一種基于倍福控制器的點火控制系統設計

孟翔宇 蔡惠華 徐 超 吳永紅 姜 祝

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

彈體發射試驗是研制同型彈體必不可少的試驗。其試驗目的主要是考核彈體有關系統和彈射動力裝置，但更主要的是進行彈道試驗，獲取在真實環境下，在真實發射平臺上發射時，彈體的運動特性[1]。

點火控制系統作為彈體發射的指揮中樞，在整個發射過程中起著至關重要的作用，它不僅為彈體提供發射指令，同時還為監測彈體發射時工作狀態的相關系統提供觸發信號，因此點火控制系統就成為彈體發射試驗的一個非常重要的環節。

2 主要功能

點火控制系統主要根據試驗時序要求，為彈體提供點火信號和觸發信號，其主要功能有以下幾點：

1)遠控計算機遠程監測，控制前端設備的運行；

2)為點火裝置提供點火信號；

3)為前端控制系統、測量系統提供觸發信號；

4)為攝像系統提供觸發信號。

3 工作原理

通過遠控計算機對點火控制系統進行遠程監測、操作和控制，控制系統對點火電路、電壓調理隔離電路進行狀態監測與控制，根據試驗時序要求，為點火裝置提供點火信號，通過觸發輸出電路為前端控制系統、測量系統、攝像系統提供觸發信號并進行相應狀態的監測和反饋。

4 方案設計

點火控制系統主要由以下幾部分組成：控制系統、點火電路、電壓調理隔離電路以及觸發輸出電路(含攝像觸發)。點火控制系統總體方案框圖如圖1所示。

4.1 控制系統

控制系統為點火控制系統的核心部分，其主要完成系統的點火相關控制、觸發信號控制、電壓信號采集和相關的開關動作信號的監測。

控制系統結構示意圖如圖2所示。

4.1.1 控制器選擇

通過需求分析，該套控制方案要求控制精度高，頻率響應快，一般常用的控制器很難滿足要求。通過對比分析，本套設備的控制器最終選用德國倍福公司生產的CX5020-0111控制器作為主控制器[2]，其實物如圖3所示。該控制器是一款適合DIN導軌安裝的緊湊型以太網控制器。所選用的軟件為TwinCAT2編程軟件，該軟件可將CX5020系統轉換為一個功能強大的PLC和運動控制系統，可以在有或沒有可視化功能的情況下進行操作。

4.1.2 數字量擴展模塊

作者貢獻聲明 趙博文：參與選題、設計及資料的分析和解釋；撰寫論文；根據編輯部的修改意見進行修改。付晶：選題，設計，進行資料的分析和解釋；撰寫論文；修改論文的結果、結論。洪潔：資料的分析和解釋。李莉、楊素紅：選題，設計。 李蕾：參與資料的分析和解釋；根據編輯部的修改意見進行修改。周劍、王樂今、布娟、宿蕾艷、韓英軍、方民、劉雯、張浩：參與病例資料收集

為了實現系統要求的各項功能，需選用與主控制器相配合的I/O模塊，本系統選用EL2252模塊、EL2008模塊和EL1014模塊。下面對這三種模塊的性能指標做簡要的介紹：

數字量輸出端子模塊EL2252以電隔離的形式將二進制控制信號傳到處理層的執行器上，通過調用分辨率為1ns的時間戳，該端子模塊的輸出可被精確同步，該項技術能夠精確定義整個系統的輸出切換時間。EL2252為帶時間戳的通道輸出的模塊，在本系統中主要用于有嚴格時序時間要求的功能電路的控制，包括點火開關、測量系統觸發、控制系統觸發和攝像系統觸發的控制。

數字量輸出端子模塊EL2008以電隔離的信號形式將自動化控制層傳輸過來的二進制控制信號傳到設備層的執行機構，EtherCAT端子可通過一個LED來顯示狀態。EL2008模塊是具有輸出功能的模塊，在本系統中主要用于無嚴格時序時間要求的功能電路的控制，包括限流開關、保險開關和短路保護開關的限制。

數字量輸入端子模塊EL1014從過程級采集二進制控制信號，并以電隔離的形式將這些信號傳輸到上層的自動化單元，EtherCAT端子可通過一個LED來顯示狀態。EL1014模塊是具有輸入功能的模塊，在本系統中主要用于相關反饋開關的檢測，包括限流反饋開關、保險反饋開關、點火反饋開關、保護反饋開關、測量系統反饋開關、控制系統反饋開關和攝像系統反饋開關的檢測。

4.1.3 模擬量擴展模塊

A/D采集模塊選擇倍福的EL3062模塊和EL3681模塊。下面對這兩種模塊的性能指標做簡要的分析介紹：

模擬量輸入端子模塊EL3062為雙通道的A/D采集模塊，其電壓采集范圍為(0～10)V，12位單端采集，精度可達到±0.3%FS，EtherCAT端子模塊的輸入通道以接地點作為基準電位，EtherCAT端子模塊的信號狀態通過LED來顯示狀態。EL3062模塊可用來進行電壓的采集，在本系統中主要用于對點火電源端電壓的采集。

模擬量輸入端子模塊EL3681能夠測量各種輸入范圍內的電流和電壓，與高級數字萬用表一樣，其測量范圍可自動切換。EL3681模塊的電壓采集量程共有4種可選，分別是：300mV、3V、30V和300V。它是18位的采集模塊，采集精度在25℃時可達到±0.01%。EL3681模塊可用來進行電壓信號的采集，在本系統中主要用于分壓電阻與火工品電阻總電壓和分壓電阻電壓的采集，根據計算，在小電流檢查通路狀態的狀態下，被測的電壓值大約在30mV左右，因此，采用300mV檔完全滿足測試要求。

