一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)

丁保民 吳齊才 劉麗媛

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076）

一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)

丁保民 吳齊才 劉麗媛

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076）

描述了一種高可靠擺桿遠程控制系統(tǒng)的組成、擺桿控制方法、遠程冗余控制原理，以及擺桿控制通路的實現方式，采用基于熱備冗余控制器和工業(yè)以太網構建的控制系統(tǒng)，能夠可靠地實現設備的遠程控制，大幅提高了設備可靠地完成任務的能力，并成功應用于新研制火箭的發(fā)射任務中。展望未來，該系統(tǒng)在各基地擺桿可靠性升級改造，以及電站、鋼廠，以及其它要求遠程控制、可靠性高的軍用和民用控制領域均具有較高的應用價值。

擺桿，高可靠，遠程控制

1 概 述

在航天發(fā)射場等活動發(fā)射平臺上的臍帶塔與試驗設備整體運輸、測試的過程中，擺桿電控系統(tǒng)[1]主要用于控制臍帶塔上的擺桿帶動試驗設備脫落的連接器、管路、接頭等擺開到安全范圍內。本文設計的擺桿電控系統(tǒng)采用基于可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)以太網的控制技術，實現了活動發(fā)射平臺臍帶塔擺桿的開合、油源電機啟停等各種規(guī)定動作的控制，可監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)參數，并具有冗余、故障診斷、遠程控制等功能。其利用以太網交換機、光纖通信、控制器熱備冗余等技術，實現了活動發(fā)射平臺擺桿電控系統(tǒng)的技術飛躍，大幅提升了活動發(fā)射平臺的智能化及可靠性水平，具有重要的戰(zhàn)略意義。

該擺桿電控系統(tǒng)將基于冗余光纖和以太網組合的控制技術應用于活動發(fā)射平臺，實現了高可靠性的遠程控制。為了確保擺桿電控系統(tǒng)能夠在前端現場無人的情況下，可靠地完成活動發(fā)射平臺擺桿擺開的關鍵動作，增加了一路專用應急控制通道，作為遠控自動模式失效時擺桿仍可強制擺開的備用方案。

2 擺桿電控系統(tǒng)設計

2.1 擺桿電控系統(tǒng)組成

該擺桿電控系統(tǒng)由后端、前端及光纖網絡等三大部分組成，其中，后端部分包括后端主工作站、后端備工作站、后端主交換機、后端備交換機、后端擺桿應急控制盒、后端信號轉接盒等；光纖網絡部分包括主傳輸光纖、備傳輸光纖、應急光纖等；前端部分包括前端主交換機、前端備交換機、前端主PLC、前端備PLC、前端信號轉接盒、前端執(zhí)行機構等。該擺桿電控系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。

2.2 擺桿控制方法

圖1 擺桿電控系統(tǒng)組成圖

該擺桿電控系統(tǒng)采用PLC控制電機、電磁閥、繼電器工作，電機帶動液壓泵為液壓系統(tǒng)提供動力，如圖2所示。PLC的DO模板控制電磁換向閥開啟，控制擺桿擺開、擺回。按照設定的擺桿運動曲線，通過調節(jié)PLC的AO模板輸出模擬量參數到壓力和流量放大板，壓力和流量放大板控制比例溢流閥和比例流量閥，實現液壓系統(tǒng)壓力和流量的調控，油缸推動傳動機構帶動擺桿運動，從而控制擺桿的擺動速度，控制擺桿啟動時做勻加速運動，停止時做勻減速運動。在擺桿的起始點、加速點、減速點、停止點分別設置限位開關，用于判斷擺桿擺開或擺回的位置。整個

控制過程中，擺桿分別經歷啟動、加速運行段、勻速運行段、減速運行段、低速運行段、停止等歷程。

圖2 擺桿控制框圖

2.3 系統(tǒng)控制模式

該擺桿電控系統(tǒng)采用集中控制、模塊化設計，可選擇近控、遠控兩種工作方式，其中，近控又可分為手動、PLC控制兩種控制模式，可實現無擾互鎖雙重冗余控制。其控制模式如圖3所示。

