節(jié)流圈性能測試系統(tǒng)設(shè)計與應用

高瑞

摘要：在液體火箭發(fā)動機中，節(jié)流圈的主要作用為調(diào)整系統(tǒng)各路中推進劑的流量和壓力達到額定值，保證系統(tǒng)正常工作。根據(jù)流量特性檢測需求，設(shè)計一套集硬件電路與工藝采集于一體的節(jié)流圈性能測控系統(tǒng)，利用PLC控制系統(tǒng)設(shè)備，通過PID調(diào)節(jié)電子壓力控制器壓力設(shè)定值控制系統(tǒng)管路壓力，并利用LabVIEW共享變量與PLC完成數(shù)據(jù)交互，測試試驗工況下不同類型節(jié)流圈產(chǎn)品的流量數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品應用標準要求，得出驗收合格率。試驗表明，系統(tǒng)采集精度滿足要求，能精準實現(xiàn)產(chǎn)品測試功能。

關(guān)鍵詞：節(jié)流圈;電子壓力控制器;共享變量

1 ?系統(tǒng)組成及需求分析

節(jié)流圈試驗臺是研究火箭推力室節(jié)流圈產(chǎn)品流量合格率的試驗平臺，通過模擬產(chǎn)品現(xiàn)場工況環(huán)境，搭建機械工藝結(jié)構(gòu)，設(shè)計電氣控制與測試采集系統(tǒng)，對現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)電氣控制，并對各類傳感器完成信號采集[1]。圖1為節(jié)流圈試驗臺測控系統(tǒng)框圖。分三級結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)控制及信號采集：現(xiàn)場級為檢測單元4～20mA與1～5V信號傳遞;處理級和顯示級利用以太網(wǎng)進行通信。

1.1 試驗工況分析

液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)部件按照其功能基本可以分為兩類：第一類是工質(zhì)傳遞、控制部件，主要包括氣液管路、節(jié)流圈、閥門和噴嘴之類的部件，其慣性小，響應時間相對較短;第二類是包含能量轉(zhuǎn)換的部件，主要包括氫氧渦輪泵、燃氣發(fā)生器和燃燒室等部件，其慣性較大，響應時間相對較長[2]。此系統(tǒng)針對節(jié)流圈限制元件而設(shè)計，系統(tǒng)工藝圖如圖2所示，系統(tǒng)總共包含氣源供應和水源供應兩部分：氣源供應分為主控制氣和驅(qū)動氣源，主控制氣主要為氣路管道流通使用，最大壓力可達24MPa，驅(qū)動氣源通過定壓減壓器調(diào)節(jié)至0.8MPa，為各類氣動元件提供驅(qū)動。水源部分主要為節(jié)流圈試驗件提供水介質(zhì)，通過水泵為水箱注入試驗標準水量，然后關(guān)閉水源注入環(huán)節(jié)水泵和閥門，并通過控制氣動高壓球閥、調(diào)節(jié)電子壓力控制器調(diào)節(jié)主閥開度控制水壓為節(jié)流圈做試驗準備。

1.2 系統(tǒng)需求分析及技術(shù)指標

通過上述試驗臺系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)出入口電子壓力控制器[3]參數(shù)，控制出入口壓力的精確控制，系統(tǒng)對壓力的調(diào)節(jié)和控制由電子壓力控制器和氣動減壓閥配合完成。實現(xiàn)節(jié)流圈產(chǎn)品性能測試，得出合格度驗收結(jié)論。其中試件入、出口壓力傳感器及質(zhì)量流量計是試件液流特性的直接測量儀器，對準確度、穩(wěn)定性有較高的要求，其主要技術(shù)指標如下：

節(jié)流圈試驗系統(tǒng)氣路壓力范圍：0～1.0MPa，2路;0～30MPa，2路;液路系統(tǒng)流量范圍3～30g/s，測量精度0.5%FS，壓力范圍0～30MPa，2路，壓力范圍0～16MPa，2路，過濾精度不小于14μm;試件入口壓力傳感器0.075級/0～30MPa，試件出口壓力傳感器0.075級/0～30MPa;水箱液位變送器0.5級/0～30kPa·PN35，水箱溫度變送器0～50℃·±2℃·PN35。

