基于LabVIEW的固體火箭發動機點火控制裝置設計

郭宇欣

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

固體火箭發動機是空空導彈的重要分系統之一，它給導彈提供飛行動力，以保證導彈獲得所需要的速度和射程。而發動機點火試驗是發動機研制、生產過程中十分重要的環節，試驗結果是決定研制工作能否轉階段、能否設計定型、能否交付客戶的重要依據。發動機點火過程非常短暫，且不可逆，但對發動機的正常工作起著極為重要的作用，這就要求點火設備必須安全、快速、可靠、精準。

本文所設計的設備選用西門子S200 型PLC(可編程控制器)作為控制核心，圖形化語言Lab-VIEW 作為軟件開發平臺，采用模塊化設計，能實現四路點火電流按設定的時序輸出，點火電流2 ～20 A 連續可調，滿足不同型號固體火箭發動機的點火試驗要求。

LabVIEW 是虛擬儀器領域中最具代表性的圖形化編程開發平臺，具有優秀的人機交互界面和豐富的子程序供編程者直接調用。利用LabVIEW 開發軟件能提高設備運行效率，提高設備的安全性、可靠性和精準性。

1 點火控制裝置工作原理及系統組成

1.1 工作原理

點火控制裝置主要完成發動機點火參數設置、點火電流測試與控制、點火電阻測試、并為其他設備提供準確可靠的時間基準信號。設備的控制計算機通過RS232 串口與PLC 連接通訊。試驗前將任務下達給PLC，由PLC 獨自完成點火試驗的時序控制;由軟件程序控制研華多功能數據采集卡進行點火電流的實時采集顯示、接收分控儀的啟動、復位等信號。多功能數據采集卡的數字量輸出通道輸出控制信號，通過升壓電路調理生成邏輯信號并傳輸給分控儀;點火回路的時間基準信號經光電隔離調制傳輸給分控儀。

該裝置共有四個各自獨立的點火回路，可根據試驗要求對點火方式進行設定，點火方式有單個回路輸出點火電流、多個回路同時輸出點火電流和多個回路按時序輸出點火電流。每個點火回路均采用多種繼電器組合，由軟件控制繼電器按規定順序動作，保證點火回路可靠接通。其中最后接通點火回路的繼電器采用固態繼電器，接通時間小于0.1 ms，用于實現點火電流的快速輸出。每個點火回路中串入一個隔離電流傳感器，實現對點火電流數值的高速采集。點火回路電阻阻值由電爆管測試儀測出。

1.2 硬件組成

整個設備由測控計算機、PLC 控制模塊、點火輸出控制模塊及電源模塊四個模塊組成。設備硬件組成如圖1 所示。

圖1 硬件組成圖

測控計算機為工業控制計算機，用于實現系統自檢、點火參數設置及顯示、點火電流的調節、顯示和儲存、電流傳感器的校準等功能。PLC 控制模塊接收計算機發送的點火任務，由控制臺按鈕啟動，完成設定的點火動作。點火輸出模塊由多個繼電器和電流傳感器組成，確保點火過程的安全有效并實現點火電流數值的快速采集。電源模塊主要由多個點火電源和輔助電源組成，滿足四個點火回路的電流輸出和其他部件的供電需求。

2 軟件設計

2.1 軟件設計平臺

點火控制程序采用LabVIEW8.6 作為軟件開發平臺。LabVIEW 由美國國家儀器(NI)公司研制開發，類似于C 和BASIC 開發環境，但是Lab-VIEW 與其他計算機語言的顯著區別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。它把復雜、繁瑣的語言編程簡化為功能圖形的選擇，然后用線條把功能圖連接起來即可完成編程工作。該語言直接面向測試工程師，編程方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力，并提供了許多子程序供編程者直接調用。利用Lab-VIEW 編程語言，可以在很短時間里設計、構建和修改自己的程序，無需進行任何繁瑣的計算機代碼編寫。

2.2 軟件運行流程

發動機點火試驗完成點火電流的調節、對點火時序及其他參數進行設置、點火電流輸出記錄和數據回放四個步驟。程序設計主要考慮了上述順序:

(1)對設備硬件進行自檢。檢查工控機與PLC、多功能數據采集卡的通訊是否正常。如異常，需人工檢查通訊連接;

