一种基于倍福控制器的点火控制系统设计

2018-01-25孟翔宇蔡惠华吴永红

宇航计测技术 2017年6期

关键词：限流调理端子

孟翔宇蔡惠华徐超吴永红姜祝

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引言

弹体发射试验是研制同型弹体必不可少的试验。其试验目的主要是考核弹体有关系统和弹射动力装置，但更主要的是进行弹道试验，获取在真实环境下，在真实发射平台上发射时，弹体的运动特性[1]。

点火控制系统作为弹体发射的指挥中枢，在整个发射过程中起着至关重要的作用，它不仅为弹体提供发射指令，同时还为监测弹体发射时工作状态的相关系统提供触发信号，因此点火控制系统就成为弹体发射试验的一个非常重要的环节。

2 主要功能

点火控制系统主要根据试验时序要求，为弹体提供点火信号和触发信号，其主要功能有以下几点：

1)远控计算机远程监测，控制前端设备的运行；

2)为点火装置提供点火信号；

3)为前端控制系统、测量系统提供触发信号；

4)为摄像系统提供触发信号。

3 工作原理

通过远控计算机对点火控制系统进行远程监测、操作和控制，控制系统对点火电路、电压调理隔离电路进行状态监测与控制，根据试验时序要求，为点火装置提供点火信号，通过触发输出电路为前端控制系统、测量系统、摄像系统提供触发信号并进行相应状态的监测和反馈。

4 方案设计

点火控制系统主要由以下几部分组成：控制系统、点火电路、电压调理隔离电路以及触发输出电路(含摄像触发)。点火控制系统总体方案框图如图1所示。

4.1 控制系统

控制系统为点火控制系统的核心部分，其主要完成系统的点火相关控制、触发信号控制、电压信号采集和相关的开关动作信号的监测。

控制系统结构示意图如图2所示。

4.1.1 控制器选择

通过需求分析，该套控制方案要求控制精度高，频率响应快，一般常用的控制器很难满足要求。通过对比分析，本套设备的控制器最终选用德国倍福公司生产的CX5020-0111控制器作为主控制器[2]，其实物如图3所示。该控制器是一款适合DIN导轨安装的紧凑型以太网控制器。所选用的软件为TwinCAT2编程软件，该软件可将CX5020系统转换为一个功能强大的PLC和运动控制系统，可以在有或没有可视化功能的情况下进行操作。

4.1.2 数字量扩展模块

作者贡献声明赵博文：参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；根据编辑部的修改意见进行修改。付晶：选题，设计，进行资料的分析和解释；撰写论文；修改论文的结果、结论。洪洁：资料的分析和解释。李莉、杨素红：选题，设计。李蕾：参与资料的分析和解释；根据编辑部的修改意见进行修改。周剑、王乐今、布娟、宿蕾艳、韩英军、方民、刘雯、张浩：参与病例资料收集

为了实现系统要求的各项功能，需选用与主控制器相配合的I/O模块，本系统选用EL2252模块、EL2008模块和EL1014模块。下面对这三种模块的性能指标做简要的介绍：

数字量输出端子模块EL2252以电隔离的形式将二进制控制信号传到处理层的执行器上，通过调用分辨率为1ns的时间戳，该端子模块的输出可被精确同步，该项技术能够精确定义整个系统的输出切换时间。EL2252为带时间戳的通道输出的模块，在本系统中主要用于有严格时序时间要求的功能电路的控制，包括点火开关、测量系统触发、控制系统触发和摄像系统触发的控制。

数字量输出端子模块EL2008以电隔离的信号形式将自动化控制层传输过来的二进制控制信号传到设备层的执行机构，EtherCAT端子可通过一个LED来显示状态。EL2008模块是具有输出功能的模块，在本系统中主要用于无严格时序时间要求的功能电路的控制，包括限流开关、保险开关和短路保护开关的限制。

数字量输入端子模块EL1014从过程级采集二进制控制信号，并以电隔离的形式将这些信号传输到上层的自动化单元，EtherCAT端子可通过一个LED来显示状态。EL1014模块是具有输入功能的模块，在本系统中主要用于相关反馈开关的检测，包括限流反馈开关、保险反馈开关、点火反馈开关、保护反馈开关、测量系统反馈开关、控制系统反馈开关和摄像系统反馈开关的检测。

