運載仿真系統中高效測試方案的設計與應用

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(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

運載仿真系統中高效測試方案的設計與應用

莊瑋，蔡珂，馬玉璘，朱飛翔，于大海

(上海航天電子技術研究所，上海201109)

為解決運載系統高密度發射及人員壓縮的問題，提出了一種仿真系統中高效測試的方案；在分析傳統系統與現役系統區別的基礎上，介紹了現役仿真系統的改進與優化；硬件系統采用分布式設計，便于設備的展開與撤收；軟件系統的設計介紹中重點討論了仿真系統軟件在提高測試效率方面的設計方案，包括模擬源的數字化控制、流程狀態智能化控制、模擬量輸出的復用設計以及測試流程的多樣性設計；給出了部分代碼及程序框圖；用現役系統和傳統系統測試時間的比較證明了設計方法在完成原有仿真功能的同時，減少崗位人員及人工操作，縮短了測試所需時間，提高了測試效率；高效測試方案已應用于運載地面仿真測試中，應用效果良好。

仿真系統；高效測試；數字化；智能化

0 引言

火箭一體化測試發射控制(以下簡稱測發控)系統，主要用于火箭控制系統綜合試驗、全箭集成綜合試驗和發射場飛行試驗階段。軟、硬件配合完成對火箭各分系統及全箭產品的控制和測試功能，并對火箭臨射前的各項工作進行控制與監測。其中仿真系統主要通過仿真箭上各系統產品，來完成仿真階段對一體化測發控系統各通路的考核，從而增強其交付前自檢的全面性和完整性。

傳統的仿真系統中主要由仿真控制計算機、仿真箭機、仿真VXI機箱等組成，所用部件多、測試條件高、信息通信鏈路復雜。現役仿真系統設計使用PLC(可編程邏輯器件)代替原有的仿真箭機及仿真VXI機箱，在實現所有仿真功能的同時簡化仿真系統的測試條件、優化測試流程、提高測試效率。

本文基于對傳統、現役測發控系統中仿真系統的比對，重點介紹了仿真控制軟件以及PLC箭機模擬軟件的在提高測試效率方面做出的方案設計與實現，通過對仿真系統軟件的優化用來優化信息鏈路、降低錯誤概率、提高仿真測試的效率和可靠性。

1 傳統系統結構與原理

傳統的地面一體化測發控系統仿真系統使用放置于各級固定平臺的信號轉接盒將箭地連接信號轉接后，通過長電纜轉接到工藝間內的信號處理組合內，用仿真箭機、模擬電子程配、仿真控制計算機和仿真機箱進行處理，如圖1所示。各級信號轉接盒內只是進行信號轉接，沒有任何電路。這樣的設計及布局造成了設備過于繁雜、中間環節過多、長電纜過多，設備展開、恢復、撤收時間以及測試時間較長。就軟件而言，實驗環境復雜、硬件接口多、控制與通信繁瑣、測試條件嚴苛。

圖1 傳統仿真系統組成圖

而在新時期，高密度的運載火箭發射任務對地面測試發射控制系統提出了更高的要求——工期縮短、人員減少，這就進一步增加了仿真系統對系統優化的需求。

2 高效測試方案設計與實現

2.1 現役系統結構與原理

現役仿真系統遵循簡單、可靠的原則，在不影響測試覆蓋性的基礎上，對智能化仿真系統進行設備優化組合，取消了VXI機箱、仿真箭機和模擬電子程配，采用分布式處理方式，工控機加可編程邏輯器件(下文簡稱PLC)模式，在實現所有仿真功能的前提下，利用數據總線簡化各組合之間電纜，減少了硬件設備，縮短了電纜長度，提高了測試速度、精度及可靠性。PLC采用主基板加擴展基板的方式，設備組成圖(去掉外仿真部分)如圖2所示，其中虛線為網絡連接，實線為Profibus連接(包括主機板與擴展基板之間、擴展基板與擴展基板之間)。

圖2 現役仿真系統設備組成圖

工控機及PLC主基板使用常溫的，放在室內，PLC擴展基板使用寬溫的(溫度范圍從-25～70℃)放在各級信號轉接組合內，各級信號轉接組合可放置在室外的平臺上。

一級信號轉接組合內放置等效線路、PLC擴展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上一級控制系統的配電器，AD模塊用來接收一級速率陀螺激勵信號。DA模塊用來模擬一級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收21K0、舵Ⅰ啟動、快慢速調平、起飛等信號。DO模塊模擬輸出程配1的時串信號。

