CN105204422B - 发动机抽真空冗余自动化测控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种发动机抽真空冗余自动化测控系统，包括相互交换的分别设在前端设备间和后端动力方舱的光端机，前端设备间内光端机分别与触摸屏、第一测控装置、第二测控装置通信，第一测控装置和第二测控装置连接信号转接器；后端动力方舱内光端机与第一测控上位机和第二测控上位机通信。本发明发动机抽真空冗余自动化测控系统及方法，采用双下位机、多上位机测控一体方案，由远端控制，可靠性高；同时测控一体方案与传统测量与控制分开方法相比，效率提高。

Description

发动机抽真空冗余自动化测控系统及方法

技术领域

本发明涉及火箭用液氧煤油发动机领域，尤其涉及一种发动机抽真空冗余自动化测控方法。

背景技术

我国新型火箭采用液氧煤油发动机，该火箭发射前需进行燃料腔抽真空和充填。根据火箭发射要求，发动机抽真空时间为火箭发射前人员撤离后，由操作员在后端动力方舱内进行控制。为保证火箭顺利发射，抽真空系统必须按节点正确工作，在规定时间内将发动机燃料腔压力抽至额定值以下同时保持该压力不少于1000s。

目前，我国现有发动机抽真空测控方法为：手动按钮控制真空泵、手动阀门控制引射器两种方式进行抽真空试验。采用单一设备抽真空效果及稳定性差，当采用冗余工艺设备时，手动测控容易受到人为干扰。现有抽真空测控方法都是依靠敷设电缆靠手动按钮进行抽真空试验，自动化程度低，误操作率高，灵活性差，可靠性低。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种发动机抽真空冗余自动化测控系统及方法，采用双下位机、多上位机测控一体方案，由远端控制，可靠性高；同时测控一体方案与传统测量与控制分开方法相比，效率提高。

本发明的技术解决方案是：发动机抽真空冗余自动化测控系统，包括相互交换的分别设在前端设备间和后端动力方舱的光端机，前端设备间内光端机分别与触摸屏、第一测控装置、第二测控装置通信，第一测控装置和第二测控装置连接信号转接器；后端动力方舱内光端机与第一测控上位机和第二测控上位机通信。

上述信号转接器分别连接压力传感器、真空传感器、电磁阀以及接近开关。

上述光端机之间通过光纤连接；前端设备间内光端机与触摸屏、第一测控装置、第二测控装置之间通过工业网线连接；后端动力方舱内光端机与第一测控上位机和第二测控上位机通过工业网线连接；第一测控装置和第二测控装置与信号转接器通过活动电缆连接。

发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)远端方舱发送程序启动指令，下位机执行预先编译下载好的抽真空程序，开启真空泵；下位机控制器以扫描的方式依次读入所有输入状态和数据，其中控制器中的模拟量采集模块分辨率为15位，将所有数据存放到I/O映象区中的响应单元内；

2)系统加入反馈设计，真空泵开始工作60秒后，进入传感器值反馈判读程序；

3)传感器测量值实时与设定值进行比较，当4个传感器有3个小于等于设定值后，判读条件成立，程序自动向下进行；

4)打开引射器，向变频器发指令关闭真空泵；

5)在1000s后程序自动关闭引射器，结束抽真空。

上述步骤2)反馈判读程序具体过程是：四个传感器将4-20mA电流信号传至PLC的模拟量输入模块，该模块通过AD转换后将数据传至PLC的控制器，控制器通过传感器的校准系数将信号转换成对应压力值。四个压力值实时与设定值进行比较，当传感器值大于设定值时，真空泵继续工作，当4个传感器有3个小于等于设定值后，程序关闭真空泵打开引射器。

