基于LabVIEW的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制裝置設(shè)計(jì)

郭宇欣

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是空空導(dǎo)彈的重要分系統(tǒng)之一，它給導(dǎo)彈提供飛行動(dòng)力，以保證導(dǎo)彈獲得所需要的速度和射程。而發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制、生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果是決定研制工作能否轉(zhuǎn)階段、能否設(shè)計(jì)定型、能否交付客戶的重要依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程非常短暫，且不可逆，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作起著極為重要的作用，這就要求點(diǎn)火設(shè)備必須安全、快速、可靠、精準(zhǔn)。

本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備選用西門子S200 型PLC(可編程控制器)作為控制核心，圖形化語言Lab-VIEW 作為軟件開發(fā)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)四路點(diǎn)火電流按設(shè)定的時(shí)序輸出，點(diǎn)火電流2 ～20 A 連續(xù)可調(diào)，滿足不同型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火試驗(yàn)要求。

LabVIEW 是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，具有優(yōu)秀的人機(jī)交互界面和豐富的子程序供編程者直接調(diào)用。利用LabVIEW 開發(fā)軟件能提高設(shè)備運(yùn)行效率，提高設(shè)備的安全性、可靠性和精準(zhǔn)性。

1 點(diǎn)火控制裝置工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

點(diǎn)火控制裝置主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)火電流測(cè)試與控制、點(diǎn)火電阻測(cè)試、并為其他設(shè)備提供準(zhǔn)確可靠的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)通過RS232 串口與PLC 連接通訊。試驗(yàn)前將任務(wù)下達(dá)給PLC，由PLC 獨(dú)自完成點(diǎn)火試驗(yàn)的時(shí)序控制;由軟件程序控制研華多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行點(diǎn)火電流的實(shí)時(shí)采集顯示、接收分控儀的啟動(dòng)、復(fù)位等信號(hào)。多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出通道輸出控制信號(hào)，通過升壓電路調(diào)理生成邏輯信號(hào)并傳輸給分控儀;點(diǎn)火回路的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)光電隔離調(diào)制傳輸給分控儀。

該裝置共有四個(gè)各自獨(dú)立的點(diǎn)火回路，可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)點(diǎn)火方式進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)火方式有單個(gè)回路輸出點(diǎn)火電流、多個(gè)回路同時(shí)輸出點(diǎn)火電流和多個(gè)回路按時(shí)序輸出點(diǎn)火電流。每個(gè)點(diǎn)火回路均采用多種繼電器組合，由軟件控制繼電器按規(guī)定順序動(dòng)作，保證點(diǎn)火回路可靠接通。其中最后接通點(diǎn)火回路的繼電器采用固態(tài)繼電器，接通時(shí)間小于0.1 ms，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電流的快速輸出。每個(gè)點(diǎn)火回路中串入一個(gè)隔離電流傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火電流數(shù)值的高速采集。點(diǎn)火回路電阻阻值由電爆管測(cè)試儀測(cè)出。

1.2 硬件組成

整個(gè)設(shè)備由測(cè)控計(jì)算機(jī)、PLC 控制模塊、點(diǎn)火輸出控制模塊及電源模塊四個(gè)模塊組成。設(shè)備硬件組成如圖1 所示。

圖1 硬件組成圖

測(cè)控計(jì)算機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、點(diǎn)火參數(shù)設(shè)置及顯示、點(diǎn)火電流的調(diào)節(jié)、顯示和儲(chǔ)存、電流傳感器的校準(zhǔn)等功能。PLC 控制模塊接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的點(diǎn)火任務(wù)，由控制臺(tái)按鈕啟動(dòng)，完成設(shè)定的點(diǎn)火動(dòng)作。點(diǎn)火輸出模塊由多個(gè)繼電器和電流傳感器組成，確保點(diǎn)火過程的安全有效并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電流數(shù)值的快速采集。電源模塊主要由多個(gè)點(diǎn)火電源和輔助電源組成，滿足四個(gè)點(diǎn)火回路的電流輸出和其他部件的供電需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)

點(diǎn)火控制程序采用LabVIEW8.6 作為軟件開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是Lab-VIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它把復(fù)雜、繁瑣的語言編程簡(jiǎn)化為功能圖形的選擇，然后用線條把功能圖連接起來即可完成編程工作。該語言直接面向測(cè)試工程師，編程方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并提供了許多子程序供編程者直接調(diào)用。利用Lab-VIEW 編程語言，可以在很短時(shí)間里設(shè)計(jì)、構(gòu)建和修改自己的程序，無需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)代碼編寫。

2.2 軟件運(yùn)行流程

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)完成點(diǎn)火電流的調(diào)節(jié)、對(duì)點(diǎn)火時(shí)序及其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、點(diǎn)火電流輸出記錄和數(shù)據(jù)回放四個(gè)步驟。程序設(shè)計(jì)主要考慮了上述順序:

(1)對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行自檢。檢查工控機(jī)與PLC、多功能數(shù)據(jù)采集卡的通訊是否正常。如異常，需人工檢查通訊連接;

(2)根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)點(diǎn)火電流進(jìn)行調(diào)節(jié);

(3)分別完成點(diǎn)火時(shí)序設(shè)置和對(duì)外控制信號(hào)輸出時(shí)序的設(shè)置;

