莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗技術(shù)研究所,北京 100074)

動力系統(tǒng)試驗自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與建立

莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗技術(shù)研究所,北京 100074)

根據(jù)某型號動力系統(tǒng)試驗要求，為了保證試驗產(chǎn)品和試驗臺的安全，選取代表發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的典型參數(shù)作為自動緊急關(guān)機(jī)判斷依據(jù)，通過合理設(shè)置緊急關(guān)機(jī)判別準(zhǔn)則，基于現(xiàn)有Pacific 6000數(shù)據(jù)采集裝置建立了改進(jìn)型紅線報警系統(tǒng)進(jìn)行在線實時檢測;通過對系統(tǒng)硬件和軟件的剖析、測試，得出該系統(tǒng)時間響應(yīng)綜合滯后偏差為0～0.25 s;利用信號發(fā)生器模擬發(fā)動機(jī)真實工作參數(shù)值對傳感器異常檢測、發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)故障判定、數(shù)據(jù)存貯和事后查詢功能進(jìn)行了綜合驗證，系統(tǒng)無漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，為產(chǎn)品及試驗臺的安全提供了保證;可為其它故障檢測系統(tǒng)建立和響應(yīng)時間分析提供參考。

動力系統(tǒng)試驗;判別準(zhǔn)則;自動緊急關(guān)機(jī);響應(yīng)特性

0 引言

動力系統(tǒng)試驗是運載火箭研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是火箭飛行前關(guān)鍵的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性驗證試驗，它具有高風(fēng)險、高費用、試驗時間短、故障發(fā)展迅速等特點。試驗中的故障可能來自發(fā)動機(jī)、也可能來自試車臺試驗系統(tǒng)，出現(xiàn)的故障在短時間內(nèi)可能造成發(fā)動機(jī)爆炸、試車臺燒損、人員傷亡等災(zāi)難性后果，而指揮員來不及判斷，無法及時采取有效措施。基于穩(wěn)態(tài)采集系統(tǒng)開發(fā)的自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的實時檢測、實時判斷，異常情況下進(jìn)行緊急關(guān)機(jī)操作，可以降低故障帶來的損失，保證人身安全、保護(hù)發(fā)動機(jī)、保護(hù)試驗設(shè)備，為發(fā)動機(jī)試后故障分析提供故障現(xiàn)場[1]。同時對提高發(fā)動機(jī)地面試驗可靠性，加快火箭發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度具有非常重要的意義。

1 自動緊急關(guān)機(jī)判別準(zhǔn)則設(shè)置

動力系統(tǒng)試驗產(chǎn)品由貯箱、增壓輸送系統(tǒng)、供配氣系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、測控系統(tǒng)等組成，其中發(fā)動機(jī)工作壓力高、轉(zhuǎn)速快、高低溫并存，故障發(fā)生快，因此選取代表發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的典型參數(shù)作為自動緊急關(guān)機(jī)判斷依據(jù)，可以涵蓋動力系統(tǒng)的大部分故障。

本系統(tǒng)選取發(fā)動機(jī)渦輪泵轉(zhuǎn)速、渦輪泵后壓力、燃燒室壓力作為判據(jù)，采用改進(jìn)型紅線報警系統(tǒng)用于在線實時檢測。為了避免測量系統(tǒng)干擾或噪聲及個別傳感器、變換器失效造成誤關(guān)機(jī)，采用多參數(shù)表決和連續(xù)性準(zhǔn)則：當(dāng)3個檢測參數(shù)連續(xù)3次同時超出安全帶時實施緊急關(guān)機(jī)。

為避免誤關(guān)機(jī)，在獲取到檢測參數(shù)時先判斷測量結(jié)果是否可信。根據(jù)變換器極端情況下輸出正限幅為+6.3～+6.5 V，負(fù)限幅為-0.7 V的設(shè)計思路，考慮到測量系統(tǒng)存在一定的測量偏差，為避免誤關(guān)機(jī)，將壓力傳感器和變換器失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)定為小于等于-0.5 V或大于等于6.0 V。

