高精度點火控制系統的設計及應用

本文介紹了自行研制的便攜式高精度點火自動控制系統的設計方案。文章就該系統的軟硬件設計分別進行論述。硬件上從PLC控制器開發、通訊形式及控制系統等方面進行了詳細的論述；在軟件方面，介紹了系統上位機軟件設計思想，闡述了各主要模塊的功能。

【關鍵詞】發動機地面試驗 PLC 點火控制系統 設計及應用

點火控制系統是固體火箭發動機地面試驗的關鍵控制設備。其點火的安全性和可靠性是決定地面試驗成敗的關鍵。同時控制器的精度影響試驗結果的可靠性。尤其是級間分離試驗要求在試驗中多次點火，方便搬運、組裝等，為滿足級間分離試驗的特點和安全性要求，設計了便攜式級間分離試驗點火自動控制系統。該系統采用了先進的PLC控制技術，主要由控制程序和點火控制器組成， 它們之間通信通過RS232接口實現。系統實現了發動機遠程安全可靠點火，保障了試驗的順利進行。

1 系統功能及技術要求

1.1 點火控制

提供試驗要求的點火電流，8路輸出100V 50ADC；控制通道在常態下保持斷開狀態。

1.2 緊急關機

在發動機點火前，出現異常情況時，能夠快速斷開點火通道并使控制程序停止。

1.3 警報控制

發動機點火前，發出警報警示。

1.4 牽動控制

為采集系統提供時序牽動信號。牽動通道：16路（TTL、開關和電平信號）。

1.5 計時顯示功能

顯示試驗點火過程計時。設置范圍：倒計時999秒和正計時999秒（誤差：≤5ms）。

2 系統硬件設計

控制系統功能模塊：PLC控制模塊、點火控制模塊、牽動控制模塊和計時顯示模塊。

控制臺包括計算機、PLC 控制器、大功率管、大功率繼電器、點火控制系統電源、牽動系統電源、電流傳感器、LED顯示屏等。

系統通過計算機控制PLC控制器，得到倒數計時指令后，PLC控制器自動計數，控制小功率繼電器和時間顯示器，再由小功率繼電器控制大功率開關管和大功率繼電器，實現點火控制。由小功率繼電器和直流穩壓電源共同實現牽動控制。緊急關機時，切斷大功率繼電器的供電電源，使點火回路斷開，并通過數字I/O口反饋到PLC控制器。如圖1。

2.1 PLC控制器

選用的PLC控制器是一款繼電器輸出及隔離數字量輸入的小型單機PLC，包括256個計數器、兩個16位1ms定時器、1個雙字毫秒定時器、4k的寄存器空間，提供16路光隔離開關量輸入，16路繼電器輸出。該PLC可靠性高， 不需要驅動，直接安裝開發軟件“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”，通過PPI線纜將編寫的程序直接從計算機下載到PLC，就可以實現對PLC的控制。

但是，由于PLC的16位1ms定時器遠不能滿足試驗最大動作時間范圍要求，設計中采用PLC自帶的計數器配合定時器，實現毫秒定時器定時范圍的擴展。為提高控制效率和精度，設計中采用雙字方式，PLC接收到啟動按鈕的輸入信號后開始發出1秒和1毫秒的脈沖方波。

2.2 小繼電器控制系統

由于PLC控制器自帶的繼電器沒有完全隔離，無法滿足試驗要求，因此，必須單獨開發小繼電器控制系統，該系統有31個通道，實現8路點火通道和23路牽動通道的控制，每個通道均可精確到1毫秒。

2.3 大繼電器控制系統

由于試驗點火需要很大的瞬間電流，對系統的可靠性要求非常高，系統的響應速率及穩定性也是非常重要的。本設計選用JQX-64M繼電器，最大電流80A，耐壓500V，根據實際情況設計了專用的保護電路。

2.4 點火控制箱

點火控制箱不僅可以實現點火控制，還可以實現報警、緊急關機、點火確認等功能。

2.5 LED顯示屏

LED顯示屏作為點火控制的重要部件，不僅能動態顯示點火、牽動試驗的時間進度，更要求具有高可靠性，因此設計上采用光隔離模塊，不僅有效提高電路抗干擾能力，而且使LED燈的亮度可以進行硬件調節。

3 系統軟件設計

3.1 概述

軟件采用Labwindows/CVI8.5開發CVI8.5是NI公司最新發布的可基于Microsoft Windows、Windows NT、以及Linux下的RAD和強大數據庫開發工具。

3.2 功能模塊

點火控制程序主要包括以下模塊：登錄模塊、項目管理模塊、監測模塊和點火電流測量模塊。

3.2.1 登錄模塊

用于進行相關功能選擇，主要功能包括“項目管理”、“點火電流測試”、“參數設置”等用于進行相關功能選擇。

3.2.2 項目管理模塊

點火、牽動通道信息，并把信息發送到PLC中，保證PLC中的數據準確無誤。

結構體設計解決了點火、牽動通道信息收集的問題，并為傳遞信息做好了準備。

3.2.3 監測模塊

當通道信息發送完畢，軟件進入監測界面后，上位軟件只會被動接收來自PLC控制器反饋的通道狀態信息，包括啟動、緊急關機、復位、試驗開始、試驗結束及通道狀態信息。

3.2.4 點火電流測量模塊

由于不同型號發動機的點火器的不同，要求在試驗前必須進行點火電流的測試，保證點火回路處于工作狀態，在通過電壓調節得到合適的點火電流，以保證發動機可靠點火。

4 結束語

該點火控制系統充分利用了計算機、PLC和現場總線的新技術，系統功能強大， 可實現遠程點火控制、危險狀態下緊急關機、試驗前警報控制、為采集系統提供時序牽動控制、并顯示試驗點火過程計時，系統運行可靠、性能穩定、操作簡便、能夠滿足固體火箭發動機地面試驗對點火控制系統的要求。

參考文獻

[1]程周.電氣控制與PLC原理及應用[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

[2]孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]宋伯生.PLC編程使用指南[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介

夏虹（1964-）黑龍江省哈爾濱市人。大學專科學歷。現供職于西安航天動力測控技術研究所一室。研究方向為計算機測控及應用。

王忠頤（1972-）陜西省人。大學本科學歷。現供職于西安航天動力測控技術研究所一室。研究方向為計算機測控及應用。

劉潔（1964-）山西省人。大學專科學歷。現供職于西安航天動力測控技術研究所質量處。研究方向為質量管理。

作者單位

西安航天動力測控技術研究所 陜西省西安市 710025