高精度点火控制系统的设计及应用

本文介绍了自行研制的便携式高精度点火自动控制系统的设计方案。文章就该系统的软硬件设计分别进行论述。硬件上从PLC控制器开发、通讯形式及控制系统等方面进行了详细的论述；在软件方面，介绍了系统上位机软件设计思想，阐述了各主要模块的功能。

【关键词】发动机地面试验 PLC 点火控制系统 设计及应用

点火控制系统是固体火箭发动机地面试验的关键控制设备。其点火的安全性和可靠性是决定地面试验成败的关键。同时控制器的精度影响试验结果的可靠性。尤其是级间分离试验要求在试验中多次点火，方便搬运、组装等，为满足级间分离试验的特点和安全性要求，设计了便携式级间分离试验点火自动控制系统。该系统采用了先进的PLC控制技术，主要由控制程序和点火控制器组成， 它们之间通信通过RS232接口实现。系统实现了发动机远程安全可靠点火，保障了试验的顺利进行。

1 系统功能及技术要求

1.1 点火控制

提供试验要求的点火电流，8路输出100V 50ADC；控制通道在常态下保持断开状态。

1.2 紧急关机

在发动机点火前，出现异常情况时，能够快速断开点火通道并使控制程序停止。

1.3 警报控制

发动机点火前，发出警报警示。

1.4 牵动控制

为采集系统提供时序牵动信号。牵动通道：16路（TTL、开关和电平信号）。

1.5 计时显示功能

显示试验点火过程计时。设置范围：倒计时999秒和正计时999秒（误差：≤5ms）。

2 系统硬件设计

控制系统功能模块：PLC控制模块、点火控制模块、牵动控制模块和计时显示模块。

控制台包括计算机、PLC 控制器、大功率管、大功率继电器、点火控制系统电源、牵动系统电源、电流传感器、LED显示屏等。

系统通过计算机控制PLC控制器，得到倒数计时指令后，PLC控制器自动计数，控制小功率继电器和时间显示器，再由小功率继电器控制大功率开关管和大功率继电器，实现点火控制。由小功率继电器和直流稳压电源共同实现牵动控制。紧急关机时，切断大功率继电器的供电电源，使点火回路断开，并通过数字I/O口反馈到PLC控制器。如图1。

2.1 PLC控制器

选用的PLC控制器是一款继电器输出及隔离数字量输入的小型单机PLC，包括256个计数器、两个16位1ms定时器、1个双字毫秒定时器、4k的寄存器空间，提供16路光隔离开关量输入，16路继电器输出。该PLC可靠性高， 不需要驱动，直接安装开发软件“V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6”，通过PPI线缆将编写的程序直接从计算机下载到PLC，就可以实现对PLC的控制。

但是，由于PLC的16位1ms定时器远不能满足试验最大动作时间范围要求，设计中采用PLC自带的计数器配合定时器，实现毫秒定时器定时范围的扩展。为提高控制效率和精度，设计中采用双字方式，PLC接收到启动按钮的输入信号后开始发出1秒和1毫秒的脉冲方波。

2.2 小继电器控制系统

由于PLC控制器自带的继电器没有完全隔离，无法满足试验要求，因此，必须单独开发小继电器控制系统，该系统有31个通道，实现8路点火通道和23路牵动通道的控制，每个通道均可精确到1毫秒。

2.3 大继电器控制系统

由于试验点火需要很大的瞬间电流，对系统的可靠性要求非常高，系统的响应速率及稳定性也是非常重要的。本设计选用JQX-64M继电器，最大电流80A，耐压500V，根据实际情况设计了专用的保护电路。

2.4 点火控制箱

点火控制箱不仅可以实现点火控制，还可以实现报警、紧急关机、点火确认等功能。

2.5 LED显示屏

LED显示屏作为点火控制的重要部件，不仅能动态显示点火、牵动试验的时间进度，更要求具有高可靠性，因此设计上采用光隔离模块，不仅有效提高电路抗干扰能力，而且使LED灯的亮度可以进行硬件调节。

3 系统软件设计

3.1 概述

软件采用Labwindows/CVI8.5开发CVI8.5是NI公司最新发布的可基于Microsoft Windows、Windows NT、以及Linux下的RAD和强大数据库开发工具。

3.2 功能模块

点火控制程序主要包括以下模块：登录模块、项目管理模块、监测模块和点火电流测量模块。

3.2.1 登录模块

用于进行相关功能选择，主要功能包括“项目管理”、“点火电流测试”、“参数设置”等用于进行相关功能选择。

3.2.2 项目管理模块

点火、牵动通道信息，并把信息发送到PLC中，保证PLC中的数据准确无误。

结构体设计解决了点火、牵动通道信息收集的问题，并为传递信息做好了准备。

3.2.3 监测模块

当通道信息发送完毕，软件进入监测界面后，上位软件只会被动接收来自PLC控制器反馈的通道状态信息，包括启动、紧急关机、复位、试验开始、试验结束及通道状态信息。

3.2.4 点火电流测量模块

由于不同型号发动机的点火器的不同，要求在试验前必须进行点火电流的测试，保证点火回路处于工作状态，在通过电压调节得到合适的点火电流，以保证发动机可靠点火。

4 结束语

该点火控制系统充分利用了计算机、PLC和现场总线的新技术，系统功能强大， 可实现远程点火控制、危险状态下紧急关机、试验前警报控制、为采集系统提供时序牵动控制、并显示试验点火过程计时，系统运行可靠、性能稳定、操作简便、能够满足固体火箭发动机地面试验对点火控制系统的要求。

参考文献

[1]程周.电气控制与PLC原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.

[2]孙晓云.基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]宋伯生.PLC编程使用指南[M].北京：机械工业出版社，2009.

作者简介

夏虹（1964-）黑龙江省哈尔滨市人。大学专科学历。现供职于西安航天动力测控技术研究所一室。研究方向为计算机测控及应用。

王忠颐（1972-）陕西省人。大学本科学历。现供职于西安航天动力测控技术研究所一室。研究方向为计算机测控及应用。

刘洁（1964-）山西省人。大学专科学历。现供职于西安航天动力测控技术研究所质量处。研究方向为质量管理。

作者单位

西安航天动力测控技术研究所 陕西省西安市 710025