固體火箭發動機集成澆注實時監控系統的研制

許 亮，侯守全，王利博

XU Liang,HOU Shou-quan,WANG Li-bo

（內蒙古工業大學 機械學院，呼和浩特 010051）

0 引言

固體火箭發動機是航天工程中重要的動力裝置，因其高效便捷和優異的推重比，在武器系統、衛星和飛船發射、姿態控制等方面得到廣泛應用。固體火箭發動機裝藥由藥柱、絕熱層、包覆層、限燃層、自由脫粘層等組成。固體火箭發動機內的推進劑是一種高含能材料，具有易燃易爆的特性，在一定的壓力和溫度下會發生燃爆。

固體火箭發動機澆注，是把混合合格的藥漿用適當的工藝方法澆到準備好的燃燒室殼體中，待固化后制成符合設計要求的藥柱。過去采用人工借助輔助工具進行澆注，設備和方法單一，甚至一臺設備只能進行一發發動機的澆注，由于生產的數量大，人力、物力消耗也大。并且，容易產生振動摩擦，引發事故。

本文針對某企業固體火箭發動機的澆注，開發研制了一套能夠遠程實時監控澆注的控制系統。操作人員可以在隔離的控制室內實現對整個澆注過程的遠程實時監控，從而確保了操作人員的生命和國家財產的安全。

1 集成澆注監控系統的組成及其功能

集成澆注監控系統由澆注裝置、計算機控制系統、監測裝置、液壓控制系統組成。

1.1 澆注裝置

自動澆注裝置主體結構，如圖1所示。根據該型號固體火箭發動機的特點，當發動機精確定位并固定后，將已經混合好的藥漿通過一二級漏斗真空除氣后，澆注到發動機內。發動機的藥量由發動機下的稱重傳感器控制，發動機底部的液壓升降裝置同時也是振動裝置，用于振動澆注。

自動澆注開始時，將已經混合好的可澆注固體推進劑藥漿放入一次料斗中保溫，開啟一級二級料斗之間的閥門，藥漿通過閥門進入真空度符合要求的二次料斗中抽空。除氣結束后，開啟二級料斗下面的閥門，使已除氣的藥漿通過真空壓差壓入插管流入發動機內。發動機藥量由發動機下面的承重傳感器控制，同時通過下料計時器計算瞬時的下料速度和平均下料速度，整個系統工作具有連續性。

若用插管澆注，當將要澆注滿的時候，調節液壓升降機構，使發動機下降，插管上移并離開發動機口，繼續澆注，直至澆注完畢。若直接滴藥澆注，則不需要。發動機下的液壓升降裝置不僅起到升降發動機的作用，而且在澆注過程中還起到振動的作用，使澆注均勻。二次料斗中設有紅外液面檢測裝置，可以實時檢測推進劑藥面高度并隨時關閉閥門。澆注缸中花板上或其他位置裝有微型攝像頭，可以對澆注情況進行實時的觀察。

當本裝置不工作的時候，活動平板下降到最低位置，整個裝置置于地坑內，蓋上蓋板后與地面保持水平。

圖1 澆注裝置主體結構布局圖

自動澆注裝置中的兩級料斗結構，如圖2所示。該裝置由料斗、澆注控制閥、液壓缸、隔爆電機等組成，一級料斗二級料斗之間，二級料斗下面都裝有澆注控制閥，用于控制藥漿的澆注速度、澆注量。整個裝置由下面的兩個升降缸控制其升降，兩邊各有兩個導柱，其導向作用。料斗裝置的水平轉移，是通過最下面的皮帶帶動，由隔爆電機提供動力，皮帶帶動整個裝置沿著下面兩個導軌做直線滑動，從而實現料斗裝置的轉移。

圖2 澆注裝置中兩級料斗結構圖

1.2 計算機控制系統

按照澆注裝置在功能上的要求，同時為了滿足生產和管理方面的需要，本文所開發的遠程監控系統，依據分散檢測、集中監控管理的原則，設計出由遠程上位計算機進行集中管理、下位機PLC實現具體控制任務的高可靠性系統。計算機控制系統的工作原理，如圖3所示。