二級信號轉接組合內放置等效線路、PLC擴展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上二級控制、遙測系統的配電器，AD模塊用來接收二級速率陀螺激勵信號。DA模塊用來模擬二級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收22K0、舵Ⅱ啟動、游機加溫等信號。DO模塊模擬輸出程配2的時串信號。

三級信號轉接組合內放置等效線路、PLC擴展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上三級控制、遙測、外安系統的配電器、二次電源及電磁閥線路。AD模塊用來接收三級速率陀螺、平臺激勵信號。DA模塊用來模擬三級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收23K0、舵Ⅲ啟動等信號。DO模塊模擬輸出程配3的時串信號。

仿真信號處理組合內放置PLC主基板的CPU、網卡等模塊。CPU模塊是用來對整個PLC的控制，網卡用來與仿真控制計算機之間的通訊。

仿真控制計算機是一臺工控機，內置了RS422卡、模發解碼卡、遙測量模發卡和網卡。仿真控制計算機通過RS422口接收地面計算機發出的控制指令，并通過網線轉發給PLC主基版的CPU模塊，CPU模塊通過通訊線轉發給各擴展基板的擴展模塊，各擴展基板的功能模塊執行各種操作。仿真控制計算機接收到起飛命令后，通過模發解碼卡和遙測量模發卡來模擬箭機的模發通道和三冗余箭機的數字遙測量通道。仿真控制計算機可以實時接收各級PLC模塊的測試數據，并及時進行判讀，也可以事后接收并進行判讀。

2.2 軟件系統設計及難點解決

現役仿真系統軟件包括仿真控制軟件和PLC模擬箭機軟件。

仿真控制軟件主要通過TCP通訊協議從主控計算機獲取相應的控制命令，執行相應的測試項目和流程動作；通過UDP通訊格式通訊，接收仿真PLC發送的狀態變化值及電壓、電流參數的模擬量；通過控制相關PCI卡，完成相應的模擬測試工作。

PLC模擬箭機軟件主要通過與仿真控制軟件通訊，解析仿真控制軟件發出的各種控制指令，執行相應動作，包括控制繼電器狀態、輸出或采集相應的激勵信號、發出模飛時序以及程序脈沖等。

下面分別介紹兩個軟件所解決的技術難點，主要包括仿真控制軟件的模擬源的數字化控制和流程狀態智能化控制以及PLC模擬箭機軟件的模擬量輸出的復用設計和測試流程的多樣性設計。

2.2.1 模擬源的數字化控制

仿真控制軟件將原有的對VXI的控制以及與仿真箭機、電子程配等設備的通訊全部融合在與PLC模擬箭機軟件之間的控制和通訊中，該方案所取消的對繼電器的控制大大減少了在測試環節中的延時，同時也減少了仿真控制軟件對板卡的控制、降低了操作不成功所導致的錯誤概率。

模擬源的數字化控制是指為了保證數據的正確性，采用固定幀長方式并在數據包中添加幀頭、幀尾。基本數據格式如表1所示。同時考慮軟件的可擴展性，設置發送有效數據大小為18BYTE，實際使用15BYTE；接收有效數據大小為30BYTE，實際使用22BYTE。

表1 基本數據幀格式

數據發送是通過UDP通訊協議，將測試項目、控制碼字等發送給仿真PLC，采用“一位一意”的設計方法，即數據包中的每bit代表不同的控制碼字或測試項目。由于硬件上部分通路是通用的，即在不同測試項目中需要不同狀態切換，該工作在傳統仿真系統中由仿真控制軟件依次控制板卡上繼電器的復位和接通來完成，邏輯復雜、所需時間長，大大影響了測試效率。而現役仿真控制軟件上設計在每次發送狀態控制碼之前先將數據段清空，再將所要控制的PLC繼電器在數據包中所對應的位置1后一并發送給仿真PLC，仿真PLC只需將數據包中為1的bit所對應的繼電器接通即可實現，減少了一半的延時等待時間。以伺服系統中一級F1波道測試為例：

memset(Sdy_zt,0,18*sizeof(BYTE)); //清空數據段

Sdy_zt[10] = Sdy_zt[10]|32;//變壓器

Sdy_zt[10] = Sdy_zt[10]|64;//F1波道

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|2;//單向電壓

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|4;//相位比較

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|8;//基準電壓

UDPWrite(writerChannel, sPort_write, sraddress_fs,Sdy_zt, sizeof(Sdy_zt));//發送控制碼字給仿真PLC。