2 ?系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3所示，控制部分主要為氣控閥門與ER5000提供，氣控閥門通過PLC DO模塊通過程序輸出24V信號接通中間繼電器線圈，使其常開觸點吸合，同時常開觸點通過硬接線連接開關(guān)電源輸出的24V信號，從而將氣控高壓球閥接通，實現(xiàn)電氣控制;電子壓力控制器ER5000總共有8個接線端子，分別是2個24V供電端子、2個傳感器反饋端子、2個壓力設(shè)定端子以及兩個485調(diào)試端子，其供電來自開關(guān)電源，反饋信號來自外部管路調(diào)節(jié)中壓力傳感器信號，接線方式為兩線制構(gòu)成閉合回路，作為減壓器內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)比較值，給定信號通過PLC AO模塊輸出4～20mA控制，對應調(diào)節(jié)主閥的壓力量程，利用程序轉(zhuǎn)化和PID參數(shù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對管路壓力的精準控制。測試部分現(xiàn)場傳感器4～20mA或1～5V標準信號通過硬接線傳輸至NI數(shù)據(jù)采集卡，一方面作為測試軟件顯示應用，另一方面部分信號作為電控系統(tǒng)動作與顯示使用，其通過OPC通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通過以上設(shè)計實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的互聯(lián)控制，確保系統(tǒng)各部分正常穩(wěn)定運行，為軟件調(diào)試提供良好的測試環(huán)境。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)節(jié)流圈試驗臺系統(tǒng)需求，對PLC程序編寫和WINCC上位機繪制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制與結(jié)果顯示。

3.1 PLC組態(tài)與編程

針對控制系統(tǒng)的S7-300PLC進行程序編寫時，首先需要完成硬件組態(tài)[4]，在PLC組態(tài)中設(shè)置，根據(jù)硬件排列順序，在組態(tài)中依次選擇對應模塊型號放置到導軌上，在CPU中新建MPI子網(wǎng)，傳輸率為187.5Kbps。在CP343模塊中新建子網(wǎng)Ethernet，輸入MAC地址，設(shè)置IP地址，使計算機與PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。在PC Adapter軟件的安裝基礎(chǔ)上，通過MPI適配器將STEP7中的硬件組態(tài)下載到PLC。

節(jié)流圈測控系統(tǒng)數(shù)字量控制主要針對現(xiàn)場閥門的啟停和關(guān)聯(lián)控制，手動模式下主要是閥門的獨立控制并帶有自鎖功能。模擬量部分主要實現(xiàn)對現(xiàn)場信號采集，同時利用采集信號輸入電子壓力控制器對應端口，通過RS485通訊完成PID參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)至系統(tǒng)壓力穩(wěn)定精確后通過模擬量輸入將參數(shù)寫入設(shè)備，實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。其模擬量分配如表1所示。

對于模擬量的采集與給定PLC軟件庫中有程序塊FC105、FC106，具有模擬量的采集和給定功能，對于小系統(tǒng)可以方便轉(zhuǎn)換使用，但是多類傳感器不同量程的系統(tǒng)直接適用會增加程序的編寫復雜度，也會造成數(shù)據(jù)混亂的問題。因此根據(jù)采集模塊工作原理編輯公式：

以上公式編輯對于現(xiàn)場信號的采集和給定信號具有接口預留，適用不同量程多類傳感器，調(diào)用方便，轉(zhuǎn)化準確的優(yōu)點。

3.2 WINCC界面設(shè)計

組態(tài)界面選擇西門子WINCC上位機設(shè)計，采用圖形化界面實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程監(jiān)控，利用與STEP7軟件地址匹配，加以腳本編寫，實現(xiàn)對閥門開啟和介質(zhì)管道輸送的動態(tài)化顯示;對于ER5000的調(diào)節(jié)，主要是靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境下PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，直至在上位機完成壓力按要求可安全設(shè)定，保證產(chǎn)品工況要求;同時通過與LabVIEW的OPC通訊收到檢測信號后完成手自動切換功能，確保自動模式下設(shè)備正常啟停切換以及部分設(shè)備可靠不動作，另外程序編寫中包含保護子程序，將其與界面控件關(guān)聯(lián)，可觀察現(xiàn)場情況，如有報警執(zhí)行保護程序，動作相關(guān)閥門安全排氣。

3.3 OPC通信設(shè)計

測試和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換利用LabVIFW與STEP7兩款軟件之間進行操作，這一過程需要NI OPC Server軟件的支持。通訊中LabVIEW將需要下達的指令數(shù)據(jù)先發(fā)送到OPC服務器[5]，后通過以太網(wǎng)傳送到下位機（PLC），PLC對數(shù)據(jù)進行處理后輸出驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行動作;對于PLC需要上載的數(shù)據(jù)，則同樣是先上傳到OPC服務器，LabVIEW從OPC服務器中讀取這些數(shù)據(jù)，并在前面板的相關(guān)元件中顯示出來，從而直觀地反映現(xiàn)場實時狀態(tài)。