4.1.3 模拟量扩展模块

A/D采集模块选择倍福的EL3062模块和EL3681模块。下面对这两种模块的性能指标做简要的分析介绍：

模拟量输入端子模块EL3062为双通道的A/D采集模块，其电压采集范围为(0～10)V，12位单端采集，精度可达到±0.3%FS，EtherCAT端子模块的输入通道以接地点作为基准电位，EtherCAT端子模块的信号状态通过LED来显示状态。EL3062模块可用来进行电压的采集，在本系统中主要用于对点火电源端电压的采集。

模拟量输入端子模块EL3681能够测量各种输入范围内的电流和电压，与高级数字万用表一样，其测量范围可自动切换。EL3681模块的电压采集量程共有4种可选，分别是：300mV、3V、30V和300V。它是18位的采集模块，采集精度在25℃时可达到±0.01%。EL3681模块可用来进行电压信号的采集，在本系统中主要用于分压电阻与火工品电阻总电压和分压电阻电压的采集，根据计算，在小电流检查通路状态的状态下，被测的电压值大约在30mV左右，因此，采用300mV档完全满足测试要求。

4.2 点火电路及工作原理

图4中，点火电路共分为7个部分：一级限流及监测电路、二级限流及监测电路、保险开关及监测电路、点火开关及监测电路、短路保护开关及监测电路、分压电阻与火工品电阻总电压调理隔离电路和分压电阻电压调理隔离电路。

4.2.1 两级限流及监测电路

点火电路中设计了两级限流及监测电路，包括一级限流及监测电路和二级限流及监测电路。如图4所示，在电路中选择了两个机械继电器，其常闭点连接到了监测电路上，常开点连接到了限流电阻上，只有当两级限流控制开关均打到常开点时，两个限流电阻均被短路，使点火通路中只有分压电阻和待点火火工品，从而满足点火条件，进行点火试验，并且双刀并联使用。从图中可以看出，在整个试验过程中，两个开关同时误闭合的概率很小，可以满足安全点火的要求。

4.2.2 保险开关及监测电路和短路保护开关及监测电路

当火工品与点火控制系统连接时，为了确保点火信号不误输出，点火控制系统在点火电源输出端设置了保险开关及监测电路。为了防止在点火过程中出现误操作导致火工品点爆，在点火电路中设置了短路保护开关及监测电路。所以在该点火电路中分别设计了保险开关及监测电路和短路保护开关及监测电路。由于二者无时序上的要求，所以均采用机械继电器的形式。其中保险开关和短路保护开关均利用了继电器的常开常闭点，并且双刀并联使用。

4.2.3 点火开关及监测电路

点火开关采用自行设计的场效应开关管电路，此电路的特点是导通电阻小，在mΩ级；导通时间很短，在uS级；可耐压100V以上，可通过电流80A。该电路采用模块化设计，如果发生故障问题，可以快速更换备板，不会影响到点火试验的进行。分压电阻放在点火开关的后面主要是为了保证点火开关能够充分的导通和截止。

在所有的开关监测电路中，均设计有远程监测功能和本地监测功能。其远程监测功能通过MOSFET继电器来实现。当被监测的开关闭合时，相应的MOSFET继电器处于导通或断开状态，此时倍福控制器的输入模块会监测到该状态，并将该状态传送到远程计算机，便于远程操作人员的监控和相应程序的执行。本地监测功能通过面板指示灯实现，当被监测的开关闭合时，相应的指示灯处于亮起或熄灭的状态，方便设备的调试和现场的联调试验。

4.2.4 分压电阻与火工品电阻总电压调理隔离电路和分压电阻电压调理隔离电路

为了对点火通路各状态功能进行检查，在点火电路的前后两端分别设有分压电阻与火工品电阻总电压调理隔离电路和分压电阻电压调理隔离电路。电压调理隔离电路[4]主要是用来进行相关电压的隔离调理，该电路主要分为调理电路和隔离电路。隔离电路主要是通过光耦LOC110配合相关外围电路进行实现，调理电路主要是通过运放AD627来实现，其可通过外置电阻的设置来调节放大倍数，从而满足实际的测试调理要求。两组调理隔离电路主要是用来将分压电阻与火工品电阻总电压和分压电阻电压端的电压进行隔离调理，调理隔离电路的输入电压范围为(0～40)mV,调理隔离后的输出电压为(0～5)V，再由倍福A/D采集模块EL3681进行电压采集，以确认点火电源输出是否正确。最后进行待点火火工品的阻值计算，从而确认火工品状态是否正常。