白亞群 韓春陽 冀曉來 王 鑫 杜峻松 于長吉

航天用保險閥試驗系統(tǒng)自動化設計

白亞群 韓春陽 冀曉來 王 鑫 杜峻松 于長吉

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

以航天用保險閥的試驗過程全自動化實現(xiàn)為目的，開展了試驗系統(tǒng)搭建分析，基于PLC理論和Labview平臺，設計了符合自動供氣和控氣要求的配氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工控機，促進了航天閥門產品生產過程智能化的發(fā)展。

自動化；配氣系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

1 引言

保險閥是根據(jù)壓力信號指令調節(jié)貯箱放氣與密封的功能件。航天用保險閥是增壓輸送系統(tǒng)中的重要部件，對產品的性能有著更高的要求，主要用于控制和調節(jié)火箭飛行過程中的貯箱壓力，是保障火箭發(fā)射成功的重要器件。保險閥的生產過程包括零件制造、整閥裝配和試驗分析，其中試驗分析過程是決定交付的產品是否合格的最后一步，也是關鍵一步。保險閥的試驗過程相對較復雜，如圖1所示，具有壓力工況多、數(shù)據(jù)收集量大、耗費時間長等特點，而目前的試驗過程控制多為手動式，試驗數(shù)據(jù)主要是依靠人工判讀并記錄，而手動配氣試驗臺需要多人的配合操作，這樣既容易引入誤差，也無法對試驗過程數(shù)據(jù)進行連續(xù)完整記錄。因此，通過對保險閥試驗系統(tǒng)的優(yōu)化改進，充分應用自動化控制手段，是縮短試驗過程，提高試驗精度，解放人力，保證合格率的關鍵。

圖1 保險閥試驗流程圖

國內對閥門試驗過程自動化與數(shù)字化的研究歷史并不長，隨著計算機技術的發(fā)展和控制技術的提高，人們才逐漸開始研究閥門試驗系統(tǒng)的自動化實現(xiàn)。朱紹原等人詳細設想了數(shù)字化試驗系統(tǒng)的組成與工作邏輯關系[1]，為閥門壓力試驗數(shù)字化改造提供了寶貴的經驗與思考；朱利民等人從閥門檢驗質量方面入手，對閥門數(shù)字化檢驗進行了研究[2]，通過對試驗數(shù)據(jù)的實時采集與數(shù)據(jù)庫的功能分析，設計了閥門檢驗質量分析系統(tǒng)。本文將根據(jù)航天用保險閥的工作和試驗特點，設計一套閥門自動化試驗和數(shù)字化采集系統(tǒng)，實現(xiàn)航天用保險閥試驗過程的自動化與數(shù)字化。

2 自動試驗系統(tǒng)設計思路

保險閥的試驗過程雖然涉及到較多的工況，包括環(huán)境溫度不同、試驗壓力不同、供電電壓不同和持續(xù)時間不同等，但綜合統(tǒng)計分析，實現(xiàn)保險閥的自動試驗過程，主要是自動化輸入與數(shù)字化輸出兩方面工作。保險閥的試驗輸入包括氣壓和電壓，輸出包括漏率、氣壓、電壓和時間。

經過對市場與各研究所的調研發(fā)現(xiàn)，閥門漏率檢測的研究與應用尚未發(fā)展出一套較成熟的自動化采集系統(tǒng)，因此本研究在有限的資源與時間條件下，不再考慮漏率的數(shù)字化采集，而沿用傳統(tǒng)的手動采集和錄入系統(tǒng)的方法，因此本研究中的保險閥自動試驗系統(tǒng)采用自動為主、手動為輔兩種控制方式，既在有限的資源條件下實現(xiàn)絕大部分試驗的自動控制，也提高系統(tǒng)的可靠性與可控性。

圖2所示為保險閥自動試驗系統(tǒng)原理圖。

圖2 保險閥自動試驗系統(tǒng)原理圖

圖3 自動試驗、采集系統(tǒng)總體方案

自動試驗系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和測量采集系統(tǒng)三大部分，如圖3所示。硬件系統(tǒng)保障供氣供電，以配氣臺、變壓器為主；軟件系統(tǒng)實現(xiàn)氣壓和電壓的控制與調節(jié)，以工控機、施耐德PLC組成控制核心，控制配氣系統(tǒng)的通斷，從而實現(xiàn)對試驗系統(tǒng)氣體壓力和流量的自動調節(jié)和控制。

為保證自動試驗系統(tǒng)的可靠性、安全性和智能性，系統(tǒng)還將設置冗余設計、過載保護、互鎖和報警等可靠性保護措施。閥門試驗的數(shù)據(jù)輸入輸出將采用具有人機交互式的測試界面，實現(xiàn)試驗系統(tǒng)控制檢測全過程的智能化參數(shù)設定。

