航天器熱試驗電源健康管理系統的設計與實現

(北京衛星環境工程研究所,北京 100094)

0 引言

航天器真空熱環境試驗作為航天器研制過程耗時最長、耗資最大、狀態最復雜的試驗項目，對試驗過程的可靠性要求非常之高。隨著當前航天技術的迅速發展，航天器的設計規模與技術狀態更為復雜，對熱試驗的設備規模需求與技術要求也與之增大。控溫系統作為航天器熱試驗用環境模擬設備測控系統的子系統，主要由控溫軟件、程控電源和加熱裝置組成，其中程控電源作為紅外燈、紅外籠、薄膜加熱器等加熱裝置的供電設備，通過其輸出電流控制加熱裝置的輻射熱流，最終實現航天器外熱流的模擬，是航天器熱試驗最為關鍵的儀器設備之一。由于試驗用電源數量規模較大，尤其是921平臺、空間站等大型航天器熱試驗時，所用電源數量將達上千臺，電源工作情況較為復雜，與控溫軟件通信頻率較大，經常出現輸出誤差較大、無輸出或通信中斷等故障現象，引發試驗狀態異常。目前，試驗系統對程控電源故障檢測的實時性水平較低，且在發現問題后，多采用現場人工更換故障電源，耗時較長、效率較低，且極易引發質量事故，大大影響航天器熱試驗的可靠性[1-2]。

為解決上述問題，需對控溫系統程控電源健康管理技術進行研究，本文以Agilent N5750型電源為對象，首先結合熱試驗電源故障案例，對程控電源故障類型進行分析，研究了電源輸出超差、無輸出等輸出故障與通信丟包、中斷等網絡故障模式的實時檢測技術，然后結合冗余切換技術，設計了故障電源向備份電源的在線切換裝置，實現對程控電源健康管理系統的開發。該系統能夠在3 s時間內完成最多30臺電源的故障檢測與在線切換工作，故障檢測率大于98%，提高了熱試驗控溫系統的可靠性，大大降低了由電源故障所引發的熱試驗質量風險。

1 電源故障檢測技術研究

1.1 電源故障類型分析

根據航天器熱試驗程控電源故障歷史記錄信息，對電源健康狀態及故障類型進行統計分析，可將其分為輸出狀態故障和網絡狀態故障兩類，其中輸出狀態故障包括輸出超差和工作故障兩種，當電源內部電路出現故障時，實際輸出電流值(電壓值)與理想輸出電流值(電壓值)存在誤差，且超過試驗所容許最大誤差，則定義該電源為輸出超差故障；當電源因工作環境惡劣、工作時間過長、內部電路故障等原因，產生系統故障，其自檢功能將確定上述故障并形成自保護，無電量輸出，則定義電源為工作狀態故障；網絡狀態故障包括通信中斷和通信不暢兩種，當由于電源通信模塊故障、路由器故障、LAN接口插接不到位或網線故障等原因，造成控制軟件與程控電源無法通信或丟包率較大，則定位該電源為通信中斷或通信不暢故障。

圖1 程控電源故障樹

1.2 電源故障檢測方案設計

為實現對電源輸出狀態故障的檢測，本文通過對N5750電源后面板模擬編程接口JI中相關端口信號的測量，實現對電源輸出超差和工作故障模式的檢測。具體通過模擬量采集端口對電源接口J1的電流輸出監視端口P24進行測量，換算得到電源實際輸出值。并將其與該臺電源的目標輸出值的差值與輸出誤差閾值(一般取0.1A)進行對比，判斷電源輸出是否出現超差故障，得到輸出超差故障電源的IP位置信息[3]。對于電源工作故障的檢測，通過數字量采集端口對電源接口J1的電源正常工作信號端口P16進行測量，當P16端口輸出信號為高電平時，電源為工作正常狀態；當輸出信號為低電平，電源出現工作故障。

