一種電火工品控制系統可靠性安全性設計

沈福東，許學雷，徐 浩，趙忠明，劉海飛

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著工業應用、軍事裝備等領域的發展，電點火器等電氣觸發的火工品的應用日益廣泛，例如爆炸螺栓、各類電氣式雷管、分離切割器等，火工品的引燃或起爆往往是系統中的最終執行環節或關鍵的中間環節，點火的成敗往往決定著系統的成敗，因此幾乎所有應用場合對火工品點火執行級電路的可靠性和安全性均提出了極高要求。本文針對火工品點火提出了一種具有高可靠性、安全性的點火控制系統設計方案，該方案已成功應用于某型火箭發射系統，具有較高的可靠性和安全性。

1 系統組成及原理

火工品點火控制電路有 3種基本類型，分別為非奇偶型、奇偶型和混合型。非奇偶型火工品點火控制電路是一個控制指令同時啟動所有火工品點火；奇偶型火工品點火控制電路是兩個控制指令啟動火工品點火，適用于火工品數量較多的情況；混合型是既有非奇偶型又有奇偶型的火工品點火控制電路。本文闡述的點火控制系統采用是奇偶型火工品點火控制電路，奇偶型火工品點火控制電路原理如圖1所示。

圖1 奇偶型火工品點火控制電路原理Fig.1 Ignition Control Circuit Principle of Odd-Even Type PyrotechnicsK3-1，K3-2—繼電器K3觸點；K4-1，K4-2—繼電器K4觸點；KA-1，KA-2—繼電器KA觸點；KB-1，KB-2—繼電器KB觸點；KC-1，KC-2—繼電器KC觸點；KD-1，KD-2—繼電器KD觸點；KE-1，KE-2—繼電器KE觸點；KF-1，KF-2—繼電器KF觸點；KG-1，KG-2—繼電器KG觸點；KH-1，KH-2—繼電器KH觸點；RX1～RX8—限流電阻；RQ1～RQ8—火工品橋絲電阻

火工品點火控制電路的 3種類型均可以等效為基本電流計算模型，如圖2所示。

圖2 基本電流計算模型Fig.2 Basic Current Calculation Model

電流計算為單位為Ω；U為電源電壓數值，單位為V。

點火控制系統由PLC組合、繼電器組合、檢測電路組合、電源組合、電纜網和上位機組成。

本系統采用GE公司的PAC Rx7i、PAC Rx3i系列PLC為控制核心，具有熱備冗余功能。PAC Rx7i作為主站，主站之間通過同步鏈路相連實現控制同步，PAC Rx3i作為子站，主站PAC Rx7i通過以太網實現對子站PAC Rx3i控制輸出，該系統具有主、子站交叉冗余控制功能。子站PAC Rx3i控制冗余繼電器，從而最終實現控制4路鈍感點火器點火電流[1,2]通斷的功能，達到觸發4路火工品點火的目的。上位機通過以太網與現場PLC進行數據通訊，遠程控制PLC觸發火工品點火，并能接收火工品點火控制回路的狀態監測信號，實現遠程控制和監測[3]。單路火工品點火控制原理如圖 3所示，其他3路控制原理與此相同。

式中 I為火工品點火控制電路電流的數值，該數值為鈍感點火器中單路橋絲的觸發電流值，如圖 1中的線路電流 1I和 2I，單位為A；R1～R5為等效電阻的數值，

圖3 單路火工品點火控制原理Fig.3 Ignition Control Principle of Single Road PyrotechnicsVA—繼電器KA消反峰電路中的二極管；RA—繼電器KA消反峰電路中的電阻；VB—繼電器KB消反峰電路中的二極管；RB—繼電器KB消反峰電路中的電阻

