固體火箭發(fā)動機集成澆注實時監(jiān)控系統(tǒng)的研制

許 亮，侯守全，王利博

XU Liang,HOU Shou-quan,WANG Li-bo

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機械學(xué)院，呼和浩特 010051）

0 引言

固體火箭發(fā)動機是航天工程中重要的動力裝置，因其高效便捷和優(yōu)異的推重比，在武器系統(tǒng)、衛(wèi)星和飛船發(fā)射、姿態(tài)控制等方面得到廣泛應(yīng)用。固體火箭發(fā)動機裝藥由藥柱、絕熱層、包覆層、限燃層、自由脫粘層等組成。固體火箭發(fā)動機內(nèi)的推進劑是一種高含能材料，具有易燃易爆的特性，在一定的壓力和溫度下會發(fā)生燃爆。

固體火箭發(fā)動機澆注，是把混合合格的藥漿用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒驳綔?zhǔn)備好的燃燒室殼體中，待固化后制成符合設(shè)計要求的藥柱。過去采用人工借助輔助工具進行澆注，設(shè)備和方法單一，甚至一臺設(shè)備只能進行一發(fā)發(fā)動機的澆注，由于生產(chǎn)的數(shù)量大，人力、物力消耗也大。并且，容易產(chǎn)生振動摩擦，引發(fā)事故。

本文針對某企業(yè)固體火箭發(fā)動機的澆注，開發(fā)研制了一套能夠遠程實時監(jiān)控澆注的控制系統(tǒng)。操作人員可以在隔離的控制室內(nèi)實現(xiàn)對整個澆注過程的遠程實時監(jiān)控，從而確保了操作人員的生命和國家財產(chǎn)的安全。

1 集成澆注監(jiān)控系統(tǒng)的組成及其功能

集成澆注監(jiān)控系統(tǒng)由澆注裝置、計算機控制系統(tǒng)、監(jiān)測裝置、液壓控制系統(tǒng)組成。

1.1 澆注裝置

自動澆注裝置主體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)該型號固體火箭發(fā)動機的特點，當(dāng)發(fā)動機精確定位并固定后，將已經(jīng)混合好的藥漿通過一二級漏斗真空除氣后，澆注到發(fā)動機內(nèi)。發(fā)動機的藥量由發(fā)動機下的稱重傳感器控制，發(fā)動機底部的液壓升降裝置同時也是振動裝置，用于振動澆注。

自動澆注開始時，將已經(jīng)混合好的可澆注固體推進劑藥漿放入一次料斗中保溫，開啟一級二級料斗之間的閥門，藥漿通過閥門進入真空度符合要求的二次料斗中抽空。除氣結(jié)束后，開啟二級料斗下面的閥門，使已除氣的藥漿通過真空壓差壓入插管流入發(fā)動機內(nèi)。發(fā)動機藥量由發(fā)動機下面的承重傳感器控制，同時通過下料計時器計算瞬時的下料速度和平均下料速度，整個系統(tǒng)工作具有連續(xù)性。

若用插管澆注，當(dāng)將要澆注滿的時候，調(diào)節(jié)液壓升降機構(gòu)，使發(fā)動機下降，插管上移并離開發(fā)動機口，繼續(xù)澆注，直至澆注完畢。若直接滴藥澆注，則不需要。發(fā)動機下的液壓升降裝置不僅起到升降發(fā)動機的作用，而且在澆注過程中還起到振動的作用，使?jié)沧⒕鶆?。二次料斗中設(shè)有紅外液面檢測裝置，可以實時檢測推進劑藥面高度并隨時關(guān)閉閥門。澆注缸中花板上或其他位置裝有微型攝像頭，可以對澆注情況進行實時的觀察。

當(dāng)本裝置不工作的時候，活動平板下降到最低位置，整個裝置置于地坑內(nèi)，蓋上蓋板后與地面保持水平。

圖1 澆注裝置主體結(jié)構(gòu)布局圖

自動澆注裝置中的兩級料斗結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該裝置由料斗、澆注控制閥、液壓缸、隔爆電機等組成，一級料斗二級料斗之間，二級料斗下面都裝有澆注控制閥，用于控制藥漿的澆注速度、澆注量。整個裝置由下面的兩個升降缸控制其升降，兩邊各有兩個導(dǎo)柱，其導(dǎo)向作用。料斗裝置的水平轉(zhuǎn)移，是通過最下面的皮帶帶動，由隔爆電機提供動力，皮帶帶動整個裝置沿著下面兩個導(dǎo)軌做直線滑動，從而實現(xiàn)料斗裝置的轉(zhuǎn)移。

圖2 澆注裝置中兩級料斗結(jié)構(gòu)圖

1.2 計算機控制系統(tǒng)