圖3 計算機控制系統工作原理圖

計算機控制系統以上位PC機和下位PLC為核心，采用模塊化設計，可根據系統不同的控制要求進行調整，具有良好的可擴展性。上位PC機選用高性能工業控制計算機，在上位PC機上安裝世紀星組態軟件。下位PLC選用三菱FX3U-32MR PLC及一塊FXON-485-ADP模塊、一塊FX2N-4AD模塊、一塊FX2N-2DA模塊。上位PC機和PLC通信通過串行通信（RS-485）方式實現。

采用手動方式和自動方式，手動方式在調試使用。自動方式主要包括PLC邏輯控制、速度控制和位移控制。

1.2.1 PLC邏輯控制

PLC邏輯控制主要是對生產裝置的邏輯動作和工作流程進行控制。實現生產裝置各油缸按要求動作，依次進行提升、下降、振動，澆注漏斗到預定位置停止、復位等操作。

1.2.2 澆注量預置、速度和位移控制

由于藥漿對摩擦、沖擊等十分敏感，所以在澆注液壓缸連接處裝了一個承重傳感器，用來實時監測澆注時藥量的變化，并在澆注平臺上安裝一個防爆編碼器，用來實時監測澆注時位移和速度的變化。一旦藥量、速度和位移超出設定值時，系統將自動停止運行并報警，保證了系統安全，手動恢復后再次啟動系統。

由此可見，澆注監控系統采用上、下位機結合的主從控制結構，上位PC機選用高性能工業控制計算機，世紀星組態軟件安裝在上位PC機上。

1.3 檢測裝置

檢測裝置由稱重傳感器、防爆編碼器、兩個壓力變送器組成。它將壓力信號、位移信號、速度信號、油壓信號通過PLC的A/D模塊送入控制系統。所用傳感器的原理及應用如下：

1）工作過程中，需要對澆注藥漿量進行檢測，由于藥漿對靜電和火花敏感。稱重傳感器選用了101BS稱重傳感器。該設備抗干擾能力強，精度等級高，適合沖擊場合及動態稱量，且不銹鋼焊封結構，防護等級為IP68， 適于危險環境使用，防爆等級為（Ex ib Ⅱ CT4）級，完全能滿足使用需要。

2）位移和速度的檢測是進行動作判斷的依據，因此在控制系統中具有很重要的作用。位移的測量需要高精度、絕對位置測量的位移傳感器。設計中選用了德國Hengstler RI70-T4防爆編碼器，可供脈沖10000P/R。

3）在工作過程中，為了檢測主油路和負載油路，都安裝了壓力變送器。PLC可根據變送器傳回的電流信號，對液壓系統載荷的異常變化做出及時處理

1.4 液壓控制系統

針對本裝置澆注對象的易燃易爆性，要求升降油缸工作平穩、反應快，能快速的啟動制動，因此設計液壓系統部分如圖4所示，在液壓控制系統中分別采用比例溢流閥和比例調速閥。

圖4 液壓控制原理圖

此外，在料斗裝置的升降，以及澆注控制閥和加緊缸的控制中，采用了一些比例方向閥、隔爆方向閥等。

2 上位機的組態開發及功能實現

2.1 構造實時數據庫

實時數據庫是“世紀星”的核心和引擎，也是聯系上位機和下位機的橋梁。監控系統運行時，工業現場的工作狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要迅速送達工作現場，這一切都是以實時數據庫為中介環節的。在世紀星開發系統中“變量數據庫”對話框里定義變量，定義時要指定變量名和變量類型，有些還需要一些附加信息。

2.2 建立動畫連接

動畫連接就是在畫面的圖形對象與數據庫的數據變量之間建立一種關系，當變量實時值改變時，在畫面上以圖像對象的動畫效果表示出來；或者由用戶通過圖形對象改變數據變量的值。