3 自動化試驗系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)是保險閥試驗中的主要硬件系統(tǒng)，用于完成閥門通路上的供放氣工作。配氣系統(tǒng)需要根據(jù)閥門試驗過程的需要配置相應的氣源和氣流通路，并在通路中安裝三通四通、過濾器、壓力表、流量計和控制閥等附屬設備，必要時需要配置氣瓶。因不同閥門試驗要求不一，配氣系統(tǒng)的形式也是多變的，需要針對某一類甚至某一個閥門進行具體的設計。本研究中的保險閥配氣系統(tǒng)是在傳統(tǒng)手動試驗臺的基礎上進行數(shù)字化控制改造而成。

3.1.2 電路系統(tǒng)

電路系統(tǒng)是保險閥試驗過程中的控制介質，是數(shù)字儀表和控制閥啟動的源動力，用于傳輸控制信號和保障電器產品正常工作。電路系統(tǒng)包括UPS電源、24V直流電源、各種電線電纜和變壓器等，保險閥自動試驗系統(tǒng)中的電路系統(tǒng)充分考慮了不同控制點與分析點的設置，在每一個氣體壓力控制點、流量壓力控制點和檢測數(shù)據(jù)的輸出點均設置了電磁閥和傳感器，如圖2中虛線所示。

3.2 軟件系統(tǒng)

保險閥自動試驗系統(tǒng)所設計的軟件系統(tǒng)為基于PLC將控制指令載入控制系統(tǒng)，并向配氣臺和供電系統(tǒng)輸出控制信號，實現(xiàn)試驗過程的自動化和數(shù)字化。軟件系統(tǒng)搭建的核心步驟是控制指令的識別與分解和過程信號的分析與調節(jié)，主要包括PLC控制系統(tǒng)和工控機，工控機附帶有基于Labview編寫的人機交互界面。為了保證保險閥試驗過程的可靠性，本研究還設計了調壓方案、濾波方法和可靠性配置。

3.2.1 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要使用的是施耐德Modicon Quantum系列的PLC，PLC能適應各種運行環(huán)境，具有抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點。PLC控制器件接受監(jiān)控畫面及現(xiàn)場按鈕、開關等指令，對配氣管路電磁閥、減壓器等設備進行開關指令或壓力設定。試驗系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖保護控制邏輯均由PLC執(zhí)行，在上位機及采集系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，PLC仍可按固化的程序執(zhí)行相應指令。

3.2.2 工控機

工控機使用研華工控機，基于Labview軟件編寫操作界面對系統(tǒng)進行顯示和輸入[3～6]。Labview和PLC間通過Modbus TCP協(xié)議進行通訊。圖4為控制系統(tǒng)供電原理圖，PLC背板上共有6個插槽，本系統(tǒng)共使用了5個模塊：

140 CPS 114 20：115/230 VAC 獨立/可累加 11 A 電源模塊；

140 CPU 651 50：時鐘頻率可達到166MHz的CPU；

140 ACI 040 00：模擬量電流輸入模塊；

140 DRA 840 00：繼電器16×1常開輸出模塊；

140 DDM 390 00：24 VDC 2×8漏極輸入/2×4源極輸出模塊。

圖4 控制系統(tǒng)供電原理圖

操作界面基于Labview編程環(huán)境進行編寫，采取直觀形象的輸入模塊，包括“試驗系統(tǒng)自檢及初始化”、“試驗測試過程設定”、“數(shù)據(jù)曲線的采集、顯示和存儲”、“生成報表”、“數(shù)據(jù)處理”等模塊，完成試驗過程的自動化。圖5為某保險閥調壓試驗界面展示。

圖5 保險閥調壓試驗界面

配置數(shù)據(jù)保存著板卡的參數(shù)信息（采樣率、通道名稱、轉化量程等）、實驗中的一些用戶信息（操作員、檢驗員、規(guī)格型號、產品編號等）。配置信息每次默認讀取文件，如圖6所示。

圖6 配置文件路徑

3.2.3 調壓方案的設計

氣體或液體壓力是保險閥試驗的主要動力輸入。PLC控制系統(tǒng)以工控機輸入的壓力值為基準，以輸入的包容誤差為控制精度，通過壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)時時調節(jié)閥門試驗所需要的壓力，并將反饋數(shù)據(jù)時時反映在工控機界面上，以供人工分析使用。傳統(tǒng)的超壓保護方式為安裝溢流閥或安全閥，采用機械的方式對某一壓力定值進行保護。在本方案設計中，由于整個氣密試驗過程采用自動控制系統(tǒng)，幾乎所有閥門均使用電控閥，故本套系統(tǒng)有以下特點：

