劉 英，邵 凱，徐 浩，李春林，卓 敏

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

在目前的火箭動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)方案中，貯箱射前增壓信號(hào)和連接器脫落信號(hào)由控制系統(tǒng)后端發(fā)控臺(tái)發(fā)送，動(dòng)力系統(tǒng)不具備自身執(zhí)行功能；各功能模塊完全獨(dú)立，放置于塔架地下的不同位置，系統(tǒng)信息零散且無(wú)法進(jìn)行交互；增壓和射前流程中操作人員需全程監(jiān)測(cè)供氣狀態(tài)和壓力參數(shù)；系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和故障定位。因此，有必要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)測(cè)控設(shè)備進(jìn)行功能整合和性能優(yōu)化。

工程技術(shù)研究與實(shí)踐證明，采用模塊化的設(shè)計(jì)和分布式的結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性；控制系統(tǒng)分級(jí)分布減輕主控制器的負(fù)擔(dān)和數(shù)據(jù)處理壓力；冗余配置可以提升系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。新研的火箭貯箱增壓及連接器脫落動(dòng)力控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)力控制系統(tǒng)）基于以上設(shè)計(jì)思路，獨(dú)立完成貯箱射前增壓控制、連接器脫落控制及相關(guān)信號(hào)顯示，不再由控制系統(tǒng)完成，并采用分布式控制架構(gòu)和熱備冗余配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 動(dòng)力控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

維持一定的貯箱壓力是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的必要條件，連接器脫落是火箭起飛前的關(guān)鍵動(dòng)作，因此，研制一套安全可靠的動(dòng)力控制系統(tǒng)顯得尤為重要。在研究國(guó)內(nèi)外火箭貯箱增壓控制技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確定動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：

a）采用分布式控制構(gòu)架和熱備冗余工作機(jī)制實(shí)現(xiàn)近程和遠(yuǎn)程兩種自動(dòng)控制模式；

b）增加單點(diǎn)和急停控制功能改善系統(tǒng)可靠性；

c）通過(guò)配氣臺(tái)增壓電磁閥和貯箱壓力監(jiān)測(cè)傳感器閉環(huán)回路進(jìn)行增壓全流程自動(dòng)控制，完成給箭上貯箱自動(dòng)增壓至預(yù)置壓力值的功能；

d）通過(guò)配氣臺(tái)放氣電磁閥“超壓?jiǎn)?dòng)”預(yù)案保障火箭安全；

e）同步控制連接器上氣脫電磁閥的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)所有連接器同時(shí)自動(dòng)脫落；

f）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)故障診斷和判讀功能。

2 動(dòng)力控制系統(tǒng)組成

動(dòng)力控制系統(tǒng)由電源柜（含電源和交換機(jī)）、PLC（可編程邏輯控制器）控制柜、操控臺(tái)、電纜網(wǎng)及控制軟件組成。系統(tǒng)硬件組成見圖1。

圖1 動(dòng)力控制系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware Composition of Power Control System

3 分布式控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

為了滿足遠(yuǎn)程控制的需求，動(dòng)力控制系統(tǒng)采用 “控制功能分散、顯示操作集中”的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建分布式控制架構(gòu)，見圖2。圖2中RXM、ETM和NIU分別代表同步通信模塊、以太網(wǎng)通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)接口單元。近控設(shè)備以PLC為控制核心，負(fù)責(zé)流程控制、數(shù)據(jù)采集。主站和備站分別具有獨(dú)立工作能力，可自主完成規(guī)定的任務(wù)。遠(yuǎn)控設(shè)備為主、備監(jiān)控微機(jī)組成的操控臺(tái)，負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示。

圖2 分布式控制構(gòu)架Fig.2 Distributed Control Architecture

遠(yuǎn)控設(shè)備通過(guò)熱備冗余交換機(jī)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)連接近控設(shè)備。雙CPU與I/O模塊采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)連接成分布式控制系統(tǒng)，用以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分散的數(shù)據(jù)采集及控制。RXM與NIU子站之間通過(guò)冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，基于UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）的專用PLC通訊協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)分布式控制模式。

系統(tǒng)各個(gè)部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。遠(yuǎn)程控制模式中，操控臺(tái)和PLC控制器之間通過(guò)OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)流見圖3。

圖3 遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)流Fig.3 Remote Control Data Stream

4 系統(tǒng)熱備冗余設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備冗余技術(shù)，以保證快速可靠完成貯箱射前增壓、連接器脫落控制等發(fā)射任務(wù)。