總之，上位機監控系統可以完美地實現如下功能：

1）控制系統可根據設定參數自動運行；

2）操作員可隨時根據現場情況進行手動操作；

3）報警顯示：系統實時監測澆注速度、澆注量等變化，一旦超出設定值，系統將停止運行并報警，以保證人員安全；

4）實時/歷史趨勢顯示及報表打印。

3 下位機PLC的數據轉化傳送功能及PID控制的實現

圖5 模擬量處理流程圖

PLC作為系統的下位機除了接收上位計算機的控制指令，完成一定邏輯關系的開關量輸出外，還要完成模擬量的采集和數字量與模擬量之間的轉化。圖5是模擬量處理的流程圖。

3.1 三菱PLC實現對速度的PID控制

速度控制是機電一體化系統中較難控制的一個參數，為確保澆注安全，尤其注重澆注速度的平穩性，故采用經典控制理論中最典型的PID調節對其進行控制。

PID控制的微分方程為：

e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為PID調節的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量值，Kp稱為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，P(t)為PID調節的輸出信號。

使用PID指令，需要確定四個控制參數：采樣周期T、比例增益Kp，積分增益Ti及微分增益Td。這些控制參數可以使用自動調諧法求得，然后在實際應用中不斷檢驗和修正，以期達到最佳的控制效果。

3.2 低速無爬行澆注速度和位移的控制

執行元件運動速度很低時，要考慮設備運行的平穩性和是否出現“爬行”現象，低速爬行是一種不正常的運動狀態。推進劑藥漿是一種高含能材料，屬A1級易燃易爆危險品，其摩擦感度和沖擊感度高，具有燃燒和爆炸的危險性。當出現爬行時，上述指標極易超過藥漿的許用極限，導致發生燃爆事故。因此，對于爬行問題的研究顯得尤為重要。

圖6 直線軸承結構圖

為了減小爬行帶來的危害，選用直線軸承與導柱配合。直線軸承的外套由高碳鉻軸承鋼制成，經淬硬和精磨處理，可為軸承內套和軸承箱提供安全可靠的裝配。滾珠在保持架上的回路運行，光滑的滾珠導向面可以有效的降低爬行，甚至消除爬行，直線軸承如圖6所示。

軟件方面以FX3U-32MR可編程控制器為核心,采用比例積分微分(PID)算法對模擬量進行閉環控制。作為一種非常簡便、有效的控制方法，PID控制長期以來一直被廣泛用于溫度、液位、壓力、速度等過程控制系統中。雖然在多年的實際應用中，也出現了多種改進型的PID算法，但是常規的PID控制算法對大多數控制系統已經能夠滿足誤差精度要求，因此可以采用常規的PID控制算法來進行有效控制。

PID控制是比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)三種動作的合成作用，其作用是使被控制對象達到并保持于設定值(SV)，當SV發生變化時，能使受控對象快速達到新的目標值。采用三菱PLC施行PID控制指令能夠有效地對低速無爬行澆注過程中的速度進行控制。

3.3 上位機PC與下位機PLC的通信

上位機PC與下位機PLC的通信，如圖7所示。

圖7 上位機PC與下位機PLC的通信圖

4 系統的安全可靠性

在實際應用中采取了相應的安全和抗干擾措施，以確保具有很高的可靠性：

1）由于控制對象的特殊性，其所有的控制動作都要以是否安全作為前提，因此所有在危險工作區的電氣設備都具有安全防爆特性；

2）確保所有金屬導體可靠接地，以及時消散靜電積累；

3）數字元件與模擬元件分開供電。電磁閥等數字量元件應采用開關電源供電，傳感器等模擬量元件應采用線性電源供電，開關電源具有很高的輸出噪聲和波紋，若對模擬量元件供電將會產生很大干擾；

4）采用屏蔽電纜線傳輸模擬信號并遠離動力線。采用屏蔽線可有效避免輻射電磁干擾,由于動力線周圍具有較強的電磁輻射,信號線應避免靠近動力線。

5 結束語

本文設計的基于PLC和組態軟件的固體火箭發動機集成澆注監控系統，利用PLC抗干擾能力強、組網方便、適用于工業現場的特點，依靠組態軟件強大的數據處理和圖形表現能力，實現了對澆注系統的實時監測，確保了對澆注有關參數的有效閉環控制，滿足了項目的要求，有效地保障了工作人員的安全，顯著提高了工作效率和澆注質量。

目前，整個遠程監控系統已經完成整體的設計。

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