在近控PLC控制模式下，設備分布于前端區(qū)域內，前端指令控制上位機，邏輯控制下位機CPU、輸入輸出信號控制模塊，相互獨立，互為冗余。前端系統(tǒng)采用基于美國GE公司的RX7i和RX3i系列PLC，設計構建了雙網復合型網絡構架模式，整個系統(tǒng)不僅在輸入/輸出（I/O）模塊上實現了不同子站間的互備冗余，在網絡鏈路節(jié)點上也進行了雙通信模塊的同時環(huán)網構建。

在近控手動控制模式下，該擺桿電控系統(tǒng)利用分立元件搭建等效于自動模式控制下的控制指令及重要輸出信號，用于網絡或PLC控制模式失效情況下的人工系統(tǒng)控制。

遠程控制的硬件平臺為兩臺遠程控制臺，內設數據庫服務器，每臺都設有IP綁定的雙網卡接口，雙網卡分別連接到總控網后端交換機H1、H2上，構成網卡、交換機的網絡熱備冗余系統(tǒng)，同時，兩臺工作站之間實現定時信息交互，以監(jiān)控彼此的運行狀態(tài)，當一臺工作站發(fā)現另一臺工作站運行異常時，執(zhí)行切換程序，實現控制權的轉移，從而實現整機熱備功能。

2.4 遠程冗余控制

該擺桿電控系統(tǒng)利用遠端實現終端對近端油源電機的啟停、臍帶塔擺桿的開合等動作的控制。試驗場前端為活動發(fā)射平臺前置設備間，后端為指揮大廳，距離數千米。

圖3 系統(tǒng)控制模式簡圖

擺桿電控系統(tǒng)由于具有無人化和遠程化特性，其自身必須保證高可靠性并具備冗余和故障診斷能力，以確保擺桿動作順利完成[2]。擺桿電控系統(tǒng)正常工作時，后端兩臺工作站、后端兩臺交換機、前端兩臺交換機、前端兩組PLC控制器互相構成主備冗余，前、后端采用單模光纖進

行信號傳輸，主、備交換機之間采用多模光纖進行同步，后端主、備交換機，前端主、備交換機通過光纖形成4個節(jié)點的環(huán)形網絡，當某臺交換機失效或某段光路斷開時，前、后端之間的通信仍能繼續(xù)進行。后端主、備工作站使用網線分別接入后端主、備交換機，每臺工作站均配備雙網卡且進行綁定，斷開其中一段鏈路或關閉一臺后端交換機系統(tǒng)時仍能正常工作。前端主、備PLC之間采用同步光纖進行熱備冗余，當主PLC失效時系統(tǒng)無縫切換到備PLC。前端主備PLC與前端交換機之間使用網線進行交叉互聯，保證任一段鏈路斷開或交換機失效時系統(tǒng)仍能正常工作。

后端工作站將控制指令通過交換機和光纖網絡傳輸到前端PLC，前端PLC按照預先編寫的程序控制I/O模塊完成各執(zhí)行機構相應動作。前端PLC采集到傳感器和液壓閥塊的狀態(tài)量也返回到后端工作站顯示界面。

當后端工作站或前端PLC失效時，活動發(fā)射平臺將無法完成指定動作，因此，要在試驗場單獨配套應急光纖網絡，以實現擺桿強制擺開功能，具體方式為：后端擺桿應急控制盒發(fā)出擺開電信號，經過后端信號轉接盒轉化為光信號，通過應急光纖傳輸到前端信號轉接盒，再轉換為電信號，擺開電信號控制前端強擺電路完成擺桿擺開動作，當擺桿完全擺開后，再通過該回路將“擺桿擺開好”信號返回后端。

2.5 擺桿控制通路實現方式

該擺桿電控系統(tǒng)在控制電路設計上，設計有主通路控制、備通路控制和應急控制等3種控制方式，并在硬件上設計有三路互鎖的控制電路[3]。

該擺桿電控系統(tǒng)采用基于GE公司的RX7i系列PLC，具有安全熱備份功能，兩臺PLC進行數據同步完成熱備份功能，一旦工作PLC發(fā)生問題，可迅速將控制權轉交給備份PLC，能夠在對PLC無干擾的情況下進行PC機切換，使被控設備保持正常運行狀態(tài)，切換時間不超過PLC的一個掃描周期，為了確保順利轉換，兩個PLC的CPU轉換通過同步電纜通訊、處理程序，數據寄存器、定時器、計數器和其它數據保持實時的數據刷新。這種類似于GE Rx7i的雙冗余控制器（CPU）的設計方式具有自主故障診斷、無擾動程控切機等功能。