4.1 近控設(shè)備

近控設(shè)備采用PLC熱備冗余工作機(jī)制，PLC主站和備站同時(shí)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)接收操控臺(tái)監(jiān)控微機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)熱備份對(duì)從站的冗余控制輸出。熱備冗余CPU機(jī)架中安裝PLC同步通信模塊，PLC主站和備站通過(guò)同步通信模塊和光纖鏈路完成信息通信和同步通信，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存變量的實(shí)時(shí)映射。運(yùn)行過(guò)程中PLC主站定時(shí)或按周期把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息備份到PLC備站，以便主備切換后，采用相同的數(shù)據(jù)持續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)勿擾動(dòng)切換。當(dāng)主處理器發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換到熱備處理器上繼續(xù)工作，以確保系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行。系統(tǒng)中所有的通訊模塊、通訊電纜也采用冗余方式，保證網(wǎng)絡(luò)通訊鏈路的暢通。一套PLC主站及從站底板中任何組件、通信模塊或通信電纜故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控工作，仍可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行。

4.2 遠(yuǎn)控設(shè)備

遠(yuǎn)控設(shè)備操控臺(tái)中的主、備監(jiān)控微機(jī)是兩臺(tái)硬件配置完全相同的工業(yè)計(jì)算機(jī)，同時(shí)同步工作，同步運(yùn)行監(jiān)控軟件。主、備監(jiān)控微機(jī)均具有IP綁定的雙網(wǎng)卡接口，雙網(wǎng)卡分別連接到1#交換機(jī)和2#交換機(jī)上，構(gòu)成網(wǎng)卡、網(wǎng)線、交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)熱備。主、備監(jiān)控微機(jī)同時(shí)通過(guò)交換機(jī)與近控設(shè)備進(jìn)行信息交互，其測(cè)控狀態(tài)保持一致。主監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行控制操作和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，備監(jiān)控微機(jī)同步進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)主監(jiān)控微機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可以切換到備監(jiān)控微機(jī)完成控制操作。

4.3 系統(tǒng)電源

系統(tǒng)電源內(nèi)部采用冗余熱備份工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部主備電源模塊間的自動(dòng)冗余切換，主電源模塊出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)切換到從電源模塊供電，并且切換時(shí)不出現(xiàn)瞬間掉電，確保系統(tǒng)的正常工作。

4.4 外圍硬件電路

4.4.1 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)中有大量電磁閥需嚴(yán)格按照既定流程進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)可靠的貯箱增壓和連接器脫落控制。為保證電磁閥驅(qū)動(dòng)電路可靠，系統(tǒng)對(duì)開關(guān)量輸出采用冗余控制技術(shù)：a）主備PLC開關(guān)量輸出模塊同時(shí)輸出控制命令，同時(shí)動(dòng)作，只要有一個(gè)模塊輸出命令是正確的，即可保證輸出的正確性；b）PLC開關(guān)量輸出模塊采用冗余設(shè)計(jì)，分別控制2個(gè)繼電器，2個(gè)繼電器各一對(duì)觸點(diǎn)，4個(gè)觸點(diǎn)采用串并聯(lián)輸出控制電磁閥。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路控制原理見圖4。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路控制原理Fig.4 Control Principle of Solenoid Valve Driving Circuit

4.4.2 壓力采集電路

系統(tǒng)中對(duì)壓力信號(hào)采用冗余采集技術(shù)。壓力傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)單輸入雙輸出的隔離柵電氣隔離后，分別輸入到PLC控制柜中主備模擬量采集模塊，只要其中一路接收正常，系統(tǒng)即可正常接收。壓力采集電路控制原理見圖5。

圖5 壓力采集電路控制原理Fig.5 Control Principle of Pressure Acquisition Circuit

5 系統(tǒng)控制策略

為了提高系統(tǒng)的可靠性，確保火箭和系統(tǒng)的安全，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程和近程兩種自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)上電后默認(rèn)為遠(yuǎn)程控制模式，如果遠(yuǎn)程控制出現(xiàn)故障，可通過(guò)PLC控制柜上的“狀態(tài)選擇”開關(guān)切換為近程控制模式，繼續(xù)完成控制功能。系統(tǒng)控制策略還增加了單點(diǎn)控制和急停控制功能。

