康淑婷 陽慧敏 林萌

1.北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京市航天試驗技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100074

一、引言

在液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)中，經(jīng)常需要輸送高壓或超高壓、有毒有害、易燃易爆、強氧化性等氣體[1]。減壓閥是氣體輸送系統(tǒng)中重要的壓力調(diào)節(jié)部件，儲存于高壓氣瓶內(nèi)的氣體經(jīng)減壓閥，以壓力損失為代價實現(xiàn)減壓，并恒定壓力輸出[2]。然而，傳統(tǒng)減壓閥的人工手動操作方式難以保證對安全生產(chǎn)、自動化控制、高精度調(diào)節(jié)等方面的要求。

本文研制了一套由氣電控制器、先導(dǎo)閥、減壓閥、PLC測控系統(tǒng)及減壓后管道壓力傳感器組成的高壓大流量減壓閥遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)，以求在保證控制要求的情況下達(dá)到人機隔離，最大限度地保障操作人員的安全。

二、系統(tǒng)原理

針對高壓大流量配氣場合，本文選用先導(dǎo)膜片平衡式減壓閥為主閥，先導(dǎo)閥和氣電控制器組成的氣電控制單元為主閥的先導(dǎo)執(zhí)行器。高壓大流量減壓閥的遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)采用二級控制模式，其本質(zhì)為將氣電控制器和先導(dǎo)閥組合，對先導(dǎo)閥加載壓力，通過先導(dǎo)閥的比例放大作用控制先導(dǎo)膜片平衡式減壓閥的加載腔壓力，進而控制配氣系統(tǒng)主管道中高壓氣體壓力[3-4]，控制原理如圖1所示。

三、系統(tǒng)的設(shè)計

1、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)由氣電控制器、膜片式先導(dǎo)閥、減壓閥、PLC測控設(shè)備及減壓后管道壓力傳感器組成，如圖2所示。

其中，氣電控制器通過對比壓力設(shè)定值與減壓后壓力管道傳感器采樣值，控制內(nèi)部兩個進出氣電磁閥的開啟與關(guān)閉，進而控制進入膜片式先導(dǎo)閥的氣體壓力；膜片式先導(dǎo)閥實現(xiàn)將控制氣壓力進行比例放大；減壓閥的上下腔壓力平衡作用使得連接下腔的主管路輸出壓力與經(jīng)過比例放大后的控制氣壓力相等，最終實現(xiàn)主管路壓力控制的目的。

作為控制系統(tǒng)的核心部件，壓力設(shè)定值由PLC測控設(shè)備以4mA～20mA電流信號的形式通過485通訊模塊傳輸給氣電控制器，并由專業(yè)軟件ERTune實現(xiàn)氣電控制器工作模式設(shè)置與工作壓力的實時監(jiān)測[5]。

2、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計的難點包括兩個方面：一是氣電控制器PID參數(shù)的整定，二是PLC壓力設(shè)定值的輸入。

PID參數(shù)是在氣電控制專用控制軟件ERTune中設(shè)定的，參數(shù)的整定需要覆蓋整個壓力范圍的多次調(diào)試。通過調(diào)試尋找最佳的P值（比例）、I值（積分）和D值（微分）參數(shù)組合，調(diào)試過程中，需兼顧響應(yīng)速度和偏差的綜合性能，并控制系統(tǒng)精度。經(jīng)過多次試驗確定PID參數(shù)范圍為：

比 例 系 數(shù) Kp：500～1000； 積 分 系 數(shù)Ki：1～100；微分系數(shù) Kd：1～50[6]。

解決PID參數(shù)整定工作后，只需要將壓力設(shè)定值輸入到氣電控制器內(nèi)，即可實現(xiàn)對減壓器出口壓力的實時調(diào)節(jié)。本控制系統(tǒng)選用S7-300PLC 中FC106指令，實現(xiàn)工程量轉(zhuǎn)換為可以被氣電控制器接受的4mA～20mA電流信號[7]。