以火箭起動時序0 s為基準(zhǔn)，考慮到發(fā)動機(jī)啟動階段性能參數(shù)還不穩(wěn)定，自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)從13.5 s開始對發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷發(fā)動機(jī)工作異常時實施自動緊急關(guān)機(jī)。判別準(zhǔn)則包括兩部分：一是傳感器和變換器檢測單元；二是發(fā)動機(jī)異常檢測單元。

1.1 傳感器和變換器檢測單元

該單元的作用是對測量數(shù)據(jù)是否可信進(jìn)行確認(rèn)，在經(jīng)過發(fā)動機(jī)異常檢測單元之前先經(jīng)過該單元。通過該單元，判定一個測量參數(shù)是否能夠作為判斷發(fā)動機(jī)工作異常的依據(jù)。在下面情況下，判定傳感器或變換器異常：

1)當(dāng)轉(zhuǎn)速測量電壓值≤+0.5 V或≥+6.0 V，判定轉(zhuǎn)速傳感器或變換器工作異常(轉(zhuǎn)速測量判據(jù)以N1為依據(jù)，當(dāng)N1異常時，以N2為依據(jù)。N1和N2同時異常則判斷轉(zhuǎn)速傳感器或變換器工作異常，測量數(shù)據(jù)不可信)。

2)當(dāng)壓力測量電壓值≤-0.5 V或≥+6.0 V，判定壓力傳感器或變換器異常，數(shù)據(jù)不可信。

1.2 發(fā)動機(jī)異常檢測單元

1)13.5 s～關(guān)機(jī)，在判斷檢測參數(shù)傳感器和變換器無異常的情況下，當(dāng)三個檢測參數(shù)連續(xù)三次同時超出安全帶時實施緊急關(guān)機(jī)，安全帶取值見表1。

2)13.5 s～關(guān)機(jī)，當(dāng)判斷某一傳感器或變換器(壓力或轉(zhuǎn)速)異常時，將該參數(shù)剔除，對剩下的兩個參數(shù)進(jìn)行判斷，當(dāng)兩個參數(shù)連續(xù)三次同時超出安全帶時實施緊急關(guān)機(jī)，安全帶取值見表1。

3)13.5 s～關(guān)機(jī)，當(dāng)判斷任兩個或三個傳感器或變換器異常時，判別準(zhǔn)則失效，自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)不起作用。

表1 安全帶取值

2 緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 緊急關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

緊急關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器/變換器、信號隔離裝置、Pacific 6000數(shù)據(jù)采集裝置、采集主機(jī)、繼電器輸出板、控制系統(tǒng)組成，其組成如圖1所示。

圖2 緊急關(guān)機(jī)程序流程圖

圖1 自動緊急關(guān)機(jī)組成框圖

緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)的核心是其高可靠性，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采取了如下措施：采用雙絞屏蔽電纜，提高信號的抗干擾能力；采用冗余供電技術(shù)保證前端傳感器/變換器工作可靠性；繼電器輸出采用雙點雙線模式保證高可靠輸出；采用信號隔離裝置消除緊急關(guān)機(jī)參數(shù)判斷和并聯(lián)傳輸顯示的串?dāng)_。

