２０１５年第４期 导弹与航天运载技术 ＭＩＳＳＩＬＥＳ ＡＮＤ ＳＰＡＣＥ ＶＥＨＩＣＬＥＳ Ｎｏ．４ ２０１５ Ｓｕｍ Ｎｏ．３４０ 总第３４０期 文章编号：１００４—７１８２（２０１５）０４－００５８—０４ ＤＯＩ：１０．７６５４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—７１８２．２０１５０４１５ 计算机控制技术在推进剂加注系统中的应用 郝龙，徐光，李蕾，张成 （北京航天试验技术研究所，北京，１０００７４） 摘要：利用计算机控制技术和接口技术，设计推进剂加注流程自动控制系统。控制系统硬件基于控制计算机和ＰＬＣ，通 过工业以太网进行通讯。软件采用模块化编程、冗余设计，控制计算机软件由基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的ＦａｍｅＶｉｅｗ软件编写； ＰＬＣ程序在Ｓｔｅｐ ７ Ｖ５．５平台下开发。整个系统安全、可靠、自动化程度高、集成度高、操作简便。 关键词：推进剂加注；自动控制；ＰＬＣ；ＦａｍｅＶｉｅｗ 中图分类号：Ｖ５５４＋．４ 文献标识码：Ａ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ Ｌｏａｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｈａｏ Ｌｏｎｇ，Ｘｕ Ｇｕａｎｇ，Ｌｉ Ｌｅｉ，Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００７４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｎｔａ ｌｏａｄｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ＰＬＣ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｄｏｐｔｓ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｂｙ ＦａｍｅＶｉｅｗ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＯＳ．Ｔｈｅ ｓｏｔｔｗａｒｅ ｏｆ ＰＬＣ ｉｓ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｂｙ Ｓｔｅｐ ７ Ｖ５．５．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓａｆｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｅａｓｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｐｅｌｌｎｔａ ｌｏａｄｉｎｇ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＬＣ；ＦａｍｅＶｉｅｗ ０ 引 言 运载器、航天器发射前，需要进行推进剂加注。 现阶段中国采用的推进剂多数具有高毒、高危险特征， 为了防止加注过程中推进剂泄漏，推进剂加注设备要 求具有很高的可靠性和安全性。另外，在双贮箱卫星 加注过程中，对加注重量和两个贮箱推进剂重量的平 衡有很高的要求，要求加注设备具有较高的精度。之 前的加注系统多以手工操作为主，执行器件的开关、 数据读取和条件判断均有专业人员通过点击面板按钮 或转动阀门来操作，需要的操作人员多，数据记录和 条件判断实时性差，也很难保证精度。 止。系统还可通过手动控制面板上的“手动／自动”切 换开关进行自动与手动的切换。当需要手动操作时， 可通过此开关，把系统由自动控制切换到手动控制。 １系统组成和功能 本系统由系统软件、远端控制计算机、面板控制 计算机、ＰＬＣ、手动控制面板、硬件电路、执行器件、 传感器等组成，系统原理如图１所示 ｊ。 