動力系統試驗自動緊急關機系統設計與建立

莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗技術研究所,北京 100074)

動力系統試驗自動緊急關機系統設計與建立

莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗技術研究所,北京 100074)

根據某型號動力系統試驗要求，為了保證試驗產品和試驗臺的安全，選取代表發動機工作狀態的典型參數作為自動緊急關機判斷依據，通過合理設置緊急關機判別準則，基于現有Pacific 6000數據采集裝置建立了改進型紅線報警系統進行在線實時檢測;通過對系統硬件和軟件的剖析、測試，得出該系統時間響應綜合滯后偏差為0～0.25 s;利用信號發生器模擬發動機真實工作參數值對傳感器異常檢測、發動機關機故障判定、數據存貯和事后查詢功能進行了綜合驗證，系統無漏關機和誤關機現象發生，為產品及試驗臺的安全提供了保證;可為其它故障檢測系統建立和響應時間分析提供參考。

動力系統試驗;判別準則;自動緊急關機;響應特性

0 引言

動力系統試驗是運載火箭研制的關鍵環節，是火箭飛行前關鍵的系統協調性驗證試驗，它具有高風險、高費用、試驗時間短、故障發展迅速等特點。試驗中的故障可能來自發動機、也可能來自試車臺試驗系統，出現的故障在短時間內可能造成發動機爆炸、試車臺燒損、人員傷亡等災難性后果，而指揮員來不及判斷，無法及時采取有效措施。基于穩態采集系統開發的自動緊急關機系統可以進行試驗數據的實時檢測、實時判斷，異常情況下進行緊急關機操作，可以降低故障帶來的損失，保證人身安全、保護發動機、保護試驗設備，為發動機試后故障分析提供故障現場[1]。同時對提高發動機地面試驗可靠性，加快火箭發動機研制進度具有非常重要的意義。

1 自動緊急關機判別準則設置

動力系統試驗產品由貯箱、增壓輸送系統、供配氣系統、伺服機構、發動機、測控系統等組成，其中發動機工作壓力高、轉速快、高低溫并存，故障發生快，因此選取代表發動機工作狀態的典型參數作為自動緊急關機判斷依據，可以涵蓋動力系統的大部分故障。

本系統選取發動機渦輪泵轉速、渦輪泵后壓力、燃燒室壓力作為判據，采用改進型紅線報警系統用于在線實時檢測。為了避免測量系統干擾或噪聲及個別傳感器、變換器失效造成誤關機，采用多參數表決和連續性準則：當3個檢測參數連續3次同時超出安全帶時實施緊急關機。

為避免誤關機，在獲取到檢測參數時先判斷測量結果是否可信。根據變換器極端情況下輸出正限幅為+6.3～+6.5 V，負限幅為-0.7 V的設計思路，考慮到測量系統存在一定的測量偏差，為避免誤關機，將壓力傳感器和變換器失效的判斷標準定為小于等于-0.5 V或大于等于6.0 V。

以火箭起動時序0 s為基準，考慮到發動機啟動階段性能參數還不穩定，自動緊急關機系統從13.5 s開始對發動機工作狀態進行判斷，當判斷發動機工作異常時實施自動緊急關機。判別準則包括兩部分：一是傳感器和變換器檢測單元；二是發動機異常檢測單元。

1.1 傳感器和變換器檢測單元

該單元的作用是對測量數據是否可信進行確認，在經過發動機異常檢測單元之前先經過該單元。通過該單元，判定一個測量參數是否能夠作為判斷發動機工作異常的依據。在下面情況下，判定傳感器或變換器異常：

1)當轉速測量電壓值≤+0.5 V或≥+6.0 V，判定轉速傳感器或變換器工作異常(轉速測量判據以N1為依據，當N1異常時，以N2為依據。N1和N2同時異常則判斷轉速傳感器或變換器工作異常，測量數據不可信)。

