一種安全起爆裝置故障模擬裝置的設(shè)計(jì)

楊曉平， 周濤， 孔曉剛， 藺躍龍

（中國(guó)航天科工集團(tuán)六院四十一所，呼和浩特010010）

0 引言

安全起爆裝置（以下簡(jiǎn)稱安全裝置）是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其可靠性關(guān)系到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射成敗，其性能（電性能、動(dòng)作檢查和故障檢測(cè)）能否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能要求，需要經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試。在安全裝置設(shè)計(jì)過程中，是通過保險(xiǎn)開關(guān)和工作開關(guān)來反映其實(shí)際所處的狀態(tài)。由安全起爆裝置單元測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱單元測(cè)試儀）來完成其電性能（包括電機(jī)及開關(guān)電阻、電機(jī)及開關(guān)絕緣電阻和動(dòng)作電壓）測(cè)試、進(jìn)行安全起爆裝置故障識(shí)別（短路、斷路及不絕緣故障）和進(jìn)行安全起爆裝置動(dòng)作測(cè)試的功能［1］。目前，在單元測(cè)試儀研制完成后，其電性能測(cè)試功能的可靠性檢測(cè)由具備計(jì)量檢定資格的計(jì)量部門完成，而其對(duì)安全起爆裝置的動(dòng)作測(cè)試功能和故障測(cè)試功能的考核采用例試件來完成。例試件在經(jīng)過大量試驗(yàn)后易損壞，對(duì)例試件的修復(fù)及更換易導(dǎo)致試驗(yàn)成本較高，且對(duì)單元測(cè)試儀進(jìn)行故障檢測(cè)功能考核時(shí)，例試件無(wú)法提供特定的故障狀態(tài)，需要人為制造故障，影響了生產(chǎn)效率和測(cè)試可靠性。因此有必要研制一種能對(duì)安全起爆裝置各種故障狀態(tài)進(jìn)行模擬，與例試件具有等效負(fù)載的一種成本相對(duì)較低，方便故障測(cè)試且可靠性高的裝置，來考核單元測(cè)試儀的動(dòng)作測(cè)試和故障測(cè)試功能，并能提高單元測(cè)試儀的生產(chǎn)效率和測(cè)試可靠性。

1 單元測(cè)試軟件故障識(shí)別分析

單元測(cè)試儀軟件識(shí)別的故障類別大體分為機(jī)構(gòu)狀態(tài)開關(guān)故障和對(duì)殼絕緣故障。

單元測(cè)試儀在進(jìn)行對(duì)安全裝置進(jìn)行動(dòng)作測(cè)試以及進(jìn)行電機(jī)電阻、工作開關(guān)接觸電阻和保險(xiǎn)開關(guān)接觸電阻的測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行保險(xiǎn)和工作開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，此時(shí)需要先判別機(jī)構(gòu)狀態(tài)是否正常，如正常則進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換及電阻測(cè)試；如出現(xiàn)故障，則單元測(cè)試儀軟件判別故障類別，人機(jī)界面顯示故障信息。因此安全裝置故障模擬裝置需要模擬機(jī)構(gòu)狀態(tài)開關(guān)故障。安全裝置的狀態(tài)由保險(xiǎn)開關(guān)（R）和工作開關(guān)（G）的閉合斷開的狀態(tài)加以指示，將R、G分別表示為二進(jìn)制碼“0”和“1”，“1”代表閉合，“0”代表斷開，來反映安全裝置在動(dòng)作轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的各種故障。

在單元測(cè)試儀對(duì)安全裝置進(jìn)行綜合測(cè)試時(shí)，需要先對(duì)安全裝置的電機(jī)、工作開關(guān)、保險(xiǎn)開關(guān)對(duì)殼絕緣狀態(tài)進(jìn)行判別，然后再進(jìn)行絕緣性能進(jìn)行測(cè)試，如有絕緣故障，則單元測(cè)試儀軟件進(jìn)行故障判別，人機(jī)界面顯示絕緣故障信息，如無(wú)故障則進(jìn)行絕緣性能測(cè)試。因此安全裝置故障模擬裝置需要模擬對(duì)殼絕緣故障狀態(tài)。對(duì)殼絕緣故障主要是機(jī)構(gòu)電機(jī)與殼、工作開關(guān)與殼、保險(xiǎn)開關(guān)與殼之間的絕緣狀態(tài)。2 安全裝置故障模擬裝置的設(shè)計(jì)