系统由两台控制计算机组成，互为备份，实现冗 余控制，增加系统可靠性。加注时，远端控制计算机 作为主机，操作人员在此计算机上通过控制软件控制 加注过程，监控加注状态；面板控制计算机作为备用 机，只能通过控制软件对加注过程进行监控，不能操 作。 本系统利用计算机控制技术和接口技术，设计推 进剂加注流程自动控制系统。系统参数实时采集，并 显示在计算机界面上；在计算机控制软件上进行参数 设置完成后，点击软件界面中的相应按钮开始对应流 程的自动运行，当流程结束条件达到时，自动停止流 程。当出现紧急情况时，可通过软件上的“终止流程” 按钮或手动控制面板上的“急停”开关对流程强行终 收稿日期：２０１４．０８—２１：修回日期：２０１４．０９—２３ 作者简介：郝龙（１９８５一），男，工程师，主要研究方向为机械电子工程 ＰＬＣ为系统的重要控制部件，与下载到ＰＬＣ的程 序配合，实现传感器数据的实时采集、存储，并对数 据进行计算处理，最后输出控制信号，通过驱动电路 驱动执行器件工作。 第４期 郝龙等计算机控制技术在推进剂加注系统中的应用 ５９ 图１系统原理 计算机控制系统与ＰＬＣ系统通过工业以太网连 接，实现数据的双向传输。控制计算机通过以太网从 ＰＬＣ获得传感器数据、系统状态等参数；ＰＬＣ通过以 太网接收控制计算机发来的控制指令和设置参数。 手动控制面板及其电路构成系统的手动操作系 统，通过面板上的按钮，实现对执行器件的控制；手 动操作系统与自动控制系统实现操作上的冗余控制。 ２硬件设计 系统硬件设计主要有ＰＬＣ选型、硬件电路设计等。 ２．１ ＰＬＣ选型 本系统选用西门子Ｓ７．３００系列ＰＬＣ，Ｓ７—３００系列 具有高可靠性、安全性、扩展功能强大等特点。具体 模块包括：电源模块、ＣＰＵ模块、通讯模块、模拟输 入模块ＡＩ、数字输入模块ＤＩ和数字输出模块ＤＯ【２Ｊ。 系统使用两个梅特勒．托利多电子秤，其表头输出 接口为ＤＰ协议接口，因此ＣＰＵ模块需具有ＤＰ接口， 可以组态电子秤表头作为ＤＰ从站；为了实现高精度控 制，ＣＰＵ模块需要更高的指令处理速度；另外还需要 强大的网络扩展功能。考虑以上因素，选择ＣＰＵ ３１５—２ ＤＰ作为系统ＣＰＵ模块。 工业以太网传输速度快，抗干扰能力强。本系统 设计中，ＰＬＣ与２台控制计算机采用以太网连接，通 讯模块选择ＣＰ ３４３—１，该模块自带２个以太网接口， 满足系统要求，无需额外增加网络交换机，提高系统 集成度。 Ｉ／Ｏ模块主要根据系统的输入、输出点数来选择， 系统模拟量和数字量的输入、输出点数及型号选择见 表１。 最后，根据功耗选择ＰＬＣ电源模块。本系统中ＰＬＣ 电源模块负责给ＰＬＣ模块、传感器、集液发信器和集 液发信器信号灯供电，电压均为２４ Ｖ。其中，每个模 块所需电流均为１００ ｍＡ以下；８个传感器中每个传感 器所需电流为２０ ｍＡ以下，两个集液发信器及信号灯 所需电流为２Ａ以下。估算总电流小于３Ａ，考虑余量， 选择ＰＳ ３０７ ５Ａ作为ＰＬＣ电源模块。 表１ Ｉ／Ｏ模块选型 序号 变量类型 点数 选型 ｌ 模拟量输入 ８ ＳＭ３３１ＡＩ８Ｘ１２ｂｉｔ（１个） ２ 数字量输入 ６ ＳＭ ３２１ ＤＩ１６×ＡＣ１２０／２３０Ｖ（１个） ３ 数字量输出 １０ ＳＭ ３２２ ＤＯ１６×Ｒｅ１．ＡＣ１２０／２３０Ｖ（１个） ２．２硬件电路设计 硬件电路包括供电电路、驱动电路、手动／自动控 制及急停控制电路。 供电电路包括交流和直流供电两部分。系统进电 选用２２０ Ｖ交流市电，交流供电电路负责给系统中的 ２２０ Ｖ交流部件供电，并设计有断路器和按钮两级开 关、电源指示灯。 直流供电电路主要为２个直流稳压电源，负责把 ２２０Ｖ交流电转化为２４Ｖ直流和３０Ｖ直流，分别为系 统电磁阀和自锁阀供电。直流供电同样设计有断路器 和按钮两级开关及电源指示灯。 驱动电路主要由继电器构成，负责直接控制、驱 动电磁阀、自锁阀、真空泵、指示灯等。