2 可靠性設計

為了保證火工品在點火時，控制電路準確無誤地給火工品供電[4]，使火工品適時起爆，系統采取了冗余設計、降額設計、電磁兼容設計等可靠性設計。

a）冗余設計。

控制電路均采取熱備、冗余設計，如熱備 PLC、熱備直流穩壓電源、冗余繼電器等，控制電路及電纜接線為雙點雙線。

b）降額設計。

點火控制系統電路中的元器件均采取了降額設計，例如控制火工品供電電流輸出的繼電器觸點（如圖1中的繼電器KA和KB）額定電流為30 A，實際火工品控制回路電流為14 A，滿足降額使用要求；提供點火電流的冗余直流穩壓電源其額定輸出電流為50 A，實際應用輸出為兩路火工品同時輸出共28 A，滿足降額使用要求。

c）電磁兼容設計。

系統采取了電磁兼容設計，控制核心PLC自身的抗干擾能力強，控制電纜采用耐高溫屏蔽雙絞電纜，電控柜殼體采取連接保護地設計，控制電源為線性直流穩壓電源（紋波干擾小于90 mV）。

3 安全性設計

點火控制系統的直接控制對象為鈍感點火器，該型點火器具有較好的防靜電、防射頻干擾的能力，抗干擾能力強，安全性好，點火器內部采用雙橋絲設計，并相互獨立，任何一個啟動即可實現火工品點火功能，單個橋絲滿足1 A /1 W，5 min不起爆等相關標準，其最佳工作電流為5～10 A[5]。除了需要實現點火回路可靠點火功能以外，還需要考慮對控制回路相關器件的保護，在電路設計上采取了3種主要設計方法提高這方面的安全性：a）在控制回路中增加限流電阻；b）在控制回路中增加回路狀態檢測電路；c）在給該回路配電的電源通路上增加使能繼電器，使得在不能觸發的時段內，可以可靠斷開配電電源。

3.1 限流電阻

限流電阻是保證點火電路安全可靠的一個重要環節[6]，限流電阻在電路中起到限制點火電流和保護配電電源、解耦通道間故障耦合等作用，可以有效地保護點火控制回路中的元器件，就本系統而言，根據圖 3所示，限流電阻RX1、RX2既可以保護控制回路中繼電器的觸點不被燒壞，也可以保護后端的直流穩壓電源。系統控制的單路火工品采用了雙橋絲設計，每個橋絲的內阻約為1.0 Ω，工作時間小于20 ms，其最佳工作電流為直流5～10 A，點火控制系統對火工品每個橋絲輸出設計電流為7 A，滿足火工品起爆要求，控制一個火工品雙橋絲總計輸出電流應為7×2=14 A；每個橋絲上串聯的限流電阻選用了專用的火工品限流電阻2W-(1±5%)Ω，其技術參數是400 W，100 ms不燒斷?？刂苹芈分械娜哂嘀绷鞣€壓電源為10～35 V、50 A可調，經實際測量單路火工品總控制回路阻值約為2 Ω，要保證整個單路火工品控制回路控制輸出14 A電流，直流穩壓電源輸出約為28 V、14 A，若控制兩路火工品則直流穩壓電源輸出約為28 V、28 A，10～35 V、50 A可調的直流穩壓電源滿足兩路火工品同時控制輸出的要求?？紤]到在火工品起爆瞬間每個限流電阻的功率損耗經計算約為49 W，小于400 W，且響應時間約為20 ms，小于100 ms，因此選用的火工品專用限流電阻可以滿足使用要求，既起到了限流作用，又可以保護控制回路中的繼電器和直流穩壓電源。

3.2 檢測電路

為了提高系統的安全性，在設計中增加了狀態檢測電路，用于檢測控制輸出火工品觸發電流的繼電器狀態，該檢測電路是為了防止因繼電器粘連等異常狀態而導致火工品誤動作而設計的，主要采用光電耦合原理來檢測火工品控制輸出回路是否處于異常接通狀態，如果處于接通狀態則要采取有效地處理措施進行解決，確?；鸸て房刂戚敵龌芈房煽堪踩?。檢測電路如圖4所示。

圖4 單路火工品控制檢測電路原理Fig.4 Principle of Control and Detection Circuit For Single Road Pyrotechnics K1～K4—繼電器；V1—繼電器K1消反峰電路中的二極管；R1—繼電器K1消反峰電路中的電阻；V2—繼電器K2消反峰電路中的二極管；R2—繼電器K2消反峰電路中的電阻；R200、R300—光電耦合控制電路中的電阻；X1—控制輸出插座；X2—火工品控制電路短路保護插座

