控制下位機CPU、輸入輸出信號控制模塊，相互獨立，互為冗余。前端系統(tǒng)采用基于美國GE公司的RX7i和RX3i系列PLC，設(shè)計構(gòu)建了雙網(wǎng)復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，整個系統(tǒng)不僅在輸入/輸出（I/O）模塊上實現(xiàn)了不同子站間的互備冗余，在網(wǎng)絡(luò)鏈路節(jié)點上也進行了雙通信模塊的同時環(huán)網(wǎng)構(gòu)建。

在近控手動控制模式下，該擺桿電控系統(tǒng)利用分立元件搭建等效于自動模式控制下的控制指令及重要輸出信號，用于網(wǎng)絡(luò)或PLC控制模式失效情況下的人工系統(tǒng)控制。

遠程控制的硬件平臺為兩臺遠程控制臺，內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，每臺都設(shè)有IP綁定的雙網(wǎng)卡接口，雙網(wǎng)卡分別連接到總控網(wǎng)后端交換機H1、H2上，構(gòu)成網(wǎng)卡、交換機的網(wǎng)絡(luò)熱備冗余系統(tǒng)，同時，兩臺工作站之間實現(xiàn)定時信息交互，以監(jiān)控彼此的運行狀態(tài)，當一臺工作站發(fā)現(xiàn)另一臺工作站運行異常時，執(zhí)行切換程序，實現(xiàn)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)整機熱備功能。

2.4 遠程冗余控制

該擺桿電控系統(tǒng)利用遠端實現(xiàn)終端對近端油源電機的啟停、臍帶塔擺桿的開合等動作的控制。試驗場前端為活動發(fā)射平臺前置設(shè)備間，后端為指揮大廳，距離數(shù)千米。

圖3 系統(tǒng)控制模式簡圖

擺桿電控系統(tǒng)由于具有無人化和遠程化特性，其自身必須保證高可靠性并具備冗余和故障診斷能力，以確保擺桿動作順利完成[2]。擺桿電控系統(tǒng)正常工作時，后端兩臺工作站、后端兩臺交換機、前端兩臺交換機、前端兩組PLC控制器互相構(gòu)成主備冗余，前、后端采用單模光纖進

行信號傳輸，主、備交換機之間采用多模光纖進行同步，后端主、備交換機，前端主、備交換機通過光纖形成4個節(jié)點的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，當某臺交換機失效或某段光路斷開時，前、后端之間的通信仍能繼續(xù)進行。后端主、備工作站使用網(wǎng)線分別接入后端主、備交換機，每臺工作站均配備雙網(wǎng)卡且進行綁定，斷開其中一段鏈路或關(guān)閉一臺后端交換機系統(tǒng)時仍能正常工作。前端主、備PLC之間采用同步光纖進行熱備冗余，當主PLC失效時系統(tǒng)無縫切換到備PLC。前端主備PLC與前端交換機之間使用網(wǎng)線進行交叉互聯(lián)，保證任一段鏈路斷開或交換機失效時系統(tǒng)仍能正常工作。

后端工作站將控制指令通過交換機和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)角岸薖LC，前端PLC按照預(yù)先編寫的程序控制I/O模塊完成各執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)動作。前端PLC采集到傳感器和液壓閥塊的狀態(tài)量也返回到后端工作站顯示界面。

當后端工作站或前端PLC失效時，活動發(fā)射平臺將無法完成指定動作，因此，要在試驗場單獨配套應(yīng)急光纖網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)擺桿強制擺開功能，具體方式為：后端擺桿應(yīng)急控制盒發(fā)出擺開電信號，經(jīng)過后端信號轉(zhuǎn)接盒轉(zhuǎn)化為光信號，通過應(yīng)急光纖傳輸?shù)角岸诵盘栟D(zhuǎn)接盒，再轉(zhuǎn)換為電信號，擺開電信號控制前端強擺電路完成擺桿擺開動作，當擺桿完全擺開后，再通過該回路將“擺桿擺開好”信號返回后端。

2.5 擺桿控制通路實現(xiàn)方式

該擺桿電控系統(tǒng)在控制電路設(shè)計上，設(shè)計有主通路控制、備通路控制和應(yīng)急控制等3種控制方式，并在硬件上設(shè)計有三路互鎖的控制電路[3]。

該擺桿電控系統(tǒng)采用基于GE公司的RX7i系列PLC，具有安全熱備份功能，兩臺PLC進行數(shù)據(jù)同步完成熱備份功能，一旦工作PLC發(fā)生問題，可迅速將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給備份PLC，能夠在對PLC無干擾的情況下進行PC機切換，使被控設(shè)備保持正常運行狀態(tài)，切換時間不超過PLC的一個掃描周期，為了確保順利轉(zhuǎn)換，兩個PLC的CPU轉(zhuǎn)換通過同步電纜通訊、處理程序，數(shù)據(jù)寄存器、定時器、計數(shù)器和其它數(shù)據(jù)保持實時的數(shù)據(jù)刷新。這種類似于GE Rx7i的雙冗余控制器（CPU）的設(shè)計方式具有自主故障診斷、無擾動程控切機等功能。