四、控制結(jié)果分析

為了檢驗遠(yuǎn)程自動控制模式下減壓閥的調(diào)壓特性與流量特性，考核該減壓閥能否實現(xiàn)對高壓大流量介質(zhì)的有效控制，設(shè)計安裝了試驗裝備，包含：高壓氮氣罐、過濾器、氣源來氣閥（電動）、氣源放氣閥（電動）、音速噴嘴流量計、去氣閥（氣動）、放氣閥（電磁）、調(diào)節(jié)閥（電動）及連接管路，如圖3所示。該試驗裝備中，閥門同樣通過PLC測控設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。

1、調(diào)壓試驗

調(diào)壓試驗檢驗減壓閥的升壓、降壓性能，包括調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性。借鑒GB/T12245對機械調(diào)節(jié)手動減壓閥的調(diào)壓方法，結(jié)合氣電控制減壓閥的工作原理，將高壓氣源供至減壓閥入口，給定氣電控制器0.7MPa操縱氣，在ERTune中選取外反饋工作模式[8-9]，確定工控機與氣電控制器通訊正常，調(diào)節(jié)P值、I值以及D值，觀察減壓閥的反饋壓力或出口壓力調(diào)節(jié)效果。圖4中分別代表了減壓閥在遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)作用下的升壓、降壓出口壓力曲線。

2、流量試驗

減壓閥采用標(biāo)定的音速噴嘴進行流量計量，通過遠(yuǎn)程控制對先導(dǎo)閥加載，使減壓閥開度達(dá)到最大，測量穩(wěn)定狀態(tài)下減壓閥入口壓力、出口壓力以及溫度，通過噴嘴流量計算公式算出質(zhì)量流量[10]：

式中，q —氣體質(zhì)量流量（kg/s）；

d —噴嘴喉部直徑（mm），16mm；

k —氣體絕熱指數(shù)，氮氣為1.4；

R —氣體常數(shù)（J/kg·K），氮氣為 297（J/kg·K）；

T —通過孔板的氣體溫度（K），K=273+℃；

μ —流量系數(shù)，0.9897；

P3—噴嘴前壓力（Pa）；

P4—噴嘴后壓力（Pa）。

根據(jù)噴嘴前后的壓力以及溫度，經(jīng)計算間接獲得流量，減壓閥Cv值計算公式為：

式中，Qg—氣體體積流量，標(biāo)準(zhǔn)ft3/min（SCFM）；

Sg—氣體相對于空氣的比重，等于氣體的分子量與空氣分子量之比；

P1—減壓閥入口壓力（psi）；

P3—減壓閥出口壓力（psi）。

氣體介質(zhì)為氮氣，將流量公式（1）、（2）及Cv值計算公式（3）、（4）簡化后，編寫PLC程序進行計算，在上位機上顯示實時計算結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)表1為在氮氣氣源壓力分別是18MPa和9.6MPa下減壓閥的流通能力。通過多次試驗，該遠(yuǎn)程自動控制工作模式下的減壓閥所能達(dá)到的流量Cv值最大為10.65。

五、結(jié)論

分析調(diào)壓試驗、流量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

1、調(diào)壓范圍：受氣源最高壓力限制，在0MPa～14MPa壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，氣電控制器、先導(dǎo)閥與PLC測控設(shè)備組合的遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)可以平順、連續(xù)地對減壓閥出口壓力進行調(diào)節(jié)；

2、精度范圍：受氣源最高壓力限制，在0MPa～14MPa壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，隨著調(diào)節(jié)壓力目標(biāo)值的不同，精度有所差別，最大絕對誤差為±0.2MPa；

表1 流通能力測試數(shù)據(jù)

3、響應(yīng)時間：受氣源最高壓力限制，在0MPa～14MPa壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，隨著調(diào)節(jié)壓力的不同，響應(yīng)時間也有所差別，總體不高于2s；

4、流通能力：該減壓閥遠(yuǎn)程自動配氣系統(tǒng)所能達(dá)到的流量Cv值最大為10.65。

結(jié)論表明，該遠(yuǎn)程自動配氣系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對高壓氣體壓力的遠(yuǎn)程自動控制，且具有調(diào)壓范圍寬、精度高、響應(yīng)時間短的特點，相關(guān)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了高壓大流量介質(zhì)輸送場合的自動化運行程度，最大程度地保證了操作人員人身安全，對安全生產(chǎn)具有重大的意義。