上述步骤1)中所有输入状态是：抽真空系统的阀门指令信号、阀门回测信号；阀门指令信号与阀门回测信号是开关量信号(数字量信号)，即打开是1，关闭是0。

上述步骤1)抽真空程序具体是：

1.1)软件初始化并进行试验前系统检查；

1.2)进入程序流程图界面；

1.3)控制第一下位机，选择程序控制；

1.4)开始采集并启动程序，60秒后进行传感器判断；

1.5)程序启动引射器，关闭真空泵；

1.6)待1000s后关闭引射器，抽真空结束。

上述步骤1.3)若当控制第一下位机故障时，则进行步骤1.7)切换到第二下位机，选择程序控制；

1.8)开始采集并启动程序，60秒后进行传感器判断；

1.9)程序启动引射器，关闭真空泵；

1.10)待1000s后关闭引射器，抽真空结束。

本发明的有益效果是：通过程序控制变频器、缓慢启动或关闭泵，有效减少大功率设备启停带来的电磁干扰；根据引射器工作原理，开启与关闭时阀门顺序的不同，采用程序保护设计，可以减少传统操作方法人为带来的误操作问题；当抽真空系统遇到紧急情况，需要关闭所有设备时，单击“紧急关闭按钮”可以按顺序快速关闭所有工艺设备，该方法比传统方法减少真空状态下，误动作带来的设备损坏。

系统建成后，通过了多次调试并参加了多次发动机抽真空和煤油充填试验，获得较全面、准确的数据，与传统抽真空方法有以下优点：1)首次将冗余下位机测控应用到发动机抽真空试验中可靠性高；2)采用自动反馈设计有效解放人力，提高了工作效率与试验的准确性；3)采用多站点设计，可以实现近、远距离控制；4)安全性设计增强了工艺设备的安全运转，保障生命及财产安全。

附图说明

图1是本发明抽真空测控系统原理图；

图2是本发明的抽真空控制流程图；

图3是本发明抽真空系统自动控制时序图；

图4是本发明反馈流程图；

图5是本发明的紧急关闭时序图；

图6是本发明的网络通讯系统图；

图7是本发明自动程序流程示意图。

具体实施方式

本发明提出一种发动机抽真空冗余自动化测控系统：

1.1】硬件系统

测控硬件系统主要由测控上位机、光端机、测控装置(下位机)、信号转接器、传感器及通讯光缆等组成。

a)测控装置采用采用两台小型宽温系列PLC(MicroLogix1400)控制器1766-L32BWAA及其扩展模块，主要负责测控数据采集、通道控制、超高速定时计数与数据运算等功能。

b)上位机及触摸屏集中控制站采用工业控制计算机、笔记本及10寸触摸屏，通过Ethernet标准局域网通信协议，实现控制电磁阀、监测网络交换机端口运行状态、实时数据采集与存盘及工艺流程显示等功能。

c)光端机采用冗余工业以太网通信方式，具有双路单模光口，通过单模光纤及网线连接完成上位机、触摸屏与下位机的数据交换。

d)信号转接箱主要完成抽真空系统电磁阀控制电缆、阀位检测电缆及传感器电缆信号输入与输出、前端测控柜所有直流电源运行指示等功能。

1.2】软件系统

软件系统由测控软件与数据处理软件组成。下位机控制器采用RSLogix 500开发环境，上位机及触摸屏基于FactoryTalk View Studio组态设计环境开发，其中上位机按钮通过组态虚拟按钮编写，一键功能按钮通过内嵌VBA开发，网络通讯基于RSLinx环境运行，数据处理软件通过VB.net语言编写。

2】抽真空系统工作流程

火箭地面抽真空系统采用真空泵预抽真空、真空引射装置接力工作模式。在发射前，首先通过后端动力方舱内上位机启动真空泵，将发动机燃料腔抽空至额定值后，启动真空引射装置对台体管路及发动机燃料腔继续引射，关闭真空泵，维持低于额定真空度1000s后，关闭引射器。

3】具体技术说明

图2为抽真空系统软件控制流程图，其中黑色实线为自动判断程序。

3.1双下位机冗余测控

系统采用双下位机热备冗余工作，传感器信号同时采集、同时发送，控制信号由一台控制器发送，当控制器发生故障时，上位机显示通讯故障，手动切换到另一台下位机继续工作。

将冗余控制应用到火箭发动机抽真空系统属于国内首次，可靠性高。同时测控一体方案与传统测量与控制分开方法相比，效率提高。

3.2自动反馈测控设计

抽真空工艺系统由配气台、引射器组、真空泵、煤油收集容器等组成，首次将程序控制应用到发动机抽真空试验中，采用真空泵预抽、真空引射装置接力工作模式，改变传统使用单一设备可靠性低、不能长时间工作的问题。