數據接收是通過UDP通訊協議接收仿真PLC發送的各DI狀態數字量及AI參數模擬量。軟件設計采用分開處理方法：對于DI狀態數字量進行每幀處理、實時顯示并存儲動作，以實現對狀態的實時監控和事后的有效判讀；對于AI參數模擬量進行“按令處理”方式，即僅對與當前測試指令有關的數據進行處理和判讀。該方案減少了不必要的數據處理和判讀，縮短了流程時間。

2.2.2 流程狀態智能化控制

根據任務需求，仿真階段的測試既要滿足覆蓋全面的要求又要提高測試效率，同時仿真測試又重點詣在通路考核，所以需要近半小時的模飛就成了重點優化項目。

原始方案是仿真控制軟件在接收到主機的準備起飛提示后彈出對話框，需進行人工選擇后將長/短模飛的選擇下發至PLC模擬箭機軟件。而在有模飛的測試項目中，仿真控制崗位人員還要在模飛項目前到三級脫插崗位上進行扶脫插工作，同時還要保證在模飛項目開始時對長短模飛的選擇提示框進行操作，這就要求仿真控制崗位至少有兩個崗位人員。該方案雖然實現了對模飛狀態的動態調控，但卻增加了系統崗位人員，也增加了人工操作，同時也提高了人工操作所產生錯誤的概率。

現役仿真控制軟件采用“固定源頭，動態可調”的流程狀態智能化控制方法。軟件在測試過程中接收主機發送的422碼字(該碼字與傳統422通路考核碼字格式不同)，同時判斷該碼字是長模飛狀態碼還是短模飛狀態碼，并在軟件顯示主界面的單選框中顯示，最后在收到起飛信號時將該狀態發送給仿真PLC組合，通過對模飛狀態的動態調控實現流程狀態智能化控制，邏輯流程如圖3所示。該方法減少了系統崗位人員以及崗位人員的操作的同時更實現了縮短測試周期，提高測試效率的要求。

圖3 流程狀態智能化控制邏輯流程圖

PLC模擬箭機軟件遵循簡單可靠原則，采用模塊化設計思路，設計包括網絡通訊模塊、狀態采集模塊、繼電器控制模塊、模擬量采集模塊、模擬量仿真輸出模塊、程序脈沖仿真模塊、狀態復位模塊以及模飛時串仿真輸出模塊等8個模塊。

下面著重介紹PLC模擬箭機軟件在設計上解決的難點：模擬量輸出(下面簡稱AO)的復用設計以及測試流程的多樣性設計。

2.2.3 模擬量輸出的復用設計

現役仿真PLC采用西門子300系列SM332型號AO模塊，該模塊對軟件設計輸出上有較高的要求：要求對于一個AO點只能單線圈輸出，若軟件上進行了多線圈輸出則會導致輸出不成功。

而硬件上同一個模擬量輸出點可能對應測試項目中不同輸出參數，軟件上針對這個要求設計使用“一對一、一對多”方式，采用中間繼電器間接賦值輸出的方法。一對一是指一個模擬量輸出點對應一個中間繼電器(WORD型)，一對多是指一個中間繼電器對應多個模擬量數據。這樣就可以在賦值模塊通過判斷收到不同測試指令，將不同模擬量數據賦值給指定中間繼電器，而在輸出模塊將指定中間繼電器與AO點對應即可。該方案簡化了PLC模擬箭機軟件中邏輯判斷，縮短了功能實現所需時間。

程序例子如圖4所示，圖(a)、圖(b)是在不同測試項目中為同一個中間繼電器賦不同的值，圖(c)為將該中間繼電器的值通過模擬量輸出點輸出。

2.2.4 測試流程的多樣性設計

為方便仿真階段通路考核，提高測試效率，PLC模擬箭機軟件設計采用兩種模擬模飛狀態的測試流程：短模飛和長模飛。狀態的選擇是通過接收仿真控制軟件的控制碼，若接收數據中代表長短模飛設置的bit位為1時，表示此次測試為短模飛狀態，即將中間繼電器M11.0置1。