為了確?；鸸て房刂苹芈钒踩?，在圖4電路設計采用如下幾項措施：

a）當點火控制電纜分別與插座X1和火工品連接好后，為了防止火工品誤觸發，要使用保險短路插頭將插座X2短接；實際應用中共有4路火工品，所以整個控制系統需要4個短路插頭。

b）保險短路插頭將插座X2的A～E點短接，根據圖中黑色粗線的電路，當檢測電路中的繼電器 K1、K2觸點由冗余 PLC開關量輸出模塊控制輸出吸合，控制輸出電路中的繼電器KA或KB的觸點一旦發生粘連故障，導致整個控制回路接通，則檢測電路中的光耦可將回路檢測信號傳送給冗余PLC的開關量輸入模塊進行信號采集，該信號最終在遠端的上位機軟件界面上接收顯示，如果顯示有信號，則表明控制輸出火工品電流的繼電器KA或KB發生粘連故障，必須執行故障預案排除故障，然后執行后續流程。

c）控制輸出電路中的火工品雙橋絲、限流電阻工作狀態是否正常關乎火工品點火的成敗，可以通過測量阻值的方法來判斷這些關鍵器件的工作狀態。插座X2就是測試阻值的電氣接口，通過該檢測接口進行阻值測試（插座X2的短路插頭拔掉）。在點火控制電纜與插座X1、火工品未連接好前，可通過插座X2的A和E、F點測量限流電阻RX1阻值，B和E、F點測量限流電阻 RX2阻值；點火控制電纜與插座 X1、火工品連接好后，插座X2的B和C、D點短接，通過C、D和E、F點可以測量出限流電阻RX1所在單橋絲控制通路的回路阻值，反推可得出該單橋絲的阻值（限流電阻RX1、RX2和控制電纜阻值已測知）；插座X2的A和C、D點短接，通過C、D和E、F點可以測量出限流電阻RX2所在單橋絲通路的回路阻值，反推可得出該單橋絲的阻值（限流電阻RX1、RX2和控制電纜阻值已測知）；通過C、D和E、F點可以測量整個雙橋絲控制回路的總阻值。

3.3 電源繼電器控制輸出

為防止火工品控制通路誤動作而導致點火電流誤輸出，對電源輸出采取繼電器控制輸出方式，一般控制電源的正極，如圖4中的繼電器K3和K4，在執行排氫點火動作前幾分鐘才進行供電解鎖，此時電源輸出到控制繼電器KA和KB端，通過這一設計可以有效防止控制回路誤動作，提高了火工品控制的安全性。

4 軟件實現方法

控制系統中點火邏輯控制是通過前端設備中的PLC控制軟件來實現的，控制軟件在可靠性安全性設計上增加了密碼保護和容錯功能，并具有故障診斷功能，可以診斷系統中硬件故障，主要是針對PLC控制模塊故障，系統后端遠控上位機監控軟件對前端的PLC模塊狀態及其控制執行動作進行監測。

火工品控制要求是在400 ms內將火箭4個象限支撐臂上安裝的火工品點燃，考慮直流穩壓電源的容量及火工品分布情況，需要分兩組點燃火工品，即Ⅰ、Ⅱ象限為一組，Ⅲ、Ⅳ象限為一組。在火工品點火前需要在后端上位機軟件界面上進行點火解鎖操作，冗余直流穩壓電源正極接通，在0 s時接收到點火信號后直接點燃Ⅰ、Ⅱ象限組，間隔200 ms后點燃Ⅲ、Ⅳ象限組；若0 s沒有接收到點火信號，則上位機執行遠程強制點火控制觸發火工品。具體控制邏輯如圖5所示。

圖5 系統程序控制流程Fig.5 System Program Control Flow

5 結束語

點火控制系統是否安全、可靠是影響整個點火系統成敗的重要環節，本系統采用的多重可靠性、安全性措施已在多次系統試驗中得到考核驗證，為實現準時點燃發動機排放的氫氣提供了有力技術支撐和可靠安全保障，對后續其他領域控制點燃易燃易爆氣體點火系統設計具有一定的參考價值。