每个继电器 的线圈输入均由ＤＯ模块输出和按钮开关电路并联控 制（见图２），以此实现操作上的自动／手动冗余操作。 图２继电器输入接线示意 手动／自动控制电路实现系统手动／自动切换的互 锁控制，避免自动控制和手动控制混在一起：急停电 路实现对执行机构的立即停止。电路接线示意见图３， 图３中Ｋ８为手动／自动切换开关，Ｋ９为急停开关。 继电器输 图３ 自动／手动及急停控制接线示意 ａ）自动／手动切换开关操作。 Ｋ８串联在继电器输入的开关控制电路上，同时其 状态通过ＰＬＣ的ＤＩ模块输入ＰＬＣ的ＣＰＵ。当Ｋ８闭 导弹与航天运载技术 ２０１５亟 合时，可以通过面板开关手动控制执行器件，ＤＩ模块 的Ｋ８输入点为１，ＰＬＣ程序在此状态下禁止ＤＯ输出， 系统运行在手动状态；当Ｋ８断开时，面板开关电路开 路，因此无法控制执行器件，ＤＩ模块的Ｋ８输入点为０， ＰＬＣ程序正常运行，系统运行在自动状态。 ｂ）急停开关操作。 Ｋ９串联在继电器的输出触点前，为常闭按钮，当 其闭合时，执行器件由继电器控制，系统正常运行； 当Ｋ９断开时，执行器件电路为开路，不管是手动控制 还是自动控制，执行器件均停止工作，系统急停。 ３软件设计 本系统软件包括ＰＬＣ程序和计算机控制软件。 ＰＬＣ程序主要负责数据采集、数据处理、流程控制； 计算机控制软件为人机操作界面，可以对ＰＬＣ发来的 数据进行显示、存储，同时向ＰＬＣ发送控制命令。ＰＬＣ 程序和计算机控制软件关系如图４所示。 控制命令 参数数据 图４ ＰＬＣ程序与计算机控制软件关系 ３．１ ＰＬＣ程序设计 ＰＬＣ程序在Ｓｔｅｐ７ Ｖ５．５平台下开发，采用模块化 编程，便于功能扩展和程序移植。程序包括７个模块： 数据采集模块、主程序模块、自检模块、抽真空模块、 转注模块、单贮箱加注模块和双贮箱加注模块。在每 个ＰＬＣ扫描周期内，程序执行流程如图５所示。经Ｓｔｅｐ７ 模拟仿真，本系统ＰＬＣ程序扫描周期小于５０ ｍｓ，数 据采集周期小于５０ ｍｓ，操作响应时间小于５０ ｍｓ。 图５ ＰＬＣ程序流程 数据采集模块和主程序模块在每个扫描周期内均 执行。数据采集模块用来读取ＰＬＣ的输入映像区，然 后把数据经转换后暂存。主程序模块用来处理计算机 控制系统发来的命令和参数，然后调用对应流程模块。 其余５个模块并不是在每个扫描周期内执行，而 是由主程序模块来判断调用哪个模块。自检模块、抽 真空模块、转注模块、单贮箱加注模块和双贮箱加注 模块分别对应推进剂加注的５个流程。当模块被调用 时，程序对采集到的数据和计算机控制系统发来的设 置参数进行处理，根据各个流程的自动控制算法，决 定每个输出点的状态，最后将输出控制写入ＰＬＣ的输 出映像区，当扫描周期执行到“刷新输出”时，ＤＯ模 块输出控制信号控制执行器件工作。由于扫描周期小 于５０ ｍｓ，则系统对输出控制的响应时间小于５０ ｍｓ。 当程序需要输出改变时，将在５０ ＩＴＩＳ内作用于执行器 件，系统的操作精度相比手动操作有很大提高。 ＰＬＣ系统接收计算机系统发来的控制命令和参数 设置，发送数据和系统状态给控制计算机不需要编写 额外的程序来实现。每个ＰＬＣ扫描周期中，在执行用 户程序前，系统会自动调用ＰＬＣ的通讯处理程序，由 通讯处理程序实现ＰＬＣ数据的接收和发送任务。 ３．２计算机控制软件设计 计算机控制软件在ＦａｍｅＶｉｅｗ组态控制软件平台 下开发，设计内容主要包括通讯设计、界面设计、逻 辑控制设计和数据库设计等。 通讯设计包括控制软件与ＰＬＣ程序通讯设计、主 机控制软件与备用机控制软件通讯设计。控制软件与 ＰＬＣ程序通讯设计底层使用ＦａｍｅＶｉｅｗ软件的Ｓ７ＴＣＰ 驱动，开发层面上需要两步：ａ）编写软件设备数据表， 设置好连接参数；ｂ）新建变量，在数据类型、地址和 转化关系上与ＰＬＣ程序对应起来。软件运行时，Ｓ７ＴＣＰ 驱动以毫秒级别定时对建立连接的变量进行通讯。主 机与备用机通讯设计使用ＦａｍｅＶｉｅｗ软件的双机冗余 驱动实现。 界面设计包括系统流程图设计、动画设计、参数 显示设计、操作按钮设计等。 