緊急關(guān)機(jī)信號傳遞流程為：壓力傳感器和轉(zhuǎn)速線圈輸出信號經(jīng)變換器轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號,將此信號經(jīng)端子板進(jìn)入信號隔離調(diào)理模塊，然后輸入模擬量通道模塊板model6013，進(jìn)行放大、濾波、采樣/保持，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被送入DDS。數(shù)據(jù)經(jīng)過DDS采樣選取，送入其中的兩個并行緩存(FIFO數(shù)據(jù)緩存和環(huán)形緩存)后，經(jīng)高速的IEEE-488.2接口，再經(jīng)過GPIB-140A總線擴(kuò)展器和光纖送入計算機(jī)，以用于顯示、處理和存儲。由二次開發(fā)的PI660軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和緊急關(guān)機(jī)條件的判讀?？刂葡到y(tǒng)通過吸合、斷開無源觸點作為發(fā)動機(jī)點火、關(guān)機(jī)的時統(tǒng)信號，測量系統(tǒng)將觸點信號變換為5 V階躍信號作為發(fā)動機(jī)的啟動/關(guān)機(jī)信號。根據(jù)緊急關(guān)機(jī)判讀條件連判三次滿足關(guān)機(jī)條件時，采集主機(jī)的繼電器卡輸出關(guān)機(jī)觸點信號，控制系統(tǒng)以10 ms循環(huán)檢測觸點信號上升沿，并完成后續(xù)關(guān)機(jī)操作。

2.2 軟件設(shè)計

Pacific 6000采集系統(tǒng)軟件的緊急關(guān)機(jī)部分是采用VB語言對采集軟件PI660進(jìn)行二次開發(fā)的程序，采樣頻率100 Hz，濾波10 Hz，其緊急關(guān)機(jī)部分具體流程如圖2所示。

整個緊急關(guān)機(jī)程序放在一個計時器控件Timer的事件過程中，Timer定時間隔設(shè)為100 ms，即每隔0.1 s程序循環(huán)一次。程序讀取Pacific 6000通道數(shù)據(jù)，對啟動信號(5 V)進(jìn)行判讀，若大于3.5 V，認(rèn)為發(fā)動機(jī)啟動，點火時標(biāo)開始計時。通過高精度定時器STimer累加計時計算是否到達(dá)13.5 s。根據(jù)緊急關(guān)機(jī)判讀準(zhǔn)則進(jìn)行關(guān)機(jī)參數(shù)的讀取和判斷，連續(xù)三次判讀滿足條件時，繼電器輸出板輸出觸點信號。

3 系統(tǒng)響應(yīng)特性分析及測試

3.1 系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

根據(jù)長時間使用經(jīng)驗及現(xiàn)場測試結(jié)果表明，現(xiàn)有系統(tǒng)從開始條件判讀到關(guān)機(jī)操作理論時間應(yīng)為0.2秒，實際關(guān)機(jī)時間在0.2～0.45之間(不含控制系統(tǒng)反饋時間)。

整個緊急關(guān)機(jī)程序放在一個計時器控件Timer的事件過程中，timer定時間隔設(shè)為100 ms，即每隔0.1 s程序循環(huán)一次。程序讀取6000通道數(shù)據(jù)，對啟動信號進(jìn)行判讀，若大于3.5 V，認(rèn)為發(fā)動機(jī)啟動，點火時標(biāo)開始計數(shù)。通過STimer計數(shù)計算是否到達(dá)13.5 s。根據(jù)緊急關(guān)機(jī)條件進(jìn)行關(guān)機(jī)參數(shù)的讀取和判斷，連續(xù)三次判讀滿足條件時，使繼電器輸出板輸出觸點信號。

經(jīng)深入研究討論該延遲時間主要是由于以下幾個方面導(dǎo)致：

1)啟動信號大于3.5 V時刻(發(fā)動機(jī)啟動時刻或點火時標(biāo)0 s時刻)的判讀精度；

2)關(guān)機(jī)條件滿足臨界點判讀的判讀延遲；

3)Pacific 6000采集系統(tǒng)通道傳輸延遲(50ms打包發(fā)送機(jī)制)；

下面分別對上述三個影響因素及其造成的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析：

由上述描述可知，程序中Timer時間間隔設(shè)定為100 ms。由此造成的影響如下：

1)程序?qū)嶋H每隔100 ms讀取啟動信號并判斷是否大于3.5 V，由此可能造成判讀點火時標(biāo)0 s時刻的延遲為100 ms；

2)同理，處于關(guān)機(jī)條件滿足臨界點判斷時，可能造判讀點火時標(biāo)13.5 s時刻的延遲為100 ms。

3)太平洋6000采集系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每隔50 ms打包發(fā)送一組數(shù)據(jù)，緊急關(guān)機(jī)程序?qū)崟r從6000通道讀取的數(shù)據(jù)，實際是0～50 ms之前的數(shù)據(jù)，如圖3所示，若在接近0 ms的

