節(jié)流圈性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高瑞

摘要：在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，節(jié)流圈的主要作用為調(diào)整系統(tǒng)各路中推進(jìn)劑的流量和壓力達(dá)到額定值，保證系統(tǒng)正常工作。根據(jù)流量特性檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)一套集硬件電路與工藝采集于一體的節(jié)流圈性能測(cè)控系統(tǒng)，利用PLC控制系統(tǒng)設(shè)備，通過(guò)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(cè)試試驗(yàn)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，得出驗(yàn)收合格率。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)采集精度滿足要求，能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)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(yàn)臺(tái)是研究火箭推力室節(jié)流圈產(chǎn)品流量合格率的試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模擬產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境，搭建機(jī)械工藝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電氣控制與測(cè)試采集系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電氣控制，并對(duì)各類傳感器完成信號(hào)采集[1]。圖1為節(jié)流圈試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)框圖。分三級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)控制及信號(hào)采集：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)為檢測(cè)單元4～20mA與1～5V信號(hào)傳遞;處理級(jí)和顯示級(jí)利用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

1.1 試驗(yàn)工況分析

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)時(shí)間相對(duì)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?xì)獍l(fā)生器和燃燒室等部件，其慣性較大，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[2]。此系統(tǒng)針對(duì)節(jié)流圈限制元件而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工藝圖如圖2所示，系統(tǒng)總共包含氣源供應(yīng)和水源供應(yīng)兩部分：氣源供應(yīng)分為主控制氣和驅(qū)動(dòng)氣源，主控制氣主要為氣路管道流通使用，最大壓力可達(dá)24MPa，驅(qū)動(dòng)氣源通過(guò)定壓減壓器調(diào)節(jié)至0.8MPa，為各類氣動(dòng)元件提供驅(qū)動(dòng)。水源部分主要為節(jié)流圈試驗(yàn)件提供水介質(zhì)，通過(guò)水泵為水箱注入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)水量，然后關(guān)閉水源注入環(huán)節(jié)水泵和閥門，并通過(guò)控制氣動(dòng)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(yàn)準(zhǔn)備。

1.2 系統(tǒng)需求分析及技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)上述試驗(yàn)臺(tái)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(duì)壓力的調(diào)節(jié)和控制由電子壓力控制器和氣動(dòng)減壓閥配合完成。實(shí)現(xiàn)節(jié)流圈產(chǎn)品性能測(cè)試，得出合格度驗(yàn)收結(jié)論。其中試件入、出口壓力傳感器及質(zhì)量流量計(jì)是試件液流特性的直接測(cè)量?jī)x器，對(duì)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性有較高的要求，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

節(jié)流圈試驗(yàn)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(cè)量精度0.5%FS，壓力范圍0～30MPa，2路，壓力范圍0～16MPa，2路，過(guò)濾精度不小于14μm;試件入口壓力傳感器0.075級(jí)/0～30MPa，試件出口壓力傳感器0.075級(jí)/0～30MPa;水箱液位變送器0.5級(jí)/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(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(guò)PLC DO模塊通過(guò)程序輸出24V信號(hào)接通中間繼電器線圈，使其常開觸點(diǎn)吸合，同時(shí)常開觸點(diǎn)通過(guò)硬接線連接開關(guān)電源輸出的24V信號(hào)，從而將氣控高壓球閥接通，實(shí)現(xiàn)電氣控制;電子壓力控制器ER5000總共有8個(gè)接線端子，分別是2個(gè)24V供電端子、2個(gè)傳感器反饋端子、2個(gè)壓力設(shè)定端子以及兩個(gè)485調(diào)試端子，其供電來(lái)自開關(guān)電源，反饋信號(hào)來(lái)自外部管路調(diào)節(jié)中壓力傳感器信號(hào)，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(hào)通過(guò)PLC AO模塊輸出4～20mA控制，對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)管路壓力的精準(zhǔn)控制。測(cè)試部分現(xiàn)場(chǎng)傳感器4～20mA或1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)硬接線傳輸至NI數(shù)據(jù)采集卡，一方面作為測(cè)試軟件顯示應(yīng)用，另一方面部分信號(hào)作為電控系統(tǒng)動(dòng)作與顯示使用，其通過(guò)OPC通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通過(guò)以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)控制，確保系統(tǒng)各部分正常穩(wěn)定運(yùn)行，為軟件調(diào)試提供良好的測(cè)試環(huán)境。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)流圈試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)需求，對(duì)PLC程序編寫和WINCC上位機(jī)繪制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制與結(jié)果顯示。