逻辑设计主要包括软件框架设计、流程控制设计。 软件框架包括：参数设置模块、抽真空模块、转注模 块、加注模块、自检模块、数据操作模块；流程控制 设计包括：启动流程、暂停流程和终止流程。 数据库设计实现的功能有：加注过程数据的实时 存储、读取数据库和输出流程Ｅｘｃｅｌ报表。数据库采用 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＳＱＬ ２００５数据库，利用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 第４期 郝龙等计算机控制技术在推进剂加注系统中的应用 ６１ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｏ管理工具设计数据库报表。这样设 计可以进行大容量、长时间的数据存储，同时便于数 用于某推进剂加注车上，此加注车为单组元卫星进行 加注。表２为加注流程试验数据。 表２加注试验数据 设定 据管理。控制软件与数据库连接通过编写ＶＢＳｃｒｉｐｔ脚 本函数实现 引，Ｅｘｃｅｌ报表输出功能也通过编写 ＶＢＳｃｒｉｐｔ脚本函数实现。数据库设计结构如图６所示。 记录 电子秤读数 实际 图６数据库设计结构 ４系统可靠性、安全性设计 本系统从软件和硬件出发进行可靠性和安全性设 计，具体有以下几个方面： ａ）控制计算机系统采用冗余设计，两台控制计算 机一个为主机，一个为备用机。当主机出现意外情况 时，备用机在３～５ Ｓ内自动转换成主机，并可实现之前 主机的全部功能。 ｂ）数据采集、核心数据处理和核心流程控制程序 均由ＰＬＣ程序实现，ＰＬＣ只需在流程开始时接收控制 计算机的命令。当在流程执行过程中，计算机控制系 统出现问题或通讯失败时，流程的控制仍可以由ＰＬＣ 程序保证正确实现，直至流程结束，由技术人员对出 现的问题进行排查。 ｃ）整个系统操作可以通过硬件开关，选择自动控 制和手动控制两种操作模式，实现操作上的冗余设计。 当自动控制出现问题时，可以通过硬件开关切换到手 动控制，继续进行加注操作。 ｄ）系统软件和硬件上均设计了急停功能，当系统 出现紧急情况时，可以通过软件上的“终止流程”按 钮或控制柜面板上的急停按钮来终止加注流程。 ５试验及结论 本系统对各个功能模块进行了大量的试验，并应 序号 加注量／ｋｇ 时间点 （高精度／校核）／ｋｇ 加注量／ｋｇ 加注开始 ７７．５０／１４３．８ ０ ｌ ２．Ｏ０ 贮箱加满 ６６．６５／Ｉ３３．Ｏ ｌ０．８５ 加注结束 ７５．５０／１４１．８ ２．０ｏ 加注开始 ７３．６０／１４０．０ Ｏ ２ ４．０Ｏ 贮箱加满 ６６．６５／１３３．０ ６．９５ 加注结束 ６９．６／１３６．Ｏ ４．００ 表２中为两次独立的双贮箱加注试验，记录了３ 个关键时间点的电子秤读数和实际加注量。贮箱加满 为推进剂充满卫星贮箱的时刻，此时集液发信器会发 出信号，控制系统接收到信号后，将控制相关阀门关 闭，停止向贮箱继续加注推进剂。由于采用自动控制 系统，从信号发出到阀门关闭，反应时间大大减少， 从两次试验贮箱加满时电子秤读数相等可以得出这个 结论。 贮箱加满后将进行推进剂回排，直至加注量等于 设定加注量值，关闭相关阀门，结束回排。对表２中 两次试验的系统实际加注量与设定加注量进行比较， 可以得出系统加注量的误差控制小于１０ ｇ。 本系统操作简便，安全性、可靠性高，精度高， 实现了推进剂加注的自动化控制。在加注设备上应用 后，大大提高了加注操作的自动化程度，减少了加注 过程中的操作；程序界面友好，易于操作，同时实时 显示系统状态，便于操作人员掌握系统工作情况。 参考文献 ［１］胡瑞雯．智能检测与控制系统［Ｍ】．西安：西安交通大学出版社，１９９１． 【２】于庆广．可编程控制器原理与系统设计［Ｍ】．北京：清华大学出版社 ２００４． 【３］高守传．精通ＳＱＬ结构化查询语言详解［ＭＩ．北京：人民邮电出版社 ２００７．