熱試驗測控系統中，程控電源通過局域網交換機與服務器和客戶機進行通信。為實現對程控電源網絡狀態的檢測，本文采用ICMP通信協議技術[4-5]，通過測試設備主機向被檢測電源IP地址連續分別發送數據包，并對其返回數據包情況進行分析，分析內容包括返回數據包與發送數據包的比對、返回數據包耗用時間等。在每個檢測過程中，若連續出現未接收到返回數據包且超過所設定最大允許連續丟包次數(譬如5次)，則檢測終止，判定電源出現通信中斷故障；若未出現連續未接收到返回數據包超過設定所最大允許連續丟包次數，且返回數據包的丟包率超過最大允許丟包率(丟包率是指在每周期網絡檢測過程中，出現與發送數據包內容不一致的返回數據包數量和未接收到返回數據包的數量之和與已發送數據包數量的比值)[6]，則檢測終止，判定電源出現通信不暢故障，以此獲取網絡故障電源IP信息。

2 電源在線切換技術研究

為實現熱試驗過程中故障電源的在線快速更換，降低因人工電源更換速度較慢給熱試驗帶來的風險，需對電源在線切換技術進行研究。本文基于繼電器網絡技術[7-8]，設計了電源在線切換裝置，并研究了電源在線切換策略。電源在線切換原理如圖2所示。

圖2 電源在線切換方案原理圖

如圖2所示，實現故障電源在線切換的主要設計思路為：將30路主電源輸出通道與2路備用電源輸出通道均接入繼電器網絡，并通過繼電器網絡的30路供電輸出通道連接至外熱流負載裝置。其中，繼電器網絡邏輯組合設計是電源在線切換方案設計的關鍵內容。繼電器網絡由120路單刀雙擲繼電器組成，其中，每4路單刀雙擲繼電器構成1路外熱流加熱裝置供電通道及其對應主電源和2臺備用電源輸出通道的電氣連接單元，能夠實現加熱裝置負責向主電源和兩臺備用電源的中任意一臺電源的電氣匹配連接。每個電氣連接單元的工作原理如圖3所示，繼電器缺省狀態均為常閉，在缺省狀態下，負載供電通道A連接至主電源輸出通道B，按照表1所示的繼電器動作組合，負載供電通道可切換至備用電源1或備用電源2的輸出通道。

圖3 備用電源切入設計原理圖

表1 繼電器狀態與負載供電通道對應關系表

注：表中繼電器常閉狀態表示為0，斷開狀態表示為1，任意狀態表示為-。

由于目前航天器熱試驗控溫策略中，電源多采用恒流工作模式。為防止電源切換斷路時，電源出現打火現象，切換過程中需將故障電源和備用電源設置為無輸出狀態，保證電源切換操作為冷切換。

3 電源健康管理系統的設計

3.1 系統總體方案

基于電源故障檢測技術與在線切換技術的研究，本文對電源健康管理系統進行了開發，通過軟硬件的設計，最終實現對一個機柜規模的電源陣列的健康管理。本系統由硬件和軟件兩部分組成，其中系統硬件由主控制分系統、電源輸出狀態檢測分系統、網絡狀態檢測分系統、在線切換分系統組成。系統總體結構原理如圖4所示。

圖4 系統總體結構原理圖

系統總體工作流程如圖5所示。

圖5 系統總體工作流程圖

3.2 系統硬件設計

系統硬件主控制分系統采用康拓公司PXIJX5010工控機箱與PXI/CPCI5098嵌入式主控制器相結合的模式，并通過對PXI總線測控儀器資源的控制[9]，實現系統硬件的功能設計。輸出狀態檢測分系統實現對主備32臺電源的輸出超差和工作故障的檢測，其中輸出超差檢測內容包括輸出電流和輸出電壓；網絡狀態分系統基于當前局域網交換機，并通過ICMP軟件協議及其衍生算法，實現對32臺電源的網絡傳輸情況的檢測；在線切換分系統主要實現電源的本地使能輸出控制以及電源冗余切換的功能，電源無輸出控制的方式有上位機軟件遠程指令控制和本地使能控制兩種方式，然而當電源出現網絡狀態故障時，無法實現遠程指令關閉，需借助本地使能關閉功能，通過繼電器控制電源接口J1的端口P1與P14的短接與開路，使能電源的輸出。

根據電源在線切換技術的研究，電源在線切換裝置的設計選用10塊Pickering公司的40-161-101系列的大功率開關模塊，該型號板卡為PXI總線型，可集成于主控制系統工控機箱，每塊板卡具有12路單刀雙擲大功率繼電器，共構成120路繼電器網絡，能夠實現30臺備用電源輸出通道和2臺備用電源輸出通道與30路負載回路的冗余連接。

