賈靜雅， 劉兆賓， 高 琦， 韓春陽(yáng)， 范曉雷

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

1 閥門試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

閥門為各型號(hào)運(yùn)載火箭的關(guān)鍵功能型自動(dòng)控制元件。在飛行過程中，電磁閥按照事先設(shè)定的程序準(zhǔn)確無誤的執(zhí)行開啟和關(guān)閉等指令，來實(shí)現(xiàn)液氣路通斷、壓力控制、壓力調(diào)節(jié)、流量控制、電路通斷等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、工作、關(guān)機(jī)以及貯箱壓力的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，保持運(yùn)載火箭和武器的正常工作狀態(tài)，是各型號(hào)運(yùn)載火箭及武器的單點(diǎn)失效產(chǎn)品，其中電磁閥試驗(yàn)過程復(fù)雜，如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)中需要數(shù)字化采集的測(cè)點(diǎn)多，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)采集的難度最大。

圖1 電磁閥試驗(yàn)流程圖

電磁閥試驗(yàn)技術(shù)是閥門制造過程的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，公司試驗(yàn)設(shè)備大部分仍是20世紀(jì)90年代的產(chǎn)品，試驗(yàn)過程主要依靠人工讀取和記錄，主要缺點(diǎn)：1）手動(dòng)配氣試驗(yàn)臺(tái)需多人同時(shí)操作，耗時(shí)耗力效率低；2）容易引入人為誤差，影響閥門試驗(yàn)精度和可靠性；3）無法對(duì)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)完整記錄。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的手段被應(yīng)用于試驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)之中。目前常用的軟件環(huán)境主要有VB、Delphi以及LabVIEW等［1］。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用基于LabVIEW虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集軟件的編制。它的突出特點(diǎn)是以一種功能意義上的虛擬儀器代替實(shí)際所需的儀器，VI通過硬件接口和儀器實(shí)現(xiàn)了與測(cè)控設(shè)備的硬件通信，將信號(hào)采集、分析與處理等多種功能集為一體［2］，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)載火箭電磁閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠有效地提高閥門試驗(yàn)過程效率和可靠性。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

運(yùn)載火箭閥門性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、施耐德PLC、配氣臺(tái)、電磁閥試驗(yàn)臺(tái)等幾部分構(gòu)成。以工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC組成控制核心，通過配氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)配氣過程及壓力、流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。試驗(yàn)過程中，NI數(shù)據(jù)采集卡PCI-6238負(fù)責(zé)采集電磁閥試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，形成相關(guān)檢測(cè)記錄或報(bào)表。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

運(yùn)載火箭閥門性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)采用具有仿真效果的測(cè)試界面，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過程的智能化參數(shù)設(shè)定、配氣比計(jì)算、過程仿真或演示、管路布局及工作介質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及系統(tǒng)安全防護(hù)等功能。

2.2 配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配氣系統(tǒng)主要由氣動(dòng)調(diào)壓器、電磁閥、過濾器、手動(dòng)閥門及配套管路構(gòu)成，其中電動(dòng)調(diào)壓器控制中壓和低壓管路的安全壓力設(shè)定，氣動(dòng)調(diào)壓器控制實(shí)際壓力點(diǎn)的設(shè)定并控制其壓力上升速率和放氣速率，電磁閥用于壓力的開啟和截止。圖3為配氣系統(tǒng)原理圖。

系統(tǒng)可在控制和反饋信號(hào)作用下完成對(duì)指定壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及壓力上升和下降變化速率的控制，所有調(diào)壓器帶有回程排放接口，可根據(jù)需要連接至廠區(qū)指定排放管路，方便試驗(yàn)完成后的放氣操作。

圖3 配氣系統(tǒng)原理圖

2.3 控制及采集系統(tǒng)

控制及采集系統(tǒng)由1臺(tái)上位機(jī)（工控機(jī)）和下位機(jī)組成。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過交換機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)，并通過以太網(wǎng)口向外部提供數(shù)據(jù)交互接口。上位機(jī)構(gòu)成本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)流程試驗(yàn)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)表生成和流程模擬仿真等；下位機(jī)分設(shè)PLC控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)，其中PLC控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量的控制，而采集系統(tǒng)主要采集壓力、溫度等模擬量信號(hào)。

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

按照運(yùn)載火箭電磁閥性能試驗(yàn)的要求，需要實(shí)施采集試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)，包括：動(dòng)作靈活性試驗(yàn)、常溫氣密試驗(yàn)、低壓工作實(shí)驗(yàn)、連續(xù)通電試驗(yàn)、響應(yīng)試驗(yàn)以及高溫性能試驗(yàn)等。依據(jù)公司現(xiàn)有質(zhì)量部門的要求，上述試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)需要記錄在信息系統(tǒng)中，傳統(tǒng)采用人工錄入的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力還易出錯(cuò)，因此亟需一個(gè)軟件能夠自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到信息系統(tǒng)的相應(yīng)文件中，省去中間人為錄入的環(huán)節(jié)，減少不必要的誤差和人工成本。

針對(duì)上述情況，采用數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件——LabVIEW，利用其提供的圖形編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)出豐富和人性化的圖形界面，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)、顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、回放歷史曲線以及存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信息及與公司信息系統(tǒng)的無縫接口的功能。另外該系統(tǒng)具有多線程技術(shù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的測(cè)量需求來協(xié)調(diào)不同數(shù)據(jù)源間的數(shù)據(jù)融合與同步，完成各數(shù)據(jù)采集、分析等多任務(wù)的協(xié)同。采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

操作界面采用LabVIEW編程環(huán)境進(jìn)行編程，采取直觀形象的組態(tài)模式，設(shè)置“系統(tǒng)自檢及初始化”、“測(cè)試設(shè)定”、“儀表數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)”、“報(bào)表生成和數(shù)據(jù)處理”、“數(shù)據(jù)歷史曲線回放”等模塊，完成系統(tǒng)的自動(dòng)化采集流程。

將在各個(gè)氣密系統(tǒng)試驗(yàn)如常溫氣瓶增壓系統(tǒng)、冷氦氣瓶增壓系統(tǒng)等試驗(yàn)流程分別設(shè)置為獨(dú)立的流程，通過操作界面的選擇，自動(dòng)完成所選流程的試驗(yàn)，還可顯示試驗(yàn)進(jìn)程，并通過界面上指示燈顯示系統(tǒng)的預(yù)熱、準(zhǔn)備、運(yùn)行、排氣等當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)，在界面上設(shè)置報(bào)警功能，根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試規(guī)則設(shè)定參數(shù)的報(bào)警限值，以報(bào)警閃爍方式提示操作者。

系統(tǒng)流程總覽操作界面示例如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程總覽操作界面示例

3.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理

通過上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)功能可以完成NI采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄的存儲(chǔ)。通過數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成各類測(cè)試報(bào)表，包括生成趨勢(shì)分析圖形，通過數(shù)據(jù)變化走勢(shì)，輔助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，便于數(shù)據(jù)處理和分析，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力，減少人為錄入失誤，另外預(yù)留的接口可以與公司現(xiàn)有的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效管理。模擬量信號(hào)曲線示例圖如圖6所示。

圖6 模擬量信號(hào)曲線示例圖

4 結(jié)語(yǔ)

此閥門試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件滿足了閥門試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集的需要，解決了科研生產(chǎn)中的實(shí)際問題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上重點(diǎn)放在傳統(tǒng)電磁閥試驗(yàn)系統(tǒng)的改造上，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)配氣臺(tái)的自動(dòng)化控制及試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字化采集