CN104298163A - 一种低温内压自动加载控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空航天结构强度技术领域，具体涉及一种低温内压自动加载控制系统。主控计算机C1通过控制通信电缆L7与PLC连接，PLC通过控制通信电缆L1依次与电磁阀D2、手动阀门F3、增压储罐C3连接；传感器激励供电箱与PLC连接；流量传感器S2的一端连接在电磁阀D2与手动阀门F3之间，另一端通过控制通信电缆L3与传感器激励供电箱连接；增压储罐C3通过连接管路J4与高压氮气瓶P连接，连接管路J4上依次设置有电磁阀D1、手动阀门F1；PLC通过控制通信电缆L2与电磁阀D1连接；流量传感器S1的一端连接在增压储罐C3与电磁阀D1之间，另一端通过控制通信电缆L4与传感器激励供电箱连接。本发明可以实现在低温-196℃下的低温液氮管路的增压、泄压过程。

Description

一种低温内压自动加载控制系统

技术领域

本发明属于航空航天结构强度技术领域，具体涉及一种低温内压自动加载控制系统。

背景技术

运载火箭燃料贮箱采用了大量的液氢、液氧燃料。因此贮箱以及管路在低温高压下的强度、以及所能承受的压力对于火箭的安全性及发射至关重要，在发射之前需要通过管路对贮箱进行加注和增压。因此贮箱低温管路的强度及耐压能力需要通过低温静力增压试验进行验证。

当前，低温静力试验对于管路气体增压过程普遍采用手动控制。通过手动控制阀门的开度，来控制气体流量以及压力的大小，压力数据一般通过压力刻度表读取。这种加压过程操作简单，可以实现管路的增压。但是这种方法存在缺点：(1)增压过程的流量速度通过人工开启、闭合阀门来进行控制，会产生不可避免的人为读数误差，易造成少调阀门、过调阀门造成的控制误差，也即控制精度比较低；(2)危险系数比较高。一般情况下，需要增压的管路内部有两部分组成，-196℃的液氮以及管路顶部的气枕。通过高压气瓶对装有低温液体的试验件加压，增压过程中管路高压力载荷作用下可能发生爆破。若使用手动加载设备，当管路发生爆破后，低温液体的飞溅对加载人员的安全产生了很大的隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温内压自动加载控制系统，以克服现有技术存在的上述不足。

本发明所采取的技术方案为：

一种低温内压自动加载控制系统，包括主控计算机C1、PLC、液氮罐C2、增压储罐C3、高压氮气瓶P、连接管路J1～J4、控制通信电缆L1～L7、流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4、传感器激励供电箱、手动阀门F1～F4、电磁阀D1～D2；主控计算机C1通过控制通信电缆L7与PLC连接，PLC通过控制通信电缆L1依次与电磁阀D2、手动阀门F3、增压储罐C3连接；传感器激励供电箱与PLC连接；流量传感器S2的一端连接在电磁阀D2与手动阀门F3之间，另一端通过控制通信电缆L3与传感器激励供电箱连接；增压储罐C3通过连接管路J4与高压氮气瓶P连接，连接管路J4上依次设置有电磁阀D1、手动阀门F1；PLC通过控制通信电缆L2与电磁阀D1连接；流量传感器S1的一端连接在增压储罐C3与电磁阀D1之间，另一端通过控制通信电缆L4与传感器激励供电箱连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L6依次与压力传感器S4、高压氮气瓶P连接；增压储罐C3通过连接管路J3、J2汇合一起后与手动阀门F4的一端连接，手动阀F4的另一端通过连接管路J1依次与手动阀门F2、液氮罐C2连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L5依次与压力传感器S3、连接管路J3连接。

所述系统的工作过程如下：

首先进行系统调试：人工将需要加载的压力载荷值分为由低到高的若干等级，并将其制作成为载荷表输入到主控计算机C1；主控计算机C1根据从PLC传输的流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4的信号，低温电磁阀D1～D2是否处于关闭状态，判断增压系统以及管路的状态是否正常：若异常，通过计算机提示操作人员检查排除故障，并根据PLC中的报警及故障处理程序完成阀门的开启、关闭逻辑；若系统正常，则试验系统调试完毕，可以开始试验；

