节流圈性能测试系统设计与应用

高瑞

摘要：在液体火箭发动机中，节流圈的主要作用为调整系统各路中推进剂的流量和压力达到额定值，保证系统正常工作。根据流量特性检测需求，设计一套集硬件电路与工艺采集于一体的节流圈性能测控系统，利用PLC控制系统设备，通过PID调节电子压力控制器压力设定值控制系统管路压力，并利用LabVIEW共享变量与PLC完成数据交互，测试试验工况下不同类型节流圈产品的流量数据，根据产品应用标准要求，得出验收合格率。试验表明，系统采集精度满足要求，能精准实现产品测试功能。

关键词：节流圈;电子压力控制器;共享变量

1  系统组成及需求分析

节流圈试验台是研究火箭推力室节流圈产品流量合格率的试验平台，通过模拟产品现场工况环境，搭建机械工艺结构，设计电气控制与测试采集系统，对现场设备实现电气控制，并对各类传感器完成信号采集[1]。图1为节流圈试验台测控系统框图。分三级结构进行系统控制及信号采集：现场级为检测单元4～20mA与1～5V信号传递;处理级和显示级利用以太网进行通信。

1.1 试验工况分析

液体火箭发动机系统部件按照其功能基本可以分为两类：第一类是工质传递、控制部件，主要包括气液管路、节流圈、阀门和喷嘴之类的部件，其惯性小，响应时间相对较短;第二类是包含能量转换的部件，主要包括氢氧涡轮泵、燃气发生器和燃烧室等部件，其惯性较大，响应时间相对较长[2]。此系统针对节流圈限制元件而设计，系统工艺图如图2所示，系统总共包含气源供应和水源供应两部分：气源供应分为主控制气和驱动气源，主控制气主要为气路管道流通使用，最大压力可达24MPa，驱动气源通过定压减压器调节至0.8MPa，为各类气动元件提供驱动。水源部分主要为节流圈试验件提供水介质，通过水泵为水箱注入试验标准水量，然后关闭水源注入环节水泵和阀门，并通过控制气动高压球阀、调节电子压力控制器调节主阀开度控制水压为节流圈做试验准备。

1.2 系统需求分析及技术指标

通过上述试验台系统，利用调节出入口电子压力控制器[3]参数，控制出入口压力的精确控制，系统对压力的调节和控制由电子压力控制器和气动减压阀配合完成。实现节流圈产品性能测试，得出合格度验收结论。其中试件入、出口压力传感器及质量流量计是试件液流特性的直接测量仪器，对准确度、稳定性有较高的要求，其主要技术指标如下：

节流圈试验系统气路压力范围：0～1.0MPa，2路;0～30MPa，2路;液路系统流量范围3～30g/s，测量精度0.5%FS，压力范围0～30MPa，2路，压力范围0～16MPa，2路，过滤精度不小于14μm;试件入口压力传感器0.075级/0～30MPa，试件出口压力传感器0.075级/0～30MPa;水箱液位变送器0.5级/0～30kPa·PN35，水箱温度变送器0～50℃·±2℃·PN35。

2  系统硬件电路设计

系统硬件设计如图3所示，控制部分主要为气控阀门与ER5000提供，气控阀门通过PLC DO模块通过程序输出24V信号接通中间继电器线圈，使其常开触点吸合，同时常开触点通过硬接线连接开关电源输出的24V信号，从而将气控高压球阀接通，实现电气控制;电子压力控制器ER5000总共有8个接线端子，分别是2个24V供电端子、2个传感器反馈端子、2个压力设定端子以及两个485调试端子，其供电来自开关电源，反馈信号来自外部管路调节中压力传感器信号，接线方式为两线制构成闭合回路，作为减压器内部闭环调节比较值，给定信号通过PLC AO模块输出4～20mA控制，对应调节主阀的压力量程，利用程序转化和PID参数调节，实现对管路压力的精准控制。测试部分现场传感器4～20mA或1～5V标准信号通过硬接線传输至NI数据采集卡，一方面作为测试软件显示应用，另一方面部分信号作为电控系统动作与显示使用，其通过OPC通讯实现数据的交互。通过以上设计实现对现场设备的互联控制，确保系统各部分正常稳定运行，为软件调试提供良好的测试环境。

3  系统软件设计

根据节流圈试验台系统需求，对PLC程序编写和WINCC上位机绘制，实现对系统的控制与结果显示。

3.1 PLC组态与编程

针对控制系统的S7-300PLC进行程序编写时，首先需要完成硬件组态[4]，在PLC组态中设置，根据硬件排列顺序，在组态中依次选择对应模块型号放置到导轨上，在CPU中新建MPI子网，传输率为187.5Kbps。在CP343模块中新建子网Ethernet，输入MAC地址，设置IP地址，使计算机与PLC在同一网段内。在PC Adapter软件的安装基础上，通过MPI适配器将STEP7中的硬件组态下载到PLC。

节流圈测控系统数字量控制主要针对现场阀门的启停和关联控制，手动模式下主要是阀门的独立控制并带有自锁功能。模拟量部分主要实现对现场信号采集，同时利用采集信号输入电子压力控制器对应端口，通过RS485通讯完成PID参数调节，调节至系统压力稳定精确后通过模拟量输入将参数写入设备，实现自主调节。其模拟量分配如表1所示。