軟件設計采用直接由PLC內部定時器控制繼電器輸出方法實現模飛時串的仿真輸出，該方法省去了仿真控制軟件對PLC模擬箭機軟件的輸出控制，簡化了控制流程。PLC模擬箭機軟件接收到起飛信號后，通過判斷M11.0的值接通不同的初始定時器，順次開啟長模飛或短模飛相關定時器，從而實現對長模飛或短模飛的模擬輸出。

長模飛的各定時器時間點按真實模飛的時間點設置；短模飛則去掉時串與時串之間10 s以上的時間差。這樣的處理將傳統30分鐘以上的模飛時間縮短為不到7分鐘，大大縮短了實驗測試時間。同時為減少時間上的偏差，對定時器的時間設定采用相對時間差。

圖4 模擬量輸出的復用設計示意圖

3 工程應用效果

仿真系統軟件用于一體化測發控系統交付前各通路的考核，該考核共進行四輪，每輪考核包括控制綜合檢查、穩定系統綜合檢查、總檢查I、總檢查II以及發射測試等多個項目。通過對仿真控制軟件及PLC模擬箭機軟件在上述方面的優化設計，使得測試時間大大減少。分別將傳統系統與現役系統各項目取5次測試時間的平均值，匯集數據形成表2，其中穩定綜合與發射測試項目中不涉及模飛，所以長模飛狀態和短模飛狀態時的測試時間一樣。

由表1中數據可以看出，在僅統計控制系統綜合檢查、穩定系統綜合檢查、總檢查I、總檢查II以及發射測試這幾個測試項目的情況下，與傳統系統相比，現役系統在長模飛狀態下節省66分鐘，在短模飛狀態下節省155分鐘，按每次設備恢復期間做1輪長模飛狀態的仿真測試以及3輪短模飛狀態的仿真測試來算，現役系統可以節省至少531分鐘，即8個多小時，為設備恢復留出了更多余量。

表1 測試時間比對

4 結束語

本文基于現役仿真系統介紹了仿真控制軟件和PLC模擬箭機軟件在提高測試效率方面做出的方案設計與實現，討論了仿真控制軟件的模擬源的數字化控制、流程狀態智能化控制以及PLC模擬箭機軟件模擬量輸出的復用設計以及測試流程的多樣性設計的實現。通過系統試驗驗證，這些方法在保證實現原有功能的前提下簡化了測試條件與操作，減少了系統崗位人員數及人工操作，縮短了測試所需時間，壓縮了恢復周期，提高了測試效率，對高密度火箭發射期的測發控任務有著重要意義。

[1] 宋宇峰.Lab Windows/CVI逐步深入與開發實例[M].北京：機械工業出版社,2003.

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[3] 吳美金，王秉臣，盧逸斌，等.基于PLC的航天器地面測控系統通用化設計研究[J].計算機測量與控制,2016(7): 14-16.

DesignandApplicationofHigh-performanceTestProjectbasedonLaunchSimulationSystem

Zhuang Wei, Cai Ke, Ma Yulin, Zhu Feixiang, Yu Dahai

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109,China)

To solve the problem of the high-density launch of the Launch system and the constringent of the personnel, a project of high-performance test to the Launch simulation system is proposed. Based on analysis of the differences between the traditional system and the active-serviced system, the optimization of the active-serviced system is introduced. Using distribution design in hardware system can be convenient for the equipment’s paving and removing. The projects of the testing efficiency improvement in the simulation system software are discussed, including the digital control of the simulation source, intelligent control of the flow state, duplicate usage of the AO and the diversity design of the testing flow. Some of the code and graphs are provided. The active-serviced system can replace the traditional system on the function. At the same time, the reduction of the manual operation and the testing time, the improvement of the testing efficiency are proved by the comparison of the testing time between the two kinds of systems. The project has be used for the launch ground simulation test. It has good effect.

simulation system; high efficiency test; digitization; intelligentize

2017-04-25；

2017-05-23。

莊 瑋(1986-)，女，黑龍江人，工程師，碩士研究生，主要從事運載地面系統軟件設計方向的研究。

1671-4598(2017)11-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.005

TP273

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