5.1 自動(dòng)控制流程

5.1.1 貯箱增壓控制

動(dòng)力系統(tǒng)指揮通過(guò)口令下達(dá)“二級(jí)增壓”、“一級(jí)增壓”、“助Ⅰ、Ⅲ增壓”和“助Ⅱ、Ⅳ增壓”命令，動(dòng)力控制系統(tǒng)依據(jù)口令完成相應(yīng)的貯箱增壓控制流程，并顯示貯箱增壓好信號(hào)。貯箱增壓控制流程見圖6。

圖6 貯箱增壓控制流程Fig.6 Tank Pressurization Control Flowchart

5.1.2 連接器脫落控制

連接器脫落控制命令由動(dòng)力系統(tǒng)指揮通過(guò)口令下達(dá)，動(dòng)力控制系統(tǒng)依據(jù)口令完成氣脫控制并反饋氣脫好信號(hào)。氣脫準(zhǔn)備到氣脫好的整個(gè)過(guò)程中，所有操控臺(tái)控制屏上與增壓流程相關(guān)的控制按鈕鎖死，所有增壓電磁閥全部關(guān)閉，保證氣脫好后無(wú)法增壓。

5.2 單點(diǎn)控制流程

單點(diǎn)控制是在設(shè)備運(yùn)行時(shí)允許操作人員隨時(shí)介入工作流程的一種控制方式?？刂撇呗灾性黾訂吸c(diǎn)控制流程，在系統(tǒng)調(diào)試、聯(lián)試、合練或者出現(xiàn)異常、故障時(shí)可以使用。操作人員在操控臺(tái)控制屏點(diǎn)擊“單點(diǎn)控制”按鈕，選擇確認(rèn)進(jìn)入單點(diǎn)控制模式，可有針性地控制電磁閥的打開或關(guān)閉，也可再次點(diǎn)擊“單點(diǎn)控制”按鈕，選擇退出單點(diǎn)控制模式，恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

5.3 急?？刂屏鞒?/h3>

在自動(dòng)或單點(diǎn)控制流程中，如果出現(xiàn)貯箱超壓或壓力表顯示異常、壓力傳感器失效等緊急事件，操作人員可接通配氣臺(tái)上的“急?！遍_關(guān)，系統(tǒng)即可對(duì)自動(dòng)或單點(diǎn)控制流程中的電磁閥進(jìn)行緊急停氣控制，增壓電磁閥全部斷電，增壓放氣電磁閥加電，并一直保持，從而切斷增壓動(dòng)作流程，以確保貯箱增壓過(guò)程的安全可靠。待“急?！遍_關(guān)斷開，系統(tǒng)自動(dòng)退出急?？刂屏鞒蹋姶砰y可以恢復(fù)到急停之前的控制狀態(tài)。

6 遠(yuǎn)程控制界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測(cè)、信息處理、在線優(yōu)化、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單易懂、操作人性化。遠(yuǎn)程控制界面由操控臺(tái)控制軟件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于操控臺(tái)監(jiān)控微機(jī)中，與PLC控制軟件配合使用，共同完成貯箱增壓控制、連接器脫落控制和系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。遠(yuǎn)程控制界面分為控制屏和流程屏?？刂破辽显O(shè)有控制按鈕，顯示系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)信息等，可通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤操作控制屏實(shí)現(xiàn)貯箱增壓和連接器脫落的遠(yuǎn)程控制。流程界面主要用于顯示供氣氣路原理圖，可直觀地監(jiān)測(cè)某個(gè)控制流程動(dòng)作完成情況（如電磁閥工作狀態(tài)、管路壓力數(shù)值、增壓狀態(tài)和氣脫狀態(tài)等）。為防止誤操作，操控臺(tái)發(fā)出的控制指令，均進(jìn)行操作確認(rèn)（如對(duì)話框確認(rèn)等），對(duì)運(yùn)行中可能導(dǎo)致誤操作的按鈕通過(guò)人為設(shè)定禁用功能杜絕操作隱患，確保系統(tǒng)的操作安全?？刂破梁土鞒唐练謩e見圖7和圖8。

圖7 控制界面Fig.7 Control Interface

圖8 流程界面Fig.8 Process Interface

7 結(jié)束語(yǔ)

火箭貯箱增壓及連接器脫落動(dòng)力控制系統(tǒng)采用分布式控制架構(gòu)和熱備冗余工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了貯箱增壓和連接器脫落的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，同時(shí)還增加了單點(diǎn)和急停兩種自動(dòng)控制策略，有效提升了系統(tǒng)的可靠性、安全性和自動(dòng)化程度，為動(dòng)力控制系統(tǒng)無(wú)人值守提供了有力的技術(shù)支撐。