按照澆注裝置在功能上的要求，同時為了滿足生產(chǎn)和管理方面的需要，本文所開發(fā)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)分散檢測、集中監(jiān)控管理的原則，設(shè)計出由遠程上位計算機進行集中管理、下位機PLC實現(xiàn)具體控制任務(wù)的高可靠性系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的工作原理，如圖3所示。

圖3 計算機控制系統(tǒng)工作原理圖

計算機控制系統(tǒng)以上位PC機和下位PLC為核心，采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)系統(tǒng)不同的控制要求進行調(diào)整，具有良好的可擴展性。上位PC機選用高性能工業(yè)控制計算機，在上位PC機上安裝世紀(jì)星組態(tài)軟件。下位PLC選用三菱FX3U-32MR PLC及一塊FXON-485-ADP模塊、一塊FX2N-4AD模塊、一塊FX2N-2DA模塊。上位PC機和PLC通信通過串行通信（RS-485）方式實現(xiàn)。

采用手動方式和自動方式，手動方式在調(diào)試使用。自動方式主要包括PLC邏輯控制、速度控制和位移控制。

1.2.1 PLC邏輯控制

PLC邏輯控制主要是對生產(chǎn)裝置的邏輯動作和工作流程進行控制。實現(xiàn)生產(chǎn)裝置各油缸按要求動作，依次進行提升、下降、振動，澆注漏斗到預(yù)定位置停止、復(fù)位等操作。

1.2.2 澆注量預(yù)置、速度和位移控制

由于藥漿對摩擦、沖擊等十分敏感，所以在澆注液壓缸連接處裝了一個承重傳感器，用來實時監(jiān)測澆注時藥量的變化，并在澆注平臺上安裝一個防爆編碼器，用來實時監(jiān)測澆注時位移和速度的變化。一旦藥量、速度和位移超出設(shè)定值時，系統(tǒng)將自動停止運行并報警，保證了系統(tǒng)安全，手動恢復(fù)后再次啟動系統(tǒng)。

由此可見，澆注監(jiān)控系統(tǒng)采用上、下位機結(jié)合的主從控制結(jié)構(gòu)，上位PC機選用高性能工業(yè)控制計算機，世紀(jì)星組態(tài)軟件安裝在上位PC機上。

1.3 檢測裝置

檢測裝置由稱重傳感器、防爆編碼器、兩個壓力變送器組成。它將壓力信號、位移信號、速度信號、油壓信號通過PLC的A/D模塊送入控制系統(tǒng)。所用傳感器的原理及應(yīng)用如下：

1）工作過程中，需要對澆注藥漿量進行檢測，由于藥漿對靜電和火花敏感。稱重傳感器選用了101BS稱重傳感器。該設(shè)備抗干擾能力強，精度等級高，適合沖擊場合及動態(tài)稱量，且不銹鋼焊封結(jié)構(gòu)，防護等級為IP68， 適于危險環(huán)境使用，防爆等級為（Ex ib Ⅱ CT4）級，完全能滿足使用需要。

2）位移和速度的檢測是進行動作判斷的依據(jù)，因此在控制系統(tǒng)中具有很重要的作用。位移的測量需要高精度、絕對位置測量的位移傳感器。設(shè)計中選用了德國Hengstler RI70-T4防爆編碼器，可供脈沖10000P/R。

3）在工作過程中，為了檢測主油路和負(fù)載油路，都安裝了壓力變送器。PLC可根據(jù)變送器傳回的電流信號，對液壓系統(tǒng)載荷的異常變化做出及時處理

1.4 液壓控制系統(tǒng)

針對本裝置澆注對象的易燃易爆性，要求升降油缸工作平穩(wěn)、反應(yīng)快，能快速的啟動制動，因此設(shè)計液壓系統(tǒng)部分如圖4所示，在液壓控制系統(tǒng)中分別采用比例溢流閥和比例調(diào)速閥。

圖4 液壓控制原理圖

此外，在料斗裝置的升降，以及澆注控制閥和加緊缸的控制中，采用了一些比例方向閥、隔爆方向閥等。

2 上位機的組態(tài)開發(fā)及功能實現(xiàn)

2.1 構(gòu)造實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是“世紀(jì)星”的核心和引擎，也是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。監(jiān)控系統(tǒng)運行時，工業(yè)現(xiàn)場的工作狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達工作現(xiàn)場，這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)的。在世紀(jì)星開發(fā)系統(tǒng)中“變量數(shù)據(jù)庫”對話框里定義變量，定義時要指定變量名和變量類型，有些還需要一些附加信息。

2.2 建立動畫連接

動畫連接就是在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量實時值改變時，在畫面上以圖像對象的動畫效果表示出來；或者由用戶通過圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值。

總之，上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以完美地實現(xiàn)如下功能：

1）控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動運行；

2）操作員可隨時根據(jù)現(xiàn)場情況進行手動操作；

3）報警顯示：系統(tǒng)實時監(jiān)測澆注速度、澆注量等變化，一旦超出設(shè)定值，系統(tǒng)將停止運行并報警，以保證人員安全；

4）實時/歷史趨勢顯示及報表打印。

3 下位機PLC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化傳送功能及PID控制的實現(xiàn)