3.1 PLC組態(tài)與編程

針對(duì)控制系統(tǒng)的S7-300PLC進(jìn)行程序編寫時(shí)，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(duì)應(yīng)模塊型號(hào)放置到導(dǎo)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(jì)算機(jī)與PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。在PC Adapter軟件的安裝基礎(chǔ)上，通過(guò)MPI適配器將STEP7中的硬件組態(tài)下載到PLC。

節(jié)流圈測(cè)控系統(tǒng)數(shù)字量控制主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門的啟停和關(guān)聯(lián)控制，手動(dòng)模式下主要是閥門的獨(dú)立控制并帶有自鎖功能。模擬量部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集，同時(shí)利用采集信號(hào)輸入電子壓力控制器對(duì)應(yīng)端口，通過(guò)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(guò)模擬量輸入將參數(shù)寫入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。其模擬量分配如表1所示。

對(duì)于模擬量的采集與給定PLC軟件庫(kù)中有程序塊FC105、FC106，具有模擬量的采集和給定功能，對(duì)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(huì)增加程序的編寫復(fù)雜度，也會(huì)造成數(shù)據(jù)混亂的問(wèn)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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和給定信號(hào)具有接口預(yù)留，適用不同量程多類傳感器，調(diào)用方便，轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 WINCC界面設(shè)計(jì)

組態(tài)界面選擇西門子WINCC上位機(jī)設(shè)計(jì)，采用圖形化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用與STEP7軟件地址匹配，加以腳本編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門開啟和介質(zhì)管道輸送的動(dòng)態(tài)化顯示;對(duì)于ER5000的調(diào)節(jié)，主要是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境下PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，直至在上位機(jī)完成壓力按要求可安全設(shè)定，保證產(chǎn)品工況要求;同時(shí)通過(guò)與LabVIEW的OPC通訊收到檢測(cè)信號(hào)后完成手自動(dòng)切換功能，確保自動(dòng)模式下設(shè)備正常啟停切換以及部分設(shè)備可靠不動(dòng)作，另外程序編寫中包含保護(hù)子程序，將其與界面控件關(guān)聯(lián)，可觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，如有報(bào)警執(zhí)行保護(hù)程序，動(dòng)作相關(guān)閥門安全排氣。

3.3 OPC通信設(shè)計(jì)

測(cè)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(jìn)行操作，這一過(guò)程需要NI OPC Server軟件的支持。通訊中LabVIEW將需要下達(dá)的指令數(shù)據(jù)先發(fā)送到OPC服務(wù)器[5]，后通過(guò)以太網(wǎng)傳送到下位機(jī)（PLC），PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作;對(duì)于PLC需要上載的數(shù)據(jù)，則同樣是先上傳到OPC服務(wù)器，LabVIEW從OPC服務(wù)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(lái)，從而直觀地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 ?試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)運(yùn)行分為手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試兩部分。手動(dòng)測(cè)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(cè)試等環(huán)節(jié)。其中前段氣源供應(yīng)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(guò)對(duì)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(guò)WINCC上位機(jī)進(jìn)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(shí)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(cè)試流量計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格判斷合格情況。

試驗(yàn)自動(dòng)模式下，PLC接收到LabVIEW通過(guò)OPC傳輸?shù)降脑囼?yàn)狀態(tài)指示DB塊數(shù)據(jù)，分為等待狀態(tài)、試驗(yàn)狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)，根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置對(duì)應(yīng)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(shí)間為5s，滿足要求后錄入電子表格，累計(jì)采集三次，將流量計(jì)數(shù)據(jù)求取平均值后得出產(chǎn)品合格情況。

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

試驗(yàn)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(shí)，間隔五秒鐘采集三組壓力和對(duì)應(yīng)的流量顯示值，如有一組壓力不滿足范圍，則測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)效，重新調(diào)節(jié)采集數(shù)據(jù)。從表中可以看到對(duì)于Ⅰ類產(chǎn)品其入口壓力值均值為21.885MPa，測(cè)試精度0.047%，出口壓力值均值為7.912MPa，測(cè)試精度0.075%，流量均值為5.023g/s，測(cè)試精度0.077%，產(chǎn)品測(cè)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(cè)試精度0.038%，出口壓力值均值為7.896MPa，測(cè)試精度0.025%，流量均值為5.023g/s，測(cè)試精度0.077%，產(chǎn)品測(cè)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(cè)試精度0.019%，出口壓力值均值為7.903MPa，測(cè)試精度0.019%，流量均值為15.069g/s，測(cè)試精度0.216%，產(chǎn)品測(cè)試精度滿足要求，產(chǎn)品合格。

5 ?結(jié)論

試驗(yàn)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(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓氣體系統(tǒng)調(diào)壓的精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作方便安全。節(jié)流圈性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有效提高了試驗(yàn)精度和效率，適用于多種產(chǎn)品的性能檢測(cè)，拓寬了系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰?，提高了試?yàn)系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

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