4.2 點火電路及工作原理

圖4中，點火電路共分為7個部分：一級限流及監測電路、二級限流及監測電路、保險開關及監測電路、點火開關及監測電路、短路保護開關及監測電路、分壓電阻與火工品電阻總電壓調理隔離電路和分壓電阻電壓調理隔離電路。

4.2.1 兩級限流及監測電路

點火電路中設計了兩級限流及監測電路，包括一級限流及監測電路和二級限流及監測電路。如圖4所示，在電路中選擇了兩個機械繼電器，其常閉點連接到了監測電路上，常開點連接到了限流電阻上，只有當兩級限流控制開關均打到常開點時，兩個限流電阻均被短路，使點火通路中只有分壓電阻和待點火火工品，從而滿足點火條件，進行點火試驗，并且雙刀并聯使用。從圖中可以看出，在整個試驗過程中，兩個開關同時誤閉合的概率很小，可以滿足安全點火的要求。

4.2.2 保險開關及監測電路和短路保護開關及監測電路

當火工品與點火控制系統連接時，為了確保點火信號不誤輸出，點火控制系統在點火電源輸出端設置了保險開關及監測電路。為了防止在點火過程中出現誤操作導致火工品點爆，在點火電路中設置了短路保護開關及監測電路。所以在該點火電路中分別設計了保險開關及監測電路和短路保護開關及監測電路。由于二者無時序上的要求，所以均采用機械繼電器的形式。其中保險開關和短路保護開關均利用了繼電器的常開常閉點，并且雙刀并聯使用。

4.2.3 點火開關及監測電路

點火開關采用自行設計的場效應開關管電路，此電路的特點是導通電阻小，在mΩ級；導通時間很短，在uS級；可耐壓100V以上，可通過電流80A。該電路采用模塊化設計，如果發生故障問題，可以快速更換備板，不會影響到點火試驗的進行。分壓電阻放在點火開關的后面主要是為了保證點火開關能夠充分的導通和截止。

在所有的開關監測電路中，均設計有遠程監測功能和本地監測功能。其遠程監測功能通過MOSFET繼電器來實現。當被監測的開關閉合時，相應的MOSFET繼電器處于導通或斷開狀態，此時倍福控制器的輸入模塊會監測到該狀態，并將該狀態傳送到遠程計算機，便于遠程操作人員的監控和相應程序的執行。本地監測功能通過面板指示燈實現，當被監測的開關閉合時，相應的指示燈處于亮起或熄滅的狀態，方便設備的調試和現場的聯調試驗。

4.2.4 分壓電阻與火工品電阻總電壓調理隔離電路和分壓電阻電壓調理隔離電路

為了對點火通路各狀態功能進行檢查，在點火電路的前后兩端分別設有分壓電阻與火工品電阻總電壓調理隔離電路和分壓電阻電壓調理隔離電路。電壓調理隔離電路[4]主要是用來進行相關電壓的隔離調理，該電路主要分為調理電路和隔離電路。隔離電路主要是通過光耦LOC110配合相關外圍電路進行實現，調理電路主要是通過運放AD627來實現，其可通過外置電阻的設置來調節放大倍數，從而滿足實際的測試調理要求。兩組調理隔離電路主要是用來將分壓電阻與火工品電阻總電壓和分壓電阻電壓端的電壓進行隔離調理，調理隔離電路的輸入電壓范圍為(0～40)mV,調理隔離后的輸出電壓為(0～5)V，再由倍福A/D采集模塊EL3681進行電壓采集，以確認點火電源輸出是否正確。最后進行待點火火工品的阻值計算，從而確認火工品狀態是否正常。

4.3 觸發輸出電路

觸發輸出電路主要是用來為前端控制系統、測量系統和攝像系統提供觸發信號并進行相應狀態的監測和反饋。

觸發輸出電路示意圖如圖5所示。

圖5中，控制信號Ctrl_24V主要來自于倍福控制器的I/O模塊，其一個控制信號同時控制兩個MOSFET繼電器61BR，其中Out_Switch信號用于實際的觸發信號輸出，而Fb_Switch信號用于狀態的監測和反饋。同樣在面板上也有相應的指示燈進行相關的指示。

5 試驗驗證

圖6中，示波器ch1對點火信號輸出進行測量，T1r為點火信號上升沿，T1f為點火信號下降沿；示波器ch2對其余3個觸發信號進行測量，Tir和Tif分別為上升沿和下降沿。同步輸出時：

上升沿時間差△Tr=Tir-T1r

在試驗中，將點火信號作為時間基準對其它信號進行測量，獲取了三組數據，見表1～表3。

表1 第一組測量結果Table 1 First group of measurement results

表3 第三組測量結果Table 3 Third group of measurement results

通過以上測試數據可以看出，整個系統的運行狀態輸出正常，能夠滿足用戶的使用要求。

6 結束語

根據系統實現的主要功能要求設計了一種基于倍福控制器的點火控制系統，對系統的工作原理進行了分析，根據性能要求和測試原理，確定了實現系統功能的設計方案，并對系統各組成部分進行了詳細的介紹。本系統的設計方案滿足了所有的技術指標要求，經過系統測試，運行情況良好，滿足了用戶的使用需求。

[1] 劉寶鏞.全尺寸模型彈水下發射試驗的有關問題[J].導彈與航天運載技術,2000(4):1～4.

[2] 謝志宴.基于電液控制技術的開口機理研究[D].西安：西安工程大學，2015.

[3] 徐超等.一種小阻值電阻測量裝置的研究與設計[J]. 宇航計測技術,2016(1):57～61.

[4] 岳瑞華，訾向勇. 帶校準源的電壓測量系統[J].宇航計測技術,1999(4):47～55.