當主備PLC模塊皆出現故障或無法正常工作時，后端的擺桿應急控制盒發(fā)出強擺信號，信號經過光電轉換后控制前端繼電器動作，從而完成相應的動作。

“擺桿擺開”控制正常執(zhí)行過程中，總控發(fā)出“擺桿擺開”網絡命令，電控系統(tǒng)后端上位機接收命令，并發(fā)送給電控系統(tǒng)前端PLC，PLC接收并執(zhí)行主通路“擺桿擺開”指令，控制液壓主回路工作，執(zhí)行擺桿擺開動作，如果液壓主回路故障，數秒內未收到特定位置的限位開關信號，PLC執(zhí)行備通路擺開指令切換至液壓備份回路，擺桿到位后，限位開關觸發(fā)“擺桿擺開好”信號，“擺桿擺開好”信號通過PLC發(fā)送至網絡。

“擺桿強擺”控制是通過應急裝置，避開總體以太網和PLC控制回路，直接控制液壓執(zhí)行機構的方式：總控發(fā)出“擺桿強擺”手動命令到后端應急控制盒，強擺信號經過電/光轉換至光纖，經由應急光纖，信號傳遞至前端應急控制盒，經過光/電信號轉換送至電控系統(tǒng)擺桿應急控制盒，控制擺桿的液壓備份回路工作，切斷比例溢流閥，擺桿執(zhí)行擺開動作，擺桿到位，限位開關觸發(fā)“擺桿擺開好”信號，“擺桿擺開好”信號通過PLC發(fā)送至網絡。

3 實施效果

該擺桿電控系統(tǒng)實現了遠控、近控兩種控制模式冗余，在遠端控制模式下，分區(qū)域相互獨立，設計構建了雙網復合型網絡架構模式，整個系統(tǒng)不僅在輸入/輸出模塊上實現了不同子站間的互備冗余，在網絡鏈路節(jié)點上也進行了雙通信模塊的同時環(huán)網構建，大幅提高了系統(tǒng)的總體可靠性；在近控手動控制模式下，利用分立元件搭建了等效于自動模式控制下的控制指令及重要輸出信號，用于網絡或PLC控制模式失效下的人工系統(tǒng)控制，實現了大型活動發(fā)射平臺擺桿電控系統(tǒng)的架構搭建，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性，為活動發(fā)射平臺動作流程的控制項目提供了有效的保障。

該擺桿電控系統(tǒng)采用比例調速控制技術，解決了控制長擺桿快速擺開的慣性沖擊難題，根據載荷計算出理想曲線進行控制，抵消了擺桿轉動慣量對系統(tǒng)的影響，提高了擺桿擺動的平穩(wěn)性和擺桿的定位精度；采用主、備、應急三重冗余控制模式，確保了擺桿能夠可靠地擺開。

4 結束語

該擺桿電控系統(tǒng)首次在活動發(fā)射平臺臍帶塔上實現了擺桿遠程控制，形成了具有主、備、應急3個控制通道的擺桿控制系統(tǒng)，應用了一種基于以太網和光纖傳輸的高可靠遠控和近控系統(tǒng)，實現了活動發(fā)射平臺無人化和遠程化控制，提高了平臺的自動化水平，以及完成多任務的能力。隨著遠程控制技術的發(fā)展，展望未來，該系統(tǒng)在各基地擺桿可靠性升級改造，以及電站、鋼廠等要求系統(tǒng)冗余、可靠性高的軍用和民用領域具有廣闊的應用前景。

1 丁保民. 一種高可靠擺桿控制系統(tǒng)[P]. 中國, 201120416745.8. 2012-07-04

2 林輝. 活動發(fā)射平臺遠程電氣控制系統(tǒng)[P]. 中國, 201410503395.7. 2014-09-26

3 吳齊才. 一種高可靠擺桿控制系統(tǒng)及控制方法[P]. 中國, 201110331942.4. 2011-10-27

1009-8119（2016）11（1）-0058-03