圖5 模擬量處理流程圖

PLC作為系統(tǒng)的下位機除了接收上位計算機的控制指令，完成一定邏輯關(guān)系的開關(guān)量輸出外，還要完成模擬量的采集和數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)化。圖5是模擬量處理的流程圖。

3.1 三菱PLC實現(xiàn)對速度的PID控制

速度控制是機電一體化系統(tǒng)中較難控制的一個參數(shù)，為確保澆注安全，尤其注重澆注速度的平穩(wěn)性，故采用經(jīng)典控制理論中最典型的PID調(diào)節(jié)對其進行控制。

PID控制的微分方程為：

e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為PID調(diào)節(jié)的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量值，Kp稱為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，P(t)為PID調(diào)節(jié)的輸出信號。

使用PID指令，需要確定四個控制參數(shù)：采樣周期T、比例增益Kp，積分增益Ti及微分增益Td。這些控制參數(shù)可以使用自動調(diào)諧法求得，然后在實際應(yīng)用中不斷檢驗和修正，以期達到最佳的控制效果。

3.2 低速無爬行澆注速度和位移的控制

執(zhí)行元件運動速度很低時，要考慮設(shè)備運行的平穩(wěn)性和是否出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，低速爬行是一種不正常的運動狀態(tài)。推進劑藥漿是一種高含能材料，屬A1級易燃易爆危險品，其摩擦感度和沖擊感度高，具有燃燒和爆炸的危險性。當(dāng)出現(xiàn)爬行時，上述指標(biāo)極易超過藥漿的許用極限，導(dǎo)致發(fā)生燃爆事故。因此，對于爬行問題的研究顯得尤為重要。

圖6 直線軸承結(jié)構(gòu)圖

為了減小爬行帶來的危害，選用直線軸承與導(dǎo)柱配合。直線軸承的外套由高碳鉻軸承鋼制成，經(jīng)淬硬和精磨處理，可為軸承內(nèi)套和軸承箱提供安全可靠的裝配。滾珠在保持架上的回路運行，光滑的滾珠導(dǎo)向面可以有效的降低爬行，甚至消除爬行，直線軸承如圖6所示。

軟件方面以FX3U-32MR可編程控制器為核心,采用比例積分微分(PID)算法對模擬量進行閉環(huán)控制。作為一種非常簡便、有效的控制方法，PID控制長期以來一直被廣泛用于溫度、液位、壓力、速度等過程控制系統(tǒng)中。雖然在多年的實際應(yīng)用中，也出現(xiàn)了多種改進型的PID算法，但是常規(guī)的PID控制算法對大多數(shù)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足誤差精度要求，因此可以采用常規(guī)的PID控制算法來進行有效控制。

PID控制是比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)三種動作的合成作用，其作用是使被控制對象達到并保持于設(shè)定值(SV)，當(dāng)SV發(fā)生變化時，能使受控對象快速達到新的目標(biāo)值。采用三菱PLC施行PID控制指令能夠有效地對低速無爬行澆注過程中的速度進行控制。

3.3 上位機PC與下位機PLC的通信

上位機PC與下位機PLC的通信，如圖7所示。

圖7 上位機PC與下位機PLC的通信圖

4 系統(tǒng)的安全可靠性

在實際應(yīng)用中采取了相應(yīng)的安全和抗干擾措施，以確保具有很高的可靠性：

1）由于控制對象的特殊性，其所有的控制動作都要以是否安全作為前提，因此所有在危險工作區(qū)的電氣設(shè)備都具有安全防爆特性；

2）確保所有金屬導(dǎo)體可靠接地，以及時消散靜電積累；

3）數(shù)字元件與模擬元件分開供電。電磁閥等數(shù)字量元件應(yīng)采用開關(guān)電源供電，傳感器等模擬量元件應(yīng)采用線性電源供電，開關(guān)電源具有很高的輸出噪聲和波紋，若對模擬量元件供電將會產(chǎn)生很大干擾；

4）采用屏蔽電纜線傳輸模擬信號并遠離動力線。采用屏蔽線可有效避免輻射電磁干擾,由于動力線周圍具有較強的電磁輻射,信號線應(yīng)避免靠近動力線。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于PLC和組態(tài)軟件的固體火箭發(fā)動機集成澆注監(jiān)控系統(tǒng)，利用PLC抗干擾能力強、組網(wǎng)方便、適用于工業(yè)現(xiàn)場的特點，依靠組態(tài)軟件強大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力，實現(xiàn)了對澆注系統(tǒng)的實時監(jiān)測，確保了對澆注有關(guān)參數(shù)的有效閉環(huán)控制，滿足了項目的要求，有效地保障了工作人員的安全，顯著提高了工作效率和澆注質(zhì)量。

目前，整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成整體的設(shè)計。

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