CN102636998A - 一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动抽气控制系统，所述自动抽气控制系统包括操作端(100)和控制端(200)，其中所述操作端(100)包括指令输入单元(110)，状态输出单元(120)，数据管理单元(130)，和第一通信模块(140)；所述控制端(200)包括：信号采集单元(210)：通过传感器采集系统运行信息和设备状态信息；设备控制单元(220)；处理单元(230)；逻辑保护单元(250)和第二通信模块(240)。本发明不但提高抽气系统运行的可靠性和先进性，同时也极大缓解了操作人员数量和经验不足与繁重的试验任务之间的矛盾。

Description

一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统

技术领域

本发明属于航天器真空热试验领域，具体涉及一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统。 

背景技术

航天器在太空中的运行环境与地面环境大为不同，太空是一个真空和冷黑的环境，真空是指负压环境，环境压力在10^-5Pa～10^-7Pa之间，而冷黑是指无光照和低温环境，温度在-100℃～-270℃之间。太空恶劣的环境会导致航天器构件中的产品材料和结构发生变化，如材料蒸发、分解、升华等。为了尽早暴露产品中潜在的材料和制造质量缺陷，消除早期失效，提高产品可靠性，需在地面对航天器或组件进行真空热环境模拟试验，检验产品质量，进行材料筛选，提供给航天器设计参考。空间环境模拟器就是用来在地面上模拟太空真空和冷黑环境的试验设备，而空间环境模拟器抽气系统就是用来实现空间环境模拟器内真空环境的一组设备(包括真空泵、阀门和传感器等)的总称。 

随着我国航天事业的不断发展，航天器型号试验任务空前增多，为此配套研制的空间环境模拟器数量也在不断增加，真空热环境试验任务也日益增多，由此也带来了一些问题，如对试验操作人员熟练度和数量的需求增加，人为操作设备的失误率大幅增加等问题。这就要求空间环境模拟器的测控系统也必须向着高自动化，高可靠性，高智能化的方向发展。在这样的需求下，亟需研制出一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统。 

发明人在实现本发明的过程中发现，现有控制系统至少存在以下缺点：现有的空间环境模拟器抽气控制系统只具有抽气系统设备的单点控制功能，即操作人员只能实现单台设备的独立控制；现有的空间环境模拟器抽气控制系统对操作人员素质要求较高，需具有丰富的试验经验并熟悉工艺流程的人员才能操作，增加了人力资源的管理困难；现有的空间环境模拟器抽气控制系统不具有设备故障诊断功能，在试验过程中无法实现设备故障的快速定位；现有的空间 环境模拟器抽气控制系统不具有设备间连锁保护功能，无法有效地避免或降低人为操作设备的失误。 

发明内容

本发明的目的在于重新发明和设计一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统，旨在填补国内空间环境模拟器抽气系统自动控制功能的空白，同时解决现有航天器真空热试验任务多所导致的操作人员短缺，人为失误所造成的系统故障、故障追溯等问题。本发明为航天器在空间环境模拟器中进行真空热试验提供了技术保障，攻克了航天器在空间环境模拟器中进行试验的关键技术难点。 

本发明目的是通过如下技术方案实现的： 

一套用于空间环境模拟器抽气的自动控制方法及自动控制系统，重新设计控制系统结构，将控制系统分为操作端和控制端两部分，每端由若干个功能单元组成，彼此进行功能调用及数据交互；发明自动控制方法，将抽气过程进行阶段性划分，通过压力阙值，自动实现抽气过程中的阶段转换；设计设备连锁保护功能，通过逻辑保护单元，实现设备自动运行和设备运行保护，提高系统运行的安全性和可靠性。 

本发明涉及一种自动抽气控制系统，所述自动抽气控制系统包括操作端(100)和控制端(200)，其中所述操作端(100)包括： 

指令输入单元(110)：用于空间环境模拟器自动抽气控制系统启动和停止的指令输入； 

状态输出单元(120)：用于自动抽气控制系统运行信息(压力、温度、流量等)和设备状态(启/停、故障、电流等)的图形化、表格化输出； 

数据管理单元(130)：用于自动抽气控制系统运行信息和设备状态的数据计算、分类和存储功能； 

和第一通信模块(140)；用于发送自动抽气控制系统的控制指令至控制端(200)，并接收控制端(200)所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息； 

所述控制端(200)包括： 

信号采集单元(210)：通过传感器(温度传感器、压力传感器、流量传感 器等)采集系统运行信息和设备状态信息； 

设备控制单元(220)：用于将处理单元(230)所生成的控制信息输出给相应的被控设备(真空泵、阀门等)； 

处理单元(230)：根据信号采集单元(210)所采集的信息、指令输入单元(110)所发出的指令和逻辑保护单元(250)的判断结果，生成相应的控制信息发送给设备控制单元(220)，并将过程信息发送给数据管理单元(130)； 