2)當壓力測量電壓值≤-0.5 V或≥+6.0 V，判定壓力傳感器或變換器異常，數據不可信。

1.2 發動機異常檢測單元

1)13.5 s～關機，在判斷檢測參數傳感器和變換器無異常的情況下，當三個檢測參數連續三次同時超出安全帶時實施緊急關機，安全帶取值見表1。

2)13.5 s～關機，當判斷某一傳感器或變換器(壓力或轉速)異常時，將該參數剔除，對剩下的兩個參數進行判斷，當兩個參數連續三次同時超出安全帶時實施緊急關機，安全帶取值見表1。

3)13.5 s～關機，當判斷任兩個或三個傳感器或變換器異常時，判別準則失效，自動緊急關機系統不起作用。

表1 安全帶取值

2 緊急關機系統設計方案

2.1 緊急關機數據采集系統結構設計

緊急關機數據采集系統由傳感器/變換器、信號隔離裝置、Pacific 6000數據采集裝置、采集主機、繼電器輸出板、控制系統組成，其組成如圖1所示。

圖2 緊急關機程序流程圖

圖1 自動緊急關機組成框圖

緊急關機系統的核心是其高可靠性，為了提高系統的可靠性，采取了如下措施：采用雙絞屏蔽電纜，提高信號的抗干擾能力；采用冗余供電技術保證前端傳感器/變換器工作可靠性；繼電器輸出采用雙點雙線模式保證高可靠輸出；采用信號隔離裝置消除緊急關機參數判斷和并聯傳輸顯示的串擾。

緊急關機信號傳遞流程為：壓力傳感器和轉速線圈輸出信號經變換器轉換為0～5 V電壓信號,將此信號經端子板進入信號隔離調理模塊，然后輸入模擬量通道模塊板model6013，進行放大、濾波、采樣/保持，經過A/D轉換后的數字信號被送入DDS。數據經過DDS采樣選取，送入其中的兩個并行緩存(FIFO數據緩存和環形緩存)后，經高速的IEEE-488.2接口，再經過GPIB-140A總線擴展器和光纖送入計算機，以用于顯示、處理和存儲。由二次開發的PI660軟件進行數據采集和緊急關機條件的判讀。控制系統通過吸合、斷開無源觸點作為發動機點火、關機的時統信號，測量系統將觸點信號變換為5 V階躍信號作為發動機的啟動/關機信號。根據緊急關機判讀條件連判三次滿足關機條件時，采集主機的繼電器卡輸出關機觸點信號，控制系統以10 ms循環檢測觸點信號上升沿，并完成后續關機操作。

2.2 軟件設計

Pacific 6000采集系統軟件的緊急關機部分是采用VB語言對采集軟件PI660進行二次開發的程序，采樣頻率100 Hz，濾波10 Hz，其緊急關機部分具體流程如圖2所示。

整個緊急關機程序放在一個計時器控件Timer的事件過程中，Timer定時間隔設為100 ms，即每隔0.1 s程序循環一次。程序讀取Pacific 6000通道數據，對啟動信號(5 V)進行判讀，若大于3.5 V，認為發動機啟動，點火時標開始計時。通過高精度定時器STimer累加計時計算是否到達13.5 s。根據緊急關機判讀準則進行關機參數的讀取和判斷，連續三次判讀滿足條件時，繼電器輸出板輸出觸點信號。

3 系統響應特性分析及測試

3.1 系統響應特性分析

根據長時間使用經驗及現場測試結果表明，現有系統從開始條件判讀到關機操作理論時間應為0.2秒，實際關機時間在0.2～0.45之間(不含控制系統反饋時間)。

整個緊急關機程序放在一個計時器控件Timer的事件過程中，timer定時間隔設為100 ms，即每隔0.1 s程序循環一次。程序讀取6000通道數據，對啟動信號進行判讀，若大于3.5 V，認為發動機啟動，點火時標開始計數。通過STimer計數計算是否到達13.5 s。根據緊急關機條件進行關機參數的讀取和判斷，連續三次判讀滿足條件時，使繼電器輸出板輸出觸點信號。