(4)將各參數(shù)整合打包寫入PLC 中。

點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)閉合點(diǎn)火按鈕，程序按設(shè)定時(shí)序工作，閉合點(diǎn)火回路繼電器，輸出點(diǎn)火電流并保存電流數(shù)據(jù)。軟件運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 軟件運(yùn)行流程圖

2.3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括主程序、標(biāo)定程序和曲線顯示程序等子程序的設(shè)計(jì)。

2.3.1 主程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件運(yùn)行流程，主程序完成人機(jī)交互功能。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、電流調(diào)節(jié)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及其他功能模塊調(diào)用等操作。因此，主程序界面設(shè)計(jì)多個(gè)功能區(qū)域:數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中點(diǎn)火電流波形的實(shí)時(shí)顯示;倒計(jì)時(shí)及操作狀態(tài)指示區(qū)，分別顯示點(diǎn)火倒計(jì)時(shí)、操作按鈕工作狀態(tài)以及點(diǎn)火電流設(shè)置值;試驗(yàn)流程參數(shù)設(shè)置區(qū)，可根據(jù)試驗(yàn)需要，完成多個(gè)點(diǎn)火電源的時(shí)序設(shè)置，并可將設(shè)置好的參數(shù)保存為設(shè)置文件，方便同類試驗(yàn)的調(diào)用;分控儀工作時(shí)序設(shè)置區(qū)，用于完成其他設(shè)備控制信號(hào)的時(shí)序設(shè)置;功能控制區(qū)，系統(tǒng)自檢按鈕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢模塊的調(diào)用，完成工控機(jī)與多功能數(shù)據(jù)采集卡、PLC 通訊的檢查。電流調(diào)節(jié)按鈕實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)模塊的調(diào)用，用于對(duì)點(diǎn)火電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其滿足試驗(yàn)要求。點(diǎn)擊點(diǎn)火開始按鈕后，程序?qū)⒃O(shè)置好的參數(shù)裝載入PLC 的相關(guān)寄存器中。主程序界面如圖3 所示。

圖3 主程序界面

考慮到各型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火試驗(yàn)要求不同，程序?qū)υ囼?yàn)流程參數(shù)模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。既能實(shí)現(xiàn)單個(gè)電源輸出點(diǎn)火電流，也能實(shí)現(xiàn)多個(gè)電源并行輸出點(diǎn)火電流，或者按設(shè)定時(shí)序串行輸出點(diǎn)火電流。為了達(dá)到這一功能，該模塊采用了while 循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)、事件順序結(jié)構(gòu)和定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套使用。以點(diǎn)火電源為列，各點(diǎn)火電源的工作時(shí)間為行，生成二維數(shù)組，并在數(shù)組的首尾分別添加點(diǎn)火倒計(jì)時(shí)時(shí)間和試驗(yàn)終止時(shí)間，形成流程表格數(shù)組并對(duì)該數(shù)組進(jìn)行VI 服務(wù)器應(yīng)用;在定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)中調(diào)用VI 服務(wù)器應(yīng)用，讀取流程表格數(shù)組中的相關(guān)數(shù)據(jù)，寫入PLC 指令數(shù)組中。通過VISA 寫入功能模塊將PLC 指令數(shù)組寫入到PLC 的緩存內(nèi)。VI 服務(wù)器引用就如C+ +中的指針，直接指向所用數(shù)據(jù)，避免了使用局部變量對(duì)整個(gè)數(shù)組進(jìn)行拷貝，減少了程序內(nèi)存的使用，提高了運(yùn)行效率。試驗(yàn)流程參數(shù)模塊程序框如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)流程參數(shù)模塊程序框圖

2.3.2 標(biāo)定程序的設(shè)計(jì)

標(biāo)定程序的作用是對(duì)點(diǎn)火回路的電流傳感器進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入文本文件。選擇需要標(biāo)定的點(diǎn)火回路，并設(shè)定電流的標(biāo)定值，通過調(diào)節(jié)旋鈕控制電流輸出大小，記錄電流傳感器采集的電流數(shù)值，完成傳感器正反行程的數(shù)據(jù)采集，并以最小二乘方法計(jì)算得出擬合曲線方程以及線性度、靈敏度、滯后性等各項(xiàng)靜態(tài)特性，保存擬合結(jié)果。標(biāo)定程序面板如圖5 所示。

2.3.3 曲線顯示程序設(shè)計(jì)

圖5 標(biāo)定程序界面

曲線顯示程序用于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放查看、濾波處理、標(biāo)尺縮放、曲線選擇等。該程序由一個(gè)事件結(jié)構(gòu)完成各功能的調(diào)用，通過前面板的按鈕，觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)的各個(gè)子程序，來查看和處理點(diǎn)火數(shù)據(jù)文件。在程序中，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)成LabVIEW 專有的TDMS 數(shù)據(jù)流格式，TDMS 文件將動(dòng)態(tài)信號(hào)存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件，并為每一路信號(hào)添加了若干附加信息屬性，便于程序查詢和分類。曲線顯示程序前面板如圖6 所示。

圖6 曲線顯示前面板

3 結(jié) 論

該裝置使用的是“PC +PLC”控制模式，它以PLC 為核心控制器，實(shí)現(xiàn)了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的精確控制。運(yùn)用LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái)，完成了控制程序的編寫。既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又充分使用了Lab-VIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與良好的可視化界面。目前該裝置已成功運(yùn)用于多個(gè)型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了單路點(diǎn)火、多路并行點(diǎn)火和多路串行點(diǎn)火功能。操作簡(jiǎn)單，安全可靠。

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