逻辑保护单元(250)：根据设备使用条件和系统实时运行信息，进行逻辑判断，生成设备是否可以运行的判断结果； 

和第二通信模块(240)：用于接收操作端(100)所发送的自动抽气控制系统控制指令，并将控制端(200)所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息，发送至操作端。 

攻克空间环境模拟器抽气系统的关键技术难点，其自动控制系统能实现抽气系统设备的一键式控制、故障诊断、逻辑保护等功能，不但提高抽气系统运行的可靠性和先进性，同时也极大缓解了操作人员数量和经验不足与繁重的试验任务之间的矛盾。目前，该自动抽气控制系统在某大型空间环境模拟器项目中已投入使用，运行稳定，在实现设备运行高度自动化，高可靠性的同时有效缓解了试验人员短缺的问题，并降低了设备对操作人员专业知识水平的依赖，取得了良好的使用效果。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明一套空间环境模拟器自动抽气控制系统实施例的结构框图； 

图2为图1中处理单元230的结构框图； 

具体实施方式

本发明的技术方案是这样实现的： 

参照图1和图2，示出了本发明一种自动抽气控制系统组成结构图。所述自动抽气控制系统包括操作端100和控制端200，其中所述操作端100包括指令输入单元110、状态输出单元120、数据管理单元130和第一通信模块140；所述控制端200包括信号采集单元210、设备控制单元220、处理单元230、逻辑保护单元250和第二通信模块240；所述处理单元230包括第一判断单元231、第一处理单元232、第二判断单元233、第二处理单元234、第三处理单元235、第三判断单元236和第四处理单元237。 

指令输入单元110，用于空间环境模拟器自动抽气控制系统启动和停止的指令输入。 

状态输出单元120，用于自动抽气控制系统运行信息(压力、温度、流量等)和设备状态(启/停、故障、电流等)的图形化、表格化输出； 

数据管理单元130，用于自动抽气控制系统运行信息和设备状态的数据计算、分类和存储等功能； 

处理单元230，根据信号采集单元210所采集的信息、指令输入单元110所发出的指令和逻辑保护单元250的判断结果，生成相应的控制信息发送给设备控制单元220，并将过程信息发送给数据管理单元130； 

信号采集单元210，通过传感器(温度传感器、压力传感器、流量传感器等)采集系统运行信息和设备状态信息； 

设备控制单元220，用于将处理单元230所生成的控制信息输出给相应的被控设备(真空泵、阀门等)； 

逻辑保护单元250，根据设备使用条件和系统实时运行信息，进行逻辑判断，生成设备是否可以运行的判断结果。 

所述的操作端100还包括第一通信模块140，用于发送自动抽气控制系统的控制指令至控制端200，并接收控制端200所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息等； 

所述的控制端200还包括第二通信模块240，用于接收操作端100所发送的自动抽气控制系统控制指令，并将控制端200所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息等，发送至操作端。 

所述的处理单元230包括： 

第一判断单元231，用于判断自动抽气控制系统是否可以进入自动抽气状 态； 

第一处理单元232，用于判断当所述第一判断单元231判断是不能进入自动抽气状态时，通过第一通信模块140向操作端100发出不能进入抽气状态的提示信息； 

第二判断单元233，用于当所述第一判断单元231判断是进入自动抽气状态时，根据空间环境模拟器内压力判断是进入粗真空抽气状态还是进入高真空抽气状态； 

第二处理单元234，用于判断当所述第二判断单元233进入粗真空抽气状态时，收集信号采集单元210采集的粗真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元250进行判断后，通过设备控制单元220向粗真空设备(干泵机组、机械泵、罗茨泵、阀门等)发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端100； 

第三处理单元235，用于判断当所述第二判断单元233进入高真空抽气状态时，收集信号采集单元210采集的高真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元250进行判断后，通过设备控制单元220向高真空设备(分子泵、低温泵、阀门等)发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端100； 

第三判断单元236，用于当所述第二处理单元234进入自动粗真空抽气状态后，根据空间环境模拟器内压力判断是进入高真空抽气状态还是继续粗真空抽气状态； 

第四处理单元237，用于所述第三处理单元235进入高真空抽气状态后，收集信号采集单元210采集的高真空抽气运行信息，和指令输入单元110预设的高真空压力保持时间进行自动计时，时间超过后，通过设备控制单元220向高真空设备(分子泵、低温泵、阀门等)发送顺序关闭指令，并将抽气状态的结束信息发送到操作端100。 