經深入研究討論該延遲時間主要是由于以下幾個方面導致：

1)啟動信號大于3.5 V時刻(發動機啟動時刻或點火時標0 s時刻)的判讀精度；

2)關機條件滿足臨界點判讀的判讀延遲；

3)Pacific 6000采集系統通道傳輸延遲(50ms打包發送機制)；

下面分別對上述三個影響因素及其造成的影響進行詳細的分析：

由上述描述可知，程序中Timer時間間隔設定為100 ms。由此造成的影響如下：

1)程序實際每隔100 ms讀取啟動信號并判斷是否大于3.5 V，由此可能造成判讀點火時標0 s時刻的延遲為100 ms；

2)同理，處于關機條件滿足臨界點判斷時，可能造判讀點火時標13.5 s時刻的延遲為100 ms。

3)太平洋6000采集系統設有數據緩沖區，每隔50 ms打包發送一組數據，緊急關機程序實時從6000通道讀取的數據，實際是0～50 ms之前的數據，如圖3所示，若在接近0 ms的

圖3 6000系統通道延遲示意圖

t1時刻讀通道，讀的是-50 ms形成的數據包的最新值，延遲為0 ms；若在接近50 ms的t2時刻讀通道，讀的還是-50 ms形成的數據包的第一個值，延遲為-50 ms。我們對這一項也進行了測試，測試結果與理論分析相符。

綜合考慮上述所有因素影響，得出該緊急關機系統的綜合滯后偏差為0～0.25 s，見表2。

表2 綜合滯后偏差值

3.2 系統調試

緊急關機系統建設完成后，利用信號發生器模擬發動機真實工作參數值，對傳感器和變換器檢測單元和發動機異常檢測單元進行故障模擬，以驗證程序邏輯性和系統時間響應特性。通過對轉速上限下限失效、壓力上限下限失效、轉速上限下限異常、壓力上限下限異常等條件組合共計46種測試，測試結果表明：系統響應時間與理論分析一致，無漏關機和誤關機現象發生，達到任務書要求。

4 結論

利用Pacific6000數據采集系統建立的動力系統試驗自動緊急關機系統，具備傳感器異常檢測、發動機關機故障判定、數據存貯和事后查詢功能，系統理論分析發出關機信號響應時間為0～0.25 s，實際測試結果表明系統無漏關機和誤關機現象發生，為產品及試驗臺的安全提供保證。可為其它故障檢測系統建立和響應時間分析提供參考。

[1] 唐云龍,代玉東.液氧/煤油發動機地面試驗故障緊急關機系統研制[J].火箭推進，2005(2).

[2] 液體火箭發動機試驗技術標準匯編[S].航天工業總公司第一研究院一〇一所，1991.

[3] 馬紅宇,劉站國,徐浩海,等.液氧煤油發動機地面試車故障監控系統研制[J].火箭推進，2008(2).

Automatic Emergency Shutdown System Design and Developent in Power System Test

Zhuang Jian，Li Zhigang，Wang Zhichao

(Beijing Aerospace Institute of Test Technology，Beijing 100074,China)

According to a power system test requirements, in order to ensure the safety of products and the test bench test, select typical parameters of engine work status for automatic emergency shutdown judgment，through setting up reasonable shutdown criterion, based on the existing Pacific 6000 data acquisition device to establish an improved red- line alarm system for online real-time detection. Through the system analysis and test of hardware and software, it is concluded that the system comprehensive response time is 0～0.25 s. Signal generator used to simulate engine real working parameters, completed the value of sensor anomaly detection, engine shutdown fault judgement, data storage and query function comprehensive verification, system without shutdown and shutdown happened by mistake, guarantee for the safety of the products and the test bench. can be reference for other fault detection system and to analyze the response time.

power system test; criterion of judgement; automatic emergency shutdown; response characteristics

2016-09-17；

2016-10-10。

莊 建(1981-)，男，河北保定人，碩士，高級工程師，主要從事液體火箭發動機試驗方向的研究。

1671-4598(2017)02-0193-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.053

V433

A