若系统调试正常，关闭手动阀门F4，打开手动阀门F1、F3；PLC将目标压力信号与反馈的管路压力信号计算出偏差，在PLC的输出端形成与电磁阀D1～D2开度成正比的电流信号，对电磁阀D1～D2进行控制；通过预先写入PLC的程序，反复调节PID的采集时间、积分时间、微分时间和增益值实现PID的自动调节，实现压力测量和控制的精度，避免在调节过程中实际压力超限出现过冲现象；通过PID调节，PLC将偏差信号转换为与电磁阀开度成正比的电流信号，通过PLC的模拟输出端输出给电磁阀D1～D2，控制电磁阀D1～D2的开启、关闭以及阀度的大小，进而控制管路的压力；如下表所示：

若加载过程中系统出现异常，PLC根据预先设计的报警程序对操作人员提出警示；系统的人机交互工作通过主控计算机C1及软件完成；软件可以实现对管路、高压氮气瓶P、阀门的压力和流量的实时监控，并以图形或者数值方式将监测的内容在主控计算机C1上显示；软件可以将管路的目标值传送至PLC，若PLC监测的压力、流量出现异常，软件可以用警示图形对操作人员进行提示。

所述偏差信号δ的计算公式见公式1；当|δ|＜1时，PLC不对电磁阀进行调整，1≤|δ|≤5时，PLC根据偏差信号控制电磁阀的调节，当|δ|＞5时，PLC产生报警信号，提示操作人员进行处理；当主控计算机发出压力指令后，控制系统PLC根据流量控制低温电磁阀D1开度的大小，设定加载时间Ts，控制系统自动的计算出理论加载曲线，打开电磁阀；当实际加载曲线到达A点时，|δ|＞1，实际压力大于目标压力，此时PLC将电磁阀开度调小，继续加载，当实际压力到达B点后，实际压力小于目标压力，PLC控制电磁阀开度开度变大；这样，PLC控制电磁阀开度放大、变小交替变化，最终在Ts后到达目标压力，此时PLC控制电磁阀关闭，加载到目标压力；泄压过程和加压过程相同；如下表所示：

$\mathrm{\δ}=\frac{P0-S3}{\mathrm{FS}}*100\%---\left(1\right)$

P0：目标压力；S3：管路中压力表数值；FS：压力传感器满量程

偏差信号δ	电磁阀门D1开度	电磁阀门D2开度
			δ＞5	关闭	打开
5≥δ＞1	↓	关闭
			1≥δ≥-1	保持不变	关闭
-1＞δ≥-5	↑	关闭
			-5＞δ	↑	关闭

所述软件可以是PLC提供的组态软件，也可以由开发者自己根据PLC与计算机的通讯协议，通过常用的编程软件自行开发。

本发明所取得的有益效果为：

本发明所述低温内压自动加载控制系统可以实现在低温-196℃下的低温液氮管路的增压、泄压过程。主控计算机与PLC通讯，主控计算机可以实现对管路、高压气瓶、阀门的压力和流量的实时监控，可以将管路的目标值传送至PLC，若PLC监测的压力、流量出现异常，可以用警示图形对操作人员进行提示；PLC负责输入信号的采集，目标与反馈信号偏差的计算，控制管路中低温电磁阀的开启和闭合，以及阀门开度的大小，改变管路中气体的流量，最终实现增压的低速、中速、快速自动快速控制；同时可以直观的在主控计算机中显示管路中的压力、流量及加载状态，控制精度要高于手动控制，安全系数高。

附图说明

图1为本发明所述低温内压自动加载控制系统结构示意图；

图2为本发明所述低温内压自动加载控制系统控制策略示意图；

图3为本发明所述低温内压自动加载控制系统工作流程图；

图4为本发明所述低温内压自动加载控制系统压力调整示意图

图中：C1、主控计算机；C2、液氮罐；C3、增压储罐；P、高压氮气瓶；J1～J4、连接管路；L1～L7、控制通信电缆；S1～S2、流量传感器；S3～S4、压力传感器；F1～F4、手动阀门、D1～D2、电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

如图1所示，本发明所述低温内压自动加载控制系统包括主控计算机C1、PLC、液氮罐C2、增压储罐C3、高压氮气瓶P、连接管路J1～J4、控制通信电缆L1～L7、流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4、传感器激励供电箱、手动阀门F1～F4、电磁阀D1～D2；主控计算机C1通过控制通信电缆L7与PLC连接，PLC通过控制通信电缆L1依次与电磁阀D2、手动阀门F3、增压储罐C3连接；传感器激励供电箱与PLC连接；流量传感器S2的一端连接在电磁阀D2与手动阀门F3之间，另一端通过控制通信电缆L3与传感器激励供电箱连接；增压储罐C3通过连接管路J4与高压氮气瓶P连接，连接管路J4上依次设置有电磁阀D1、手动阀门F1；PLC通过控制通信电缆L2与电磁阀D1连接；流量传感器S1的一端连接在增压储罐C3与电磁阀D1之间，另一端通过控制通信电缆L4与传感器激励供电箱连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L6依次与压力传感器S4、高压氮气瓶P连接；增压储罐C3通过连接管路J3、J2汇合一起后与手动阀门F4的一端连接，手动阀F4的另一端通过连接管路J1依次与手动阀门F2、液氮罐C2连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L5依次与压力传感器S3、连接管路J3连接。