对于模拟量的采集与给定PLC软件库中有程序块FC105、FC106，具有模拟量的采集和给定功能，对于小系统可以方便转换使用，但是多类传感器不同量程的系统直接适用会增加程序的编写复杂度，也会造成数据混乱的问题。因此根据采集模块工作原理编辑公式：

以上公式编辑对于现场信号的采集和给定信号具有接口预留，适用不同量程多类传感器，调用方便，转化准确的优点。

3.2 WINCC界面设计

组态界面选择西门子WINCC上位机设计，采用图形化界面实现对现场设备的远程监控，利用与STEP7软件地址匹配，加以脚本编写，实现对阀门开启和介质管道输送的动态化显示;对于ER5000的调节，主要是静态和动态环境下PID参数的调节，直至在上位机完成压力按要求可安全设定，保证产品工况要求;同时通过与LabVIEW的OPC通讯收到检测信号后完成手自动切换功能，确保自动模式下设备正常启停切换以及部分设备可靠不动作，另外程序编写中包含保护子程序，将其与界面控件关联，可观察现场情况，如有报警执行保护程序，动作相关阀门安全排气。

3.3 OPC通信设计

测试和控制系统的数据交换利用LabVIFW与STEP7两款软件之间进行操作，这一过程需要NI OPC Server软件的支持。通讯中LabVIEW将需要下达的指令数据先发送到OPC服务器[5]，后通过以太网传送到下位机（PLC），PLC对数据进行处理后输出驱动机构执行动作;对于PLC需要上载的数据，则同样是先上传到OPC服务器，LabVIEW从OPC服务器中读取这些数据，并在前面板的相关元件中显示出来，从而直观地反映现场实时状态。

4  试验测试

试验运行分为手动测试和自动测试两部分。手动测试流程图如图5所示，主要包括加水、增压、入口调压保持、出口调压保持、流量测试等环节。其中前段气源供应压力为24MPa左右，然后调节入口电子压力控制器，利用TESCOM软件搭配485通讯线设置PID参数，通过对低、中、高各档压力给定后看压力曲线输出跟随，调节误差在±0.1MPa，满足要求后将参数写入电子压力控制器中，通过WINCC上位机进行入口压力设置，将入口压力设置为21.9MPa，然后打开水路阀门YV2和YV3，同时以上述方式调节出口ER5000参数并写入其中，使出口压力控制在7.9MPa，测试流量计数据，根据产品规格判断合格情况。

试验自动模式下，PLC接收到LabVIEW通过OPC传输到的试验状态指示DB块数据，分为等待状态、试验状态、结束状态，根据试验状态设置对应的入口和出口压力值，待系统稳定后，开始采集数据，要求入口压力范围在21.8～22.0MPa，出口压力范围在7.8～8.0MPa，单次采样间隔時间为5s，满足要求后录入电子表格，累计采集三次，将流量计数据求取平均值后得出产品合格情况。

试验期间入口和出口工况要求相同，将节流圈产品放入预留管路，但是测试产品不同规格具有不同的测试数据和判别标准，本文选择三类产品中三组数据和判别要求作为说明如表2所示。

试验数据显示，在入口压力和出口压力设置工况下，系统在入口和出口压力在范围内时，间隔五秒钟采集三组压力和对应的流量显示值，如有一组压力不满足范围，则测试数据无效，重新调节采集数据。从表中可以看到对于Ⅰ类产品其入口压力值均值为21.885MPa，测试精度0.047%，出口压力值均值为7.912MPa，测试精度0.075%，流量均值为5.023g/s，测试精度0.077%，产品测试精度满足要求，产品合格;Ⅱ类产品其入口压力值均值为21.888MPa，测试精度0.038%，出口压力值均值为7.896MPa，测试精度0.025%，流量均值为5.023g/s，测试精度0.077%，产品测试精度满足要求，产品合格;Ⅲ类产品其入口压力值均值为21.906MPa，测试精度0.019%，出口压力值均值为7.903MPa，测试精度0.019%，流量均值为15.069g/s，测试精度0.216%，产品测试精度满足要求，产品合格。

5  结论

试验系统电子压力控制部分具有工作可靠性高、稳定性好、安装灵活、可远程控制等优点，可以实现高压气体系统调压的精准控制，系统人机界面友好，操作方便安全。节流圈性能测试系统的设计与应用有效提高了试验精度和效率，适用于多种产品的性能检测，拓宽了系统试验能力，提高了试验系统自动化水平。

参考文献：

[1]李艳军.新一代大推力液体火箭发动机故障检测与诊断关键技术研究[D].2014.

[2]史永刚.发动机某型号节流圈的切削加工[J].火箭推进， 2006，32（6）：48-51.

[3]姬西峰，李海，刘婷.电子压力控制系统在挤压式试验系统中的应用[J].火箭推进，2012（04）：78-82.

[4]王健.西门子PLC S7-300在循环水监控系统中的应用[J]. 聚氯乙烯，2010，38（4）：30-32.

[5]臧其亮.基于OPC的S7-300与LabVIEW通讯实现[J].自动化与仪器仪表，2015（10）：199-201.