系統硬件設計為機柜形式，各分系統硬件資源集成在機柜內部，方便設備的移動與使用。

3.3 系統軟件設計

系統軟件基于VS2010環境進行開發，開發語言為VB，運行環境為win7操作系統。軟件數據庫采用微軟SQL SERVER 2005，調用Agilent I/O庫實現電源的底層驅動。

本系統軟件采用C/S架構模式進行設計[10]，分為主控軟件和顯示軟件兩部分，其中主控軟件運行在系統本地硬件主控制分系統上，直接與系統硬件資源進行通信控制，實現電源輸出狀態檢測、電源網絡狀態檢測與電源在線切換功能，同時，主控軟件實時接收顯示軟件的指令，并將電源最新狀態信息發送到顯示軟件進行界面顯示；顯示軟件運行于測控系統局域網任何一臺客戶機上，負責接收主控軟件發來的數據并顯示在界面上，同時接收人機交互界面的輸入信息，向主控軟件發送控制指令。兩種模式的軟件通過UDP協議通訊，雙方互發心跳數據，以此判斷對方是否在線，對方斷線后發出警報提示。

圖6 系統軟件結構組成圖

軟件采用模塊化進行設計與開發，開發結果、過程、內部協議均為公開，可維護性強，提供各種配置接口，用戶界面友好，可操作性強，提高了軟件的設計重用性和系統的可擴展性。軟件結構組成如圖6所示。

4 試驗驗證與結果分析

電源陣列健康管理系統開發完成后，在航天器熱試驗電源間現場對其開展了性能驗證試驗。根據系統設計指標，試驗分別對電源陣列輸出電流檢測精度，輸出狀態故障檢測率、網絡狀態故障檢測率及在線切換功能可靠性等內容進行了驗證與分析。

如圖7所示，被管理電源陣列以機柜為單元，每個機柜含有30臺電源，電源機柜的輸出通過2條電纜與電源管理系統的輸入通道接口B1、B2進行連接，電源管理系統的供電輸出接口A1、A2連接至本次試驗所選用的紅外燈陣負載，以此構成電源管理的完整電氣連接。

圖7 電源管理系統工作狀態電氣連接圖

驗證試驗首先對電源健康管理系統的電流檢測精度進行驗證分析。采取模擬工況試驗的方法，驅動程控電源向紅外燈陣加載工況電流，工況電流如圖8所示，工況周期為5 min，工況單步時長為30 s，機柜上每個電源所加載的工況完全一致。

圖8 電源加載模擬工況電流圖

通過電源健康管理系統采集到的輸出電流與模擬工況電流的對比，分析系統對電源輸出電流的檢測精度。本文取5#,10#,20#,25#四臺電源輸出通道的電流檢測結果，對其檢測誤差進行分析，其誤差值如圖9所示。

圖9 系統電流檢測誤差曲線

由圖9可知，管理系統所檢測輸出電流與實際加載電流的誤差值小于±0.02A，系統相對誤差小于0.5%，遠小于電源輸出超差閾值0.1 A，滿足對輸出超差故障檢測的需求。

針對輸出狀態故障檢測率、網絡狀態檢測率的驗證，采用人工設置故障的方法進行，通過手動調節程控電源前面板電流設定旋鈕，改變輸出電流，設置電源輸出狀態故障，手動插拔電源網絡線的法方式，設置電源網絡狀態故障，驗證電源管理系統對故障的檢測結果。本文分別重復執行輸出狀態故障設置和網絡狀態故障設置100次，系統均能夠對故障進行有效判讀與定位，檢測率為100%。在每次故障檢測的同時，對在線切換與切回功能也進行了驗證，驗證結果表明系統切換邏輯無差錯，且切換過程中無熱切換打火現象發生，能夠有效實現備用電源向故障電源的替代，切換時間小于2 s，滿足設計要求。

5 結論

本文通過對電源故障檢測技術及電源冗余切換技術的研究，設計并開發了電源健康管理系統，該系統實現了對30臺電源規模陣列的輸出狀態與網絡狀態的實時監測，并具有2臺電源向30臺在用電源的冗余備份功能，故障檢測檢測周期最小為3 s，備用電源切換時間小于2 s，提高了航天器熱試驗電源故障電源判定與定位的及時性，大大縮減了故障電源的更換時間，提高了航天器熱試驗的可靠性。