4 ?試驗測試

試驗運行分為手動測試和自動測試兩部分。手動測試流程圖如圖5所示，主要包括加水、增壓、入口調(diào)壓保持、出口調(diào)壓保持、流量測試等環(huán)節(jié)。其中前段氣源供應壓力為24MPa左右，然后調(diào)節(jié)入口電子壓力控制器，利用TESCOM軟件搭配485通訊線設(shè)置PID參數(shù)，通過對低、中、高各檔壓力給定后看壓力曲線輸出跟隨，調(diào)節(jié)誤差在±0.1MPa，滿足要求后將參數(shù)寫入電子壓力控制器中，通過WINCC上位機進行入口壓力設(shè)置，將入口壓力設(shè)置為21.9MPa，然后打開水路閥門YV2和YV3，同時以上述方式調(diào)節(jié)出口ER5000參數(shù)并寫入其中，使出口壓力控制在7.9MPa，測試流量計數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格判斷合格情況。

試驗自動模式下，PLC接收到LabVIEW通過OPC傳輸?shù)降脑囼灎顟B(tài)指示DB塊數(shù)據(jù)，分為等待狀態(tài)、試驗狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)，根據(jù)試驗狀態(tài)設(shè)置對應的入口和出口壓力值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始采集數(shù)據(jù)，要求入口壓力范圍在21.8～22.0MPa，出口壓力范圍在7.8～8.0MPa，單次采樣間隔時間為5s，滿足要求后錄入電子表格，累計采集三次，將流量計數(shù)據(jù)求取平均值后得出產(chǎn)品合格情況。

試驗期間入口和出口工況要求相同，將節(jié)流圈產(chǎn)品放入預留管路，但是測試產(chǎn)品不同規(guī)格具有不同的測試數(shù)據(jù)和判別標準，本文選擇三類產(chǎn)品中三組數(shù)據(jù)和判別要求作為說明如表2所示。

試驗數(shù)據(jù)顯示，在入口壓力和出口壓力設(shè)置工況下，系統(tǒng)在入口和出口壓力在范圍內(nèi)時，間隔五秒鐘采集三組壓力和對應的流量顯示值，如有一組壓力不滿足范圍，則測試數(shù)據(jù)無效，重新調(diào)節(jié)采集數(shù)據(jù)。從表中可以看到對于Ⅰ類產(chǎn)品其入口壓力值均值為21.885MPa，測試精度0.047%，出口壓力值均值為7.912MPa，測試精度0.075%，流量均值為5.023g/s，測試精度0.077%，產(chǎn)品測試精度滿足要求，產(chǎn)品合格;Ⅱ類產(chǎn)品其入口壓力值均值為21.888MPa，測試精度0.038%，出口壓力值均值為7.896MPa，測試精度0.025%，流量均值為5.023g/s，測試精度0.077%，產(chǎn)品測試精度滿足要求，產(chǎn)品合格;Ⅲ類產(chǎn)品其入口壓力值均值為21.906MPa，測試精度0.019%，出口壓力值均值為7.903MPa，測試精度0.019%，流量均值為15.069g/s，測試精度0.216%，產(chǎn)品測試精度滿足要求，產(chǎn)品合格。

5 ?結(jié)論

試驗系統(tǒng)電子壓力控制部分具有工作可靠性高、穩(wěn)定性好、安裝靈活、可遠程控制等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高壓氣體系統(tǒng)調(diào)壓的精準控制，系統(tǒng)人機界面友好，操作方便安全。節(jié)流圈性能測試系統(tǒng)的設(shè)計與應用有效提高了試驗精度和效率，適用于多種產(chǎn)品的性能檢測，拓寬了系統(tǒng)試驗能力，提高了試驗系統(tǒng)自動化水平。

參考文獻：

[1]李艷軍.新一代大推力液體火箭發(fā)動機故障檢測與診斷關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2014.

[2]史永剛.發(fā)動機某型號節(jié)流圈的切削加工[J].火箭推進， 2006，32（6）：48-51.

[3]姬西峰，李海，劉婷.電子壓力控制系統(tǒng)在擠壓式試驗系統(tǒng)中的應用[J].火箭推進，2012（04）：78-82.

[4]王健.西門子PLC S7-300在循環(huán)水監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]. 聚氯乙烯，2010，38（4）：30-32.

[5]臧其亮.基于OPC的S7-300與LabVIEW通訊實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2015（10）：199-201.