本发明一种自动抽气控制方法的流程，具体步骤如下： 

步骤410抽气指令输入：当准备启动自动抽气控制系统时，使用指令输入单元110输入空间环境模拟器自动抽气控制系统启动指令，指令输入单元110可通过键盘输入或鼠标点击等方式实现。 

指令输入单元110的控制指令传输到数据管理单元130，通过数据管理单元130中的数据库记录控制指令，同时经过第一通信模块140和第二通信模块240发送到处理单元230。 

步骤430初始状态参数正常：处理单元230通过信号采集单元210所采集到的系统运行(压力、温度、流量等)信息和设备状态(启/停、故障、电流等)信息，使用第一判断单元231判断系统信息(压力、温度、流量等)是否满足设备运行条件阈值，判断设备是否处于可控状态，判断传感器测量状态是否正常，判断通讯状态是否正常等。所述的阈值范围可以根据设备的运行参数进行设定。 

步骤420等待用户处理：根据第一判断单元231判断结果，当不满足进入自动抽气状态时，使用第一处理单元232对不满足的条件进行分析，自动生成诊断结果，并经过第二通信模块240和第一通信模块140，发送到操作端100，数据管理单元130将信息进行记录，同时通过状态输出单元120将该信息以声音、文字或图形的方式显示出来，等待用户处理。 

步骤440压力满足粗真空阈值：根据第一判断单元231判断结果，当满足进入自动抽气状态时，使用第二判断单元233对空间环境模拟器内的压力值进行判断，当压力值大于粗真空阈值时，进入第二处理单元234，当压力值小于粗真空阈值时，进入第三处理单元235。所述的粗真空阈值范围可以根据设备控制单元220所控制粗真空设备的性能或其他因素进行设定，如可以设定大于5Pa或其他数值。 

步骤450粗真空抽气流程：进入第二处理单元234后，收集信号采集单元210采集的粗真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元250进行判断后，通过设备控制单元220向粗真空设备(干泵机组、机械泵、罗茨泵、阀门等)发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端100。 

所述的粗真空抽气运行信息，包括系统运行信息和设备状态信息。系统运行信息包括空间环境模拟器内压力、粗抽管道压力、冷却循环水的温度和流量、压缩空气压力等，设备状态信息包括干泵机组、机械泵、罗茨泵的启/停和阀门的开关等。 

所述的逻辑保护单元250判断内容，包括粗真空设备中泵组之间启动的延时保护；粗真空设备中泵组和对应阀门之间的连锁保护；冷却循环水的温度和流量与粗真空设备中泵组之间的连锁保护；压缩空气压力与粗真空设备中阀门之间的连锁保护；粗真空设备中阀门两端的压差(空间环境模拟器内压力与粗抽管道压力之差)保护等。 

所述顺序开启指令可以根据空间环境模拟器的粗真空设备组成，自由设定。 

所述的过程信息包括粗真空自动抽气执行步骤、泵组运行时间等。 

步骤460压力满足高真空阈值：使用第三判断单元236对空间环境模拟器内的压力值进行判断，当压力值大于高真空阈值时，继续第二处理单元234，当压力值小于高真空阈值时，进入第三处理单元235。所述的高真空阈值范围可以根据设备控制单元220所控制高真空设备的性能或其他因素进行设定，如可以设定小于5Pa或其他数值。 

步骤470高真空抽气流程：进入第三处理单元235后，收集信号采集单元210采集的高真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元250进行判断后，通过设备控制单元220向高真空设备(分子泵、低温泵、阀门等)发送顺序开启指令，同时向粗真空设备(干泵机组、机械泵、罗茨泵、阀门等)发送顺序停止指令，并将过程信息发送到操作端100。 

所述的高真空抽气运行信息，包括系统运行信息和设备状态信息。系统运行信息包括空间环境模拟器内压力、高真空管道压力、冷却循环水的温度和流量、压缩空气压力等，设备状态信息包括分子泵、低温泵的启/停和阀门的开关等。 

所述的逻辑保护单元250判断内容，包括高真空设备中泵组和对应阀门之间的连锁保护；冷却循环水的温度和流量与高真空设备中泵组之间的连锁保护；压缩空气压力与高真空设备中阀门之间的连锁保护；高真空设备中阀门两端的压差(空间环境模拟器内压力与高真空管道压力之差)保护等。 