圖3 6000系統(tǒng)通道延遲示意圖

t1時刻讀通道，讀的是-50 ms形成的數(shù)據(jù)包的最新值，延遲為0 ms；若在接近50 ms的t2時刻讀通道，讀的還是-50 ms形成的數(shù)據(jù)包的第一個值，延遲為-50 ms。我們對這一項也進(jìn)行了測試，測試結(jié)果與理論分析相符。

綜合考慮上述所有因素影響，得出該緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)的綜合滯后偏差為0～0.25 s，見表2。

表2 綜合滯后偏差值

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)建設(shè)完成后，利用信號發(fā)生器模擬發(fā)動機(jī)真實工作參數(shù)值，對傳感器和變換器檢測單元和發(fā)動機(jī)異常檢測單元進(jìn)行故障模擬，以驗證程序邏輯性和系統(tǒng)時間響應(yīng)特性。通過對轉(zhuǎn)速上限下限失效、壓力上限下限失效、轉(zhuǎn)速上限下限異常、壓力上限下限異常等條件組合共計46種測試，測試結(jié)果表明：系統(tǒng)響應(yīng)時間與理論分析一致，無漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到任務(wù)書要求。

4 結(jié)論

利用Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立的動力系統(tǒng)試驗自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)，具備傳感器異常檢測、發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)故障判定、數(shù)據(jù)存貯和事后查詢功能，系統(tǒng)理論分析發(fā)出關(guān)機(jī)信號響應(yīng)時間為0～0.25 s，實際測試結(jié)果表明系統(tǒng)無漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，為產(chǎn)品及試驗臺的安全提供保證?？蔀槠渌收蠙z測系統(tǒng)建立和響應(yīng)時間分析提供參考。

[1] 唐云龍,代玉東.液氧/煤油發(fā)動機(jī)地面試驗故障緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)研制[J].火箭推進(jìn)，2005(2).

[2] 液體火箭發(fā)動機(jī)試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匯編[S].航天工業(yè)總公司第一研究院一〇一所，1991.

[3] 馬紅宇,劉站國,徐浩海,等.液氧煤油發(fā)動機(jī)地面試車故障監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].火箭推進(jìn)，2008(2).

Automatic Emergency Shutdown System Design and Developent in Power System Test

Zhuang Jian，Li Zhigang，Wang Zhichao

(Beijing Aerospace Institute of Test Technology，Beijing 100074,China)

According to a power system test requirements, in order to ensure the safety of products and the test bench test, select typical parameters of engine work status for automatic emergency shutdown judgment，through setting up reasonable shutdown criterion, based on the existing Pacific 6000 data acquisition device to establish an improved red- line alarm system for online real-time detection. Through the system analysis and test of hardware and software, it is concluded that the system comprehensive response time is 0～0.25 s. Signal generator used to simulate engine real working parameters, completed the value of sensor anomaly detection, engine shutdown fault judgement, data storage and query function comprehensive verification, system without shutdown and shutdown happened by mistake, guarantee for the safety of the products and the test bench. can be reference for other fault detection system and to analyze the response time.

power system test; criterion of judgement; automatic emergency shutdown; response characteristics

2016-09-17；

2016-10-10。

莊 建(1981-)，男，河北保定人，碩士，高級工程師，主要從事液體火箭發(fā)動機(jī)試驗方向的研究。

1671-4598(2017)02-0193-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.053

V433

A