如图2、图3所示，本发明所述低温内压自动加载控制系统的工作过程如下：

首先进行系统调试。人工将需要加载的压力载荷值分为由低到高的若干等级，并将其制作成为载荷表输入到主控计算机C1。主控计算机C1根据从PLC传输的流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4的信号，低温电磁阀D1～D2是否处于关闭状态，判断增压系统以及管路的状态是否正常，若异常，通过计算机提示操作人员检查排除故障，并根据PLC中的报警及故障处理程序完成阀门的开启、关闭逻辑；若系统正常，则试验系统调试完毕，可以开始试验。

若系统调试正常，手动关闭手动阀门F4，打开手动阀门F1、F3。PLC将目标压力信号与反馈的管路压力信号计算出偏差，在PLC的输出端形成与电磁阀D1～D2开度成正比的电流信号，对电磁阀D1～D2进行控制。通过预先写入PLC的程序，反复调节PID的采集时间、积分时间、微分时间和增益值实现PID的自动调节，可以实现压力测量和控制的精度，避免在调节过程中实际压力超限出现过冲等现象。通过PID调节，PLC将偏差信号转换为与电磁阀开度成正比的电流信号，通过PLC的模拟输出端输出给电磁阀D1～D2，控制电磁阀D1～D2的开启、关闭以及阀度的大小，进而控制管路的压力。

偏差信号δ的计算公式见公式1。当|δ|＜1时，PLC不对电磁阀进行调整，1≤|δ|≤5时，PLC根据偏差信号控制电磁阀的调节，当|δ|＞5时，PLC产生报警信号，提示操作人员进行处理。图4是控制系统压力调整示意图。图中有两条曲线，当主控计算机发出压力指令后，控制系统PLC根据流量控制低温电磁阀D1开度的大小，设定加载时间Ts。控制系统自动的计算出理论加载曲线，打开电磁阀。当实际加载曲线到达A点时，|δ|＞1，实际压力大于目标压力，此时PLC将电磁阀开度调小，继续加载，当实际压力到达B点后，实际压力小于目标压力，PLC控制电磁阀开度开度变大。这样，PLC控制电磁阀开度放大、变小交替变化，最终在Ts后到达目标压力，此时PLC控制电磁阀关闭，加载到目标压力。泄压过程和加压过程相同。

$\mathrm{\δ}=\frac{P0-S3}{\mathrm{FS}}*100\%---\left(1\right)$

P0：目标压力；S3：管路中压力表数值；FS：压力传感器满量程。

偏差信号δ	电磁阀门D1开度	电磁阀门D2开度
			δ＞5	关闭	打开
5≥δ＞1	↓	关闭
			1≥δ≥-1	保持不变	关闭
-1＞δ≥-5	↑	关闭
			-5＞δ	↑	关闭

若加载过程中系统出现异常，PLC根据预先设计的报警程序对操作人员提出警示。系统的人机交互工作通过主控计算机及软件完成。系统软件可以是PLC提供的组态软件，也可以由开发者自己根据PLC与计算机的通讯协议，通过常用的编程软件自行开发。软件可以实现对管路、高压气瓶、阀门的压力和流量的实时监控，并以图形或者数值方式将监测的内容在主控计算机上显示。软件可以将管路的目标值传送至PLC，若PLC监测的压力、流量出现异常，软件可以用警示图形对操作人员进行提示。这样，通过上述对硬件、控制系统、软件三部分的设计，可以实现对低温-196℃低温液氮管路压力的自动加载。

Claims (4)