所述顺序开启指令可以根据空间环境模拟器的高真空设备组成，自由设定。 

所述的过程信息包括高真空自动抽气执行步骤、泵组运行时间等。 

步骤480等待用户停止t：进入第四处理单元237后，当信号采集单元210采集的空间环境模拟器内压力到达预设值时，开始对预设的高真空压力保持时间进行自动计时，时间超过后，通过设备控制单元220向高真空设备(分子泵、低温泵、阀门等)发送顺序停止指令，并将过程信息发送到操作端100。 

Claims (24)

1.一种自动抽气控制系统，所述自动抽气控制系统包括操作端(100)和控制端(200)，其中所述操作端(100)包括：

指令输入单元(110)：用于空间环境模拟器自动抽气控制系统启动和停止的指令输入；

状态输出单元(120)：用于自动抽气控制系统运行信息和设备状态的图形化、表格化输出；

数据管理单元(130)：用于自动抽气控制系统运行信息和设备状态的数据计算、分类和存储功能；

和第一通信模块(140)；用于发送自动抽气控制系统的控制指令至控制端(200)，并接收控制端(200)所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息；

所述控制端(200)包括：

信号采集单元(210)：通过传感器采集系统运行信息和设备状态信息；

设备控制单元(220)：用于将处理单元(230)所生成的控制信息输出给相应的被控设备；

处理单元(230)：根据信号采集单元(210)所采集的信息、指令输入单元(110)所发出的指令和逻辑保护单元(250)的判断结果，生成相应的控制信息发送给设备控制单元(220)，并将过程信息发送给数据管理单元(130)；

逻辑保护单元(250)：根据设备使用条件和系统实时运行信息，进行逻辑判断，生成设备是否可以运行的判断结果；

和第二通信模块(240)：用于接收操作端(100)所发送的自动抽气控制系统控制指令，并将控制端(200)所采集系统运行信息、设备状态信息和过程信息，发送至操作端。

2.如权利要求1所述的自动抽气控制系统，其中所述的处理单元(230)包括：

第一判断单元(231)，用于判断自动抽气控制系统是否可以进入自动抽气状态；

第一处理单元(232)，用于判断当所述第一判断单元(231)判断是不能进入自动抽气状态时，通过第一通信模块(140)向操作端(100)发出不能进入抽气状态的提示信息；

第二判断单元(233)，用于当所述第一判断单元(231)判断是进入自动抽气状态时，根据空间环境模拟器内压力判断是进入粗真空抽气状态还是进入高真空抽气状态；

第二处理单元(234)，用于判断当所述第二判断单元(233)进入粗真空抽气状态时，收集信号采集单元(210)采集的粗真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元(250)进行判断后，通过设备控制单元(220)向粗真空设备发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端(100)；

第三处理单元(235)，用于判断当所述第二判断单元(233)进入高真空抽气状态时，收集信号采集单元(210)采集的高真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元(250)进行判断后，通过设备控制单元(220)向高真空设备发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端(100)；

第三判断单元(236)，用于当所述第二处理单元(234)进入自动粗真空抽气状态后，根据空间环境模拟器内压力判断是进入高真空抽气状态还是继续粗真空抽气状态；

第四处理单元(237)，用于所述第三处理单元(235)进入高真空抽气状态后，收集信号采集单元(210)采集的高真空抽气运行信息，和指令输入单元(110)预设的高真空压力保持时间进行自动计时，时间超过后，通过设备控制单元(220)向高真空设备发送顺序关闭指令，并将抽气状态的结束信息发送到操作端(100)。

3.如权利要求1所述的自动抽气控制系统，其中所述系统运行信息包括压力、温度、流量。

4.如权利要求1所述的自动抽气控制系统，其中所述设备状态包括启/停、故障、电流。

5.如权利要求1所述的自动抽气控制系统，其中所述传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器。

6.如权利要求1所述的自动抽气控制系统，其中所述被控设备包括真空泵、阀门。

7.如权利要求2所述的自动抽气控制系统，所述粗真空设备包括干泵机组、机械泵、罗茨泵、阀门。

8.如权利要求2所述的自动抽气控制系统，所述高真空设备包括分子泵、低温泵、阀门。

9.一种自动抽气控制方法，包括如下步骤：

步骤410抽气指令输入：当准备启动自动抽气控制系统时，使用指令输入单元(110)输入空间环境模拟器自动抽气控制系统启动指令，指令输入单元(110)可通过键盘输入或鼠标点击方式实现；

步骤420等待用户处理：根据第一判断单元(231)判断结果，当不满足进入自动抽气状态时，使用第一处理单元(232)对不满足的条件进行分析，自动生成诊断结果，并经过第二通信模块(240)和第一通信模块(140)，发送到操作端(100)，数据管理单元(130)将信息进行记录，同时通过状态输出单元(120)将该信息以声音、文字或图形的方式显示出来，等待用户处理；