2.1 故障模擬裝置設(shè)計(jì)的基本原理

故障模擬裝置設(shè)計(jì)的基本原理描述如下：

1）驅(qū)動(dòng)信號(hào)識(shí)別。驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括對(duì)電機(jī)（MR+、MR-）的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際的安全裝置正是在此驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換的，其故障行為包括兩個(gè)內(nèi)容：一是安全裝置未收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如導(dǎo)線的斷接等故障；二是未按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而是在轉(zhuǎn)換過程瞬間出現(xiàn)故障。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，在特定瞬間產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的某一故障，是完成安全裝置故障模擬裝置設(shè)計(jì)的基本方案。

2）狀態(tài)信息碼的設(shè)定。如前所述，R、G狀態(tài)分別由二進(jìn)制碼“0”、“1”表示，“1”代表閉合，“0”代表斷開，單元測(cè)試儀在完成動(dòng)作檢查功能識(shí)別任務(wù)時(shí)，需發(fā)送轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)信號(hào)給安全裝置，與此同時(shí)需對(duì)安全裝置的狀態(tài)信息進(jìn)行識(shí)別，以判斷安全裝置在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程是否出現(xiàn)故障，因此故障模擬裝置可以模擬安全裝置工作開關(guān)和保險(xiǎn)開關(guān)的狀態(tài)，其故障設(shè)置的機(jī)制就是將設(shè)定好的狀態(tài)信息碼提供給單元測(cè)試儀，成為其故障識(shí)別的依據(jù)。

3）絕緣故障狀態(tài)設(shè)定。單元測(cè)試儀在對(duì)安全裝置進(jìn)行綜合測(cè)試（絕緣性能測(cè)試）時(shí)，需要先對(duì)電機(jī)、工作開關(guān)和保險(xiǎn)開關(guān)與殼的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以判斷安全裝置的絕緣性能是否出現(xiàn)故障，因此故障模擬裝置設(shè)置絕緣故障的機(jī)制就是把電機(jī)、工作開關(guān)和保險(xiǎn)開關(guān)與殼的通路狀態(tài)提供給單元測(cè)試儀。

4）無(wú)故障連續(xù)動(dòng)作及其他。為配合單元測(cè)試儀多次動(dòng)作檢查功能，故障模擬裝置設(shè)計(jì)了與例試件相同的接口和等效的負(fù)載，正常情況下動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作反饋與例試件相同。支持連續(xù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，無(wú)故障連續(xù)動(dòng)作可以檢查單元測(cè)試儀本身，作為單元測(cè)試儀自檢的一部分，有利于定位故障，且故障設(shè)置和無(wú)故障設(shè)置可隨意切換，增加操作靈活性。

2.2 故障模擬裝置的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 故障模擬裝置硬件結(jié)構(gòu)原理圖

安全裝置故障模擬裝置以PLC作為控制核心，利用PLC內(nèi)部的軟邏輯繼電器模擬安全裝置的觸點(diǎn)，外圍控制繼電器選用直流固態(tài)繼電器，并選用與安全裝置相同的接口，使用與安全裝置相同型號(hào)的直流電機(jī)作為負(fù)載，電機(jī)的到位檢測(cè)使用光敏二極管配合硬件斷電實(shí)現(xiàn)，利用觸摸屏作為人機(jī)交互界面。

2.3 故障模擬裝置的軟件設(shè)計(jì)

故障模擬裝置軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 故障模擬裝置軟件結(jié)構(gòu)原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)安全故障模擬裝置的調(diào)試以及與某型號(hào)單元測(cè)試儀的配合測(cè)試，故障模擬裝置可以完全響應(yīng)單元測(cè)試儀發(fā)出的動(dòng)作測(cè)試指令，具有與安全起爆裝置相同的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作反饋，并能全面模擬單元測(cè)試儀能夠檢測(cè)的安全裝置的各類故障，達(dá)到了預(yù)期目的，為檢驗(yàn)測(cè)試儀的測(cè)試功能提供了依據(jù)，從而為進(jìn)一步確保安全裝置的可靠性提供了依據(jù)。同時(shí)可以作為測(cè)試儀自檢的一部分，有利于區(qū)分是安全裝置的故障還是測(cè)試儀本身的故障，便于故障的快速定位。故障模擬裝置的使用將極大地方便單元測(cè)試儀故障測(cè)試，提高單元測(cè)試儀產(chǎn)品測(cè)試可靠性和批生產(chǎn)效率、降低試驗(yàn)成本、減少生產(chǎn)測(cè)試人員工作量，保證單元測(cè)試儀交付產(chǎn)品的質(zhì)量。