壓力值范圍廣，整個工藝流程的壓力定值覆蓋了1～35.5MPa（目前供氣站最高供氣壓力為35.5MPa）；

本系統(tǒng)使用軟件的超壓保護判斷，能對不同的試驗定值進行超壓保護。

3.2.4 濾波設計

為了保證試驗過程的精確性，在系統(tǒng)的設計過程中，還需要考慮干擾信號的影響。為減小干擾，本系統(tǒng)在硬件方面將所有外接線纜全部采用屏蔽線，并將屏蔽層單端接地；在軟件方面，調壓試驗采樣速度設置為10000點/s，其余試驗采樣速度設置為100點/s，系統(tǒng)自動存儲采集到的真實數(shù)據(jù)，而在數(shù)據(jù)導出時根據(jù)試驗人員需要既可以獲取原始數(shù)據(jù)，也可以使用基于卷積濾波法的濾波界面將分析采集的數(shù)據(jù)中的隨機干擾信號和偶然干擾信號過濾清除，獲取經濾波分析之后的數(shù)據(jù)。試驗人員根據(jù)需要，選取更可靠的輸出值。

3.2.5 軟件可靠性設計

軟件可靠性設計主要是從可能出現(xiàn)故障和危險的環(huán)節(jié)入手，通過冗余設計、過載保護、互鎖和報警等方法，增加自動化試驗系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)任務書要求，將軟件的試驗操作分為“靈活性試驗”、“氣密性試驗”、“調壓試驗”、“低、高溫試驗-靈活性”、“低、高溫試驗-氣密性”、“壽命試驗”和“振動試驗”，根據(jù)各項試驗使用相同的PLC和采集卡資源的特點，將PLC和采集卡模塊設置為單指令工作模式，從而實現(xiàn)試驗間的互鎖。

在軟件系統(tǒng)程序編寫過程中，針對不同模塊的運行均增加“是否正常工作”的自我判定語言，當判定結果為“否”時，立即發(fā)出報警信號。主要檢查的設備包括：系統(tǒng)中所有傳感器、大流量切換閥、母管出口切斷閥、流量調壓閥等進行檢查，并將判定結果顯示在系統(tǒng)自檢界面。

同時還設置了機械報警裝置，如系統(tǒng)內保險閥在壓力過高時觸動警鈴發(fā)出報警、過載蜂鳴器報警和斷電報警等，緊急關機按鈕和緊急制動按鈕的設置增加了人對系統(tǒng)故障的應急控制。

4 結束語

隨著科技的發(fā)展，自動化、智能化已經是所有行業(yè)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)成功轉型的重要環(huán)節(jié)。本文通過對保險閥試驗過程的深入研究，完成了以下兩方面研究與成果：

a. 建立了自動配氣系統(tǒng)，所有氣動壓力均由系統(tǒng)自動控制，大幅減少工人操作環(huán)節(jié)，降低了工人勞動強度。

b. 建立了基于PLC的控制系統(tǒng)和基于Labview的工控機，集成了航天用保險閥試驗全過程，提高了試驗效率。

本文所形成的航天用保險閥試驗自動供配氣技術等關鍵技術及成果可在航天型號中實現(xiàn)工程化應用，其設計理念與實施經驗可以做進一步推廣，為閥門自動化、數(shù)字化試驗和檢測技術的深入探索提供了寶貴的理論支持和實際工程應用經驗。

1 朱紹源，郭懷舟，吳懷昆. 閥門產品壓力試驗中的數(shù)字化方法研究[J]. 閥門，2008(6)：14～16

2 朱利民，馬維強. 數(shù)字化分析技術在提高閥門檢驗質量中的應用[J]. 物資質量檢驗，2014(8)：51～53

3 楊繼志. 基于LabView的閥門試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(9)：77～95

4 譚囝. 基于LabView的閥門動態(tài)特性試驗系統(tǒng)的設計[J]. 中國新技術新產品的設計，2013(4)：4～5

5 鄧焱，王磊. LabVIEW7.1測試技術與儀器應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004

6 姜楊. 基于LabVIEW的電磁閥智能測試系統(tǒng)開發(fā)[J]. 企業(yè)技術開發(fā)，2009，32(10)：44～45

Automation Design of Test System of Safety Valve for Aerospace

Bai Yaqun Han Chunyang Ji Xiaolai Wang Xin Du Junsong Yu Changji

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

The purpose of this paper is to realize the full automation of the test process of the safety valve for aerospace. A new test system is constructed based on automation theory, then a gas-distribution system, a control system and an industrial computer are designed to meet the requirements of automatic gas supply and control. This research promotes the development of intelligence in the testing process of aerospace valve products.

automation；gas distribution system；control system

白亞群（1990），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：航天閥門研制。

2019-12-16