1.一种低温内压自动加载控制系统，其特征在于：该系统包括主控计算机C1、PLC、液氮罐C2、增压储罐C3、高压氮气瓶P、连接管路J1～J4、控制通信电缆L1～L7、流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4、传感器激励供电箱、手动阀门F1～F4、电磁阀D1～D2；主控计算机C1通过控制通信电缆L7与PLC连接，PLC通过控制通信电缆L1依次与电磁阀D2、手动阀门F3、增压储罐C3连接；传感器激励供电箱与PLC连接；流量传感器S2的一端连接在电磁阀D2与手动阀门F3之间，另一端通过控制通信电缆L3与传感器激励供电箱连接；增压储罐C3通过连接管路J4与高压氮气瓶P连接，连接管路J4上依次设置有电磁阀D1、手动阀门F1；PLC通过控制通信电缆L2与电磁阀D1连接；流量传感器S1的一端连接在增压储罐C3与电磁阀D1之间，另一端通过控制通信电缆L4与传感器激励供电箱连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L6依次与压力传感器S4、高压氮气瓶P连接；增压储罐C3通过连接管路J3、J2汇合一起后与手动阀门F4的一端连接，手动阀F4的另一端通过连接管路J1依次与手动阀门F2、液氮罐C2连接；传感器激励供电箱通过控制通信电缆L5依次与压力传感器S3、连接管路J3连接。

2.根据权利要求1所述的低温内压自动加载控制系统，其特征在于：所述系统的工作过程如下：

首先进行系统调试：人工将需要加载的压力载荷值分为由低到高的若干等级，并将其制作成为载荷表输入到主控计算机C1；主控计算机C1根据从PLC传输的流量传感器S1～S2、压力传感器S3～S4的信号，低温电磁阀D1～D2是否处于关闭状态，判断增压系统以及管路的状态是否正常：若异常，通过计算机提示操作人员检查排除故障，并根据PLC中的报警及故障处理程序完成阀门的开启、关闭逻辑；若系统正常，则试验系统调试完毕，可以开始试验；

若系统调试正常，关闭手动阀门F4，打开手动阀门F1、F3；PLC将目标压力信号与反馈的管路压力信号计算出偏差，在PLC的输出端形成与电磁阀D1～D2开度成正比的电流信号，对电磁阀D1～D2进行控制；通过预先写入PLC的程序，反复调节PID的采集时间、积分时间、微分时间和增益值实现PID的自动调节，实现压力测量和控制的精度，避免在调节过程中实际压力超限出现过冲现象；通过PID调节，PLC将偏差信号转换为与电磁阀开度成正比的电流信号，通过PLC的模拟输出端输出给电磁阀D1～D2，控制电磁阀D1～D2的开启、关闭以及阀度的大小，进而控制管路的压力；如下表所示：

若加载过程中系统出现异常，PLC根据预先设计的报警程序对操作人员提出警示；系统的人机交互工作通过主控计算机C1及软件完成；软件可以实现对管路、高压氮气瓶P、阀门的压力和流量的实时监控，并以图形或者数值方式将监测的内容在主控计算机C1上显示；软件可以将管路的目标值传送至PLC，若PLC监测的压力、流量出现异常，软件可以用警示图形对操作人员进行提示。

3.根据权利要求2所述的低温内压自动加载控制系统，其特征在于：所述偏差信号δ的计算公式见公式1；当|δ|＜1时，PLC不对电磁阀进行调整，1≤|δ|≤5时，PLC根据偏差信号控制电磁阀的调节，当|δ|＞5时，PLC产生报警信号，提示操作人员进行处理；当主控计算机发出压力指令后，控制系统PLC根据流量控制低温电磁阀D1开度的大小，设定加载时间Ts，控制系统自动的计算出理论加载曲线，打开电磁阀；当实际加载曲线到达A点时，|δ|＞1，实际压力大于目标压力，此时PLC将电磁阀开度调小，继续加载，当实际压力到达B点后，实际压力小于目标压力，PLC控制电磁阀开度开度变大；这样，PLC控制电磁阀开度放大、变小交替变化，最终在Ts后到达目标压力，此时PLC控制电磁阀关闭，加载到目标压力；泄压过程和加压过程相同；如下表所示：

$\mathrm{\δ}=\frac{P0-S3}{\mathrm{FS}}*100\%---\left(1\right)$

P0：目标压力；S3：管路中压力表数值；FS：压力传感器满量程

偏差信号δ 电磁阀门D1开度 电磁阀门D2开度 δ＞5 关闭 打开 5≥δ＞1 ↓ 关闭 1≥δ≥-1 保持不变 关闭 -1＞δ≥-5 ↑ 关闭 -5＞δ ↑ 关闭

4.根据权利要求2所述的低温内压自动加载控制系统，其特征在于：所述软件可以是PLC提供的组态软件，也可以由开发者自己根据PLC与计算机的通讯协议，通过常用的编程软件自行开发。