當主備PLC模塊皆出現(xiàn)故障或無法正常工作時，后端的擺桿應(yīng)急控制盒發(fā)出強擺信號，信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后控制前端繼電器動作，從而完成相應(yīng)的動作。

“擺桿擺開”控制正常執(zhí)行過程中，總控發(fā)出“擺桿擺開”網(wǎng)絡(luò)命令，電控系統(tǒng)后端上位機接收命令，并發(fā)送給電控系統(tǒng)前端PLC，PLC接收并執(zhí)行主通路“擺桿擺開”指令，控制液壓主回路工作，執(zhí)行擺桿擺開動作，如果液壓主回路故障，數(shù)秒內(nèi)未收到特定位置的限位開關(guān)信號，PLC執(zhí)行備通路擺開指令切換至液壓備份回路，擺桿到位后，限位開關(guān)觸發(fā)“擺桿擺開好”信號，“擺桿擺開好”信號通過PLC發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

“擺桿強擺”控制是通過應(yīng)急裝置，避開總體以太網(wǎng)和PLC控制回路，直接控制液壓執(zhí)行機構(gòu)的方式：總控發(fā)出“擺桿強擺”手動命令到后端應(yīng)急控制盒，強擺信號經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換至光纖，經(jīng)由應(yīng)急光纖，信號傳遞至前端應(yīng)急控制盒，經(jīng)過光/電信號轉(zhuǎn)換送至電控系統(tǒng)擺桿應(yīng)急控制盒，控制擺桿的液壓備份回路工作，切斷比例溢流閥，擺桿執(zhí)行擺開動作，擺桿到位，限位開關(guān)觸發(fā)“擺桿擺開好”信號，“擺桿擺開好”信號通過PLC發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

3 實施效果

該擺桿電控系統(tǒng)實現(xiàn)了遠控、近控兩種控制模式冗余，在遠端控制模式下，分區(qū)域相互獨立，設(shè)計構(gòu)建了雙網(wǎng)復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，整個系統(tǒng)不僅在輸入/輸出模塊上實現(xiàn)了不同子站間的互備冗余，在網(wǎng)絡(luò)鏈路節(jié)點上也進行了雙通信模塊的同時環(huán)網(wǎng)構(gòu)建，大幅提高了系統(tǒng)的總體可靠性；在近控手動控制模式下，利用分立元件搭建了等效于自動模式控制下的控制指令及重要輸出信號，用于網(wǎng)絡(luò)或PLC控制模式失效下的人工系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了大型活動發(fā)射平臺擺桿電控系統(tǒng)的架構(gòu)搭建，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性，為活動發(fā)射平臺動作流程的控制項目提供了有效的保障。

該擺桿電控系統(tǒng)采用比例調(diào)速控制技術(shù)，解決了控制長擺桿快速擺開的慣性沖擊難題，根據(jù)載荷計算出理想曲線進行控制，抵消了擺桿轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響，提高了擺桿擺動的平穩(wěn)性和擺桿的定位精度；采用主、備、應(yīng)急三重冗余控制模式，確保了擺桿能夠可靠地擺開。

4 結(jié)束語

該擺桿電控系統(tǒng)首次在活動發(fā)射平臺臍帶塔上實現(xiàn)了擺桿遠程控制，形成了具有主、備、應(yīng)急3個控制通道的擺桿控制系統(tǒng)，應(yīng)用了一種基于以太網(wǎng)和光纖傳輸?shù)母呖煽窟h控和近控系統(tǒng)，實現(xiàn)了活動發(fā)射平臺無人化和遠程化控制，提高了平臺的自動化水平，以及完成多任務(wù)的能力。隨著遠程控制技術(shù)的發(fā)展，展望未來，該系統(tǒng)在各基地擺桿可靠性升級改造，以及電站、鋼廠等要求系統(tǒng)冗余、可靠性高的軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 丁保民. 一種高可靠擺桿控制系統(tǒng)[P]. 中國, 201120416745.8. 2012-07-04

2 林輝. 活動發(fā)射平臺遠程電氣控制系統(tǒng)[P]. 中國, 201410503395.7. 2014-09-26

3 吳齊才. 一種高可靠擺桿控制系統(tǒng)及控制方法[P]. 中國, 201110331942.4. 2011-10-27

1009-8119（2016）11（1）-0058-03