步骤430初始状态参数正常：处理单元(230)通过信号采集单元(210)所采集到的系统运行信息和设备状态信息，使用第一判断单元(231)判断系统运行信息是否满足设备运行条件阈值，判断设备是否处于可控状态，判断传感器测量状态是否正常，判断通讯状态是否正常，所述的阈值范围可以根据设备的运行参数进行设定；

步骤440压力满足粗真空阈值：根据第一判断单元(231)判断结果，当满足进入自动抽气状态时，使用第二判断单元(233)对空间环境模拟器内的压力值进行判断，当压力值大于粗真空阈值时，进入第二处理单元(234)，当压力值小于粗真空阈值时，进入第三处理单元(235)；

步骤450粗真空抽气流程：进入第二处理单元(234)后，收集信号采集单元(210)采集的粗真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元(250)进行判断后，通过设备控制单元(220)向粗真空设备发送顺序开启指令，并将过程信息发送到操作端(100)；

步骤460压力满足高真空阈值：使用第三判断单元(236)对空间环境模拟器内的压力值进行判断，当压力值大于高真空阈值时，继续第二处理单元(234)，当压力值小于高真空阈值时，进入第三处理单元(235)。

步骤470高真空抽气流程：进入第三处理单元(235)后，收集信号采集单元(210)采集的高真空抽气运行信息，调用逻辑保护单元(250)进行判断后，通过设备控制单元(220)向高真空设备发送顺序开启指令，同时向粗真空设备发送顺序停止指令，并将过程信息发送到操作端(100)。

步骤480等待用户停止：进入第四处理单元(237)后，当信号采集单元(210)采集的空间环境模拟器内压力到达预设值时，开始对预设的高真空压力保持时间进行自动计时，时间超过后，通过设备控制单元(220)向高真空设备发送顺序停止指令，并将过程信息发送到操作端(100)。

10.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，其中所述系统运行信息包括压力、温度、流量。

11.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，其中所述设备状态信息包括启/停、故障、电流。

12.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述粗真空设备包括干泵机组、机械泵、罗茨泵、阀门。

13.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述高真空设备包括分子泵、低温泵、阀门。

14.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，其中指令输入单元(110)的控制指令传输到数据管理单元(130)，通过数据管理单元(130)中的数据库记录控制指令，同时经过第一通信模块(140)和第二通信模块(240)发送到处理单元(230)。

15.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的粗真空阈值范围可以根据设备控制单元(220)所控制粗真空设备的性能进行设定，可以设定大于5Pa。

16.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的粗真空抽气运行信息，包括系统运行信息和设备状态信息，系统运行信息包括空间环境模拟器内压力、粗抽管道压力、冷却循环水的温度和流量、压缩空气压力，设备状态信息包括干泵机组、机械泵、罗茨泵的启/停和阀门的开关。

17.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的逻辑保护单元(250)判断内容，包括粗真空设备中泵组之间启动的延时保护；粗真空设备中泵组和对应阀门之间的连锁保护；冷却循环水的温度和流量与粗真空设备中泵组之间的连锁保护；压缩空气压力与粗真空设备中阀门之间的连锁保护；粗真空设备中阀门两端的压差，即空间环境模拟器内压力与粗抽管道压力之差，保护。

18.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述顺序开启指令可以根据空间环境模拟器的粗真空设备组成，自由设定。

19.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的过程信息包括粗真空自动抽气执行步骤、泵组运行时间。

20.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的高真空阈值范围可以根据设备控制单元(220)所控制高真空设备的性能进行设定，可以设定小于5Pa。

21.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的高真空抽气运行信息，包括系统运行信息和设备状态信息，系统运行信息包括空间环境模拟器内压力、高真空管道压力、冷却循环水的温度和流量、压缩空气压力；设备状态信息包括分子泵、低温泵的启/停和阀门的开关。

22.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的逻辑保护单元(250)判断内容，包括高真空设备中泵组和对应阀门之间的连锁保护；冷却循环水的温度和流量与高真空设备中泵组之间的连锁保护；压缩空气压力与高真空设备中阀门之间的连锁保护；高真空设备中阀门两端的压差，即空间环境模拟器内压力与高真空管道压力之差，保护。

23.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述顺序开启指令可以根据空间环境模拟器的高真空设备组成，自由设定。

24.如权利要求9所述的自动抽气控制方法，所述的过程信息包括高真空自动抽气执行步骤、泵组运行时间。

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