利用PLC技术，实现抽真空过程自动化，一键启动，自动采集、自动判读。系统由硬件电路按时序完成所有电磁阀、真空泵等的打闭动作，抽真空系统自动控制时序见图4。

系统加入反馈设计，真空泵开始工作60秒后，进入传感器值反馈判读程序，传感器测量值实时与设定值进行比较，当4个传感器有3个小于等于设定值后，判读条件成立，程序自动向下进行，打开引射器，向变频器发指令关闭真空泵。下位机控制器以扫描的的方式依次读入所有输入状态和数据，其中传感器采集模块分辨率为15位，将所有数据存放到I/O映象区中的响应单元内，然后执行预先编译下载好的抽真空程序，传感器值与设定值进行对比，当判读成立后，最后会根据输出状态进行后续动作。

采用自动反馈控制将各单一设备程序化，避免人为误操作；程序修改灵活，可以应用各种型号发动机抽真空试验；自动反馈控制是首次应用到发动机抽真空系统当中，提高了试验的自动化程度避免人为判读不及时，不准确的问题。

3.3分布式测控技术

系统利用分布式技术，采用双下位机和多上位机测控一体方案，实现两台下位机冗余控制、同时采集，多台上位机均可进行系统状态监测、手动/程序控制、反馈流程监控，解决了前、后端均可单独测控，单台控制器故障的问题，提高了控制的灵活性、系统的可靠性。

上位机集中控制站采用双独立线程进行数据的本地存储、冗余控制及现场实时显示，系统工作时两台下位机处于热备状态，信号传输采用10Mbps/100Mbps的全双工通讯协议，避免了常用报文的重复，两个网络节点可以同时传输和接收数据，提高了数据的吞吐量。正常工作时，控制指令由一台下位机发出，上位机实时记录两组传感器信号、阀门回测信号，采用实时读写，两组数据互为备份，提高了数据的完整性。

前端设备间设有触摸屏，触摸屏采用FactoryTalk View Studio开发环境下的分布式HMI组态功能，远端方舱设有上位机，采用本地Site Edition组态功能，下位机与上位机均通过RS claassic建立分布式局域网，见图6。其中，触摸屏通过HMI服务器进行数据交换，上位机运行本地应用程序，该程序可以运行在局域网内不同计算机上，所有阀门开关、程序开关采用值控制，即任意上位机发出控制指令，所有上位机均同步显示。

Claims (5)

1.发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)远端方舱发送程序启动指令，下位机执行预先编译下载好的抽真空程序，开启真空泵；下位机控制器以扫描的方式依次读入所有输入状态和数据，其中控制器中的模拟量采集模块分辨率为15位，将所有数据存放到I/O映象区中的响应单元内；

2)系统加入反馈设计，真空泵开始工作60秒后，进入传感器值反馈判读程序；

3)传感器测量值实时与设定值进行比较，当4个传感器有3个小于等于设定值后，判读条件成立，程序自动向下进行；

4)打开引射器，向变频器发指令关闭真空泵；

5)在1000s后程序自动关闭引射器，结束抽真空。

2.根据权利要求1所述的发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述步骤2)反馈判读程序具体过程是：四个传感器将4-20mA电流信号传至PLC的模拟量输入模块，该模块通过AD转换后将数据传至PLC的控制器，控制器通过传感器的校准系数将信号转换成对应压力值，四个压力值实时与设定值进行比较，当传感器值大于设定值时，真空泵继续工作，当4个传感器有3个小于等于设定值后，程序关闭真空泵打开引射器。

3.根据权利要求2所述的发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述步骤1)中所有输入状态是：抽真空系统的阀门指令信号、阀门回测信号；阀门指令信号与阀门回测信号是开关量信号(数字量信号)，即打开是1，关闭是0。

4.根据权利要求3所述的发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述步骤1)抽真空程序具体是：

1.1)软件初始化并进行试验前系统检查；

1.2)进入程序流程图界面；

1.3)控制第一下位机，选择程序控制；

1.4)开始采集并启动程序，60秒后进行传感器判断；

1.5)程序启动引射器，关闭真空泵；

1.6)待1000s后关闭引射器，抽真空结束。

5.根据权利要求4所述的发动机抽真空冗余自动化测控方法，其特征在于：所述步骤1.3)若当控制第一下位机故障时，则进行步骤1.7)切换到第二下位机，选择程序控制；

1.8)开始采集并启动程序，60秒后进行传感器判断；

1.9)程序启动引射器，关闭真空泵；

1.10)待1000s后关闭引射器，抽真空结束。