(2)根據試驗要求對點火電流進行調節;

(3)分別完成點火時序設置和對外控制信號輸出時序的設置;

(4)將各參數整合打包寫入PLC 中。

點火試驗時閉合點火按鈕，程序按設定時序工作，閉合點火回路繼電器，輸出點火電流并保存電流數據。軟件運行流程如圖2 所示。

圖2 軟件運行流程圖

2.3 程序設計

程序設計包括主程序、標定程序和曲線顯示程序等子程序的設計。

2.3.1 主程序的設計

根據軟件運行流程，主程序完成人機交互功能。實現系統自檢、電流調節、參數設置、數據實時顯示及其他功能模塊調用等操作。因此，主程序界面設計多個功能區域:數據實時顯示區，實現試驗過程中點火電流波形的實時顯示;倒計時及操作狀態指示區，分別顯示點火倒計時、操作按鈕工作狀態以及點火電流設置值;試驗流程參數設置區，可根據試驗需要，完成多個點火電源的時序設置，并可將設置好的參數保存為設置文件，方便同類試驗的調用;分控儀工作時序設置區，用于完成其他設備控制信號的時序設置;功能控制區，系統自檢按鈕實現系統自檢模塊的調用，完成工控機與多功能數據采集卡、PLC 通訊的檢查。電流調節按鈕實現電流調節模塊的調用，用于對點火電流值進行調節，使其滿足試驗要求。點擊點火開始按鈕后，程序將設置好的參數裝載入PLC 的相關寄存器中。主程序界面如圖3 所示。

圖3 主程序界面

考慮到各型號固體火箭發動機的點火試驗要求不同，程序對試驗流程參數模塊進行了優化設計。既能實現單個電源輸出點火電流，也能實現多個電源并行輸出點火電流，或者按設定時序串行輸出點火電流。為了達到這一功能，該模塊采用了while 循環、條件結構、事件順序結構和定時循環結構嵌套使用。以點火電源為列，各點火電源的工作時間為行，生成二維數組，并在數組的首尾分別添加點火倒計時時間和試驗終止時間，形成流程表格數組并對該數組進行VI 服務器應用;在定時循環結構中調用VI 服務器應用，讀取流程表格數組中的相關數據，寫入PLC 指令數組中。通過VISA 寫入功能模塊將PLC 指令數組寫入到PLC 的緩存內。VI 服務器引用就如C+ +中的指針，直接指向所用數據，避免了使用局部變量對整個數組進行拷貝，減少了程序內存的使用，提高了運行效率。試驗流程參數模塊程序框如圖4 所示。

圖4 試驗流程參數模塊程序框圖

2.3.2 標定程序的設計

標定程序的作用是對點火回路的電流傳感器進行標定，將標定數據寫入文本文件。選擇需要標定的點火回路，并設定電流的標定值，通過調節旋鈕控制電流輸出大小，記錄電流傳感器采集的電流數值，完成傳感器正反行程的數據采集，并以最小二乘方法計算得出擬合曲線方程以及線性度、靈敏度、滯后性等各項靜態特性，保存擬合結果。標定程序面板如圖5 所示。

2.3.3 曲線顯示程序設計

圖5 標定程序界面

曲線顯示程序用于對試驗數據進行回放查看、濾波處理、標尺縮放、曲線選擇等。該程序由一個事件結構完成各功能的調用，通過前面板的按鈕，觸發事件結構的各個子程序，來查看和處理點火數據文件。在程序中，數據被存儲成LabVIEW 專有的TDMS 數據流格式，TDMS 文件將動態信號存儲為二進制文件，并為每一路信號添加了若干附加信息屬性，便于程序查詢和分類。曲線顯示程序前面板如圖6 所示。

圖6 曲線顯示前面板

3 結 論

該裝置使用的是“PC +PLC”控制模式，它以PLC 為核心控制器，實現了固體火箭發動機點火的精確控制。運用LabVIEW 為開發平臺，完成了控制程序的編寫。既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干擾能力強的優點，又充分使用了Lab-VIEW 強大的數據處理能力與良好的可視化界面。目前該裝置已成功運用于多個型號固體火箭發動機的點火試驗，實現了單路點火、多路并行點火和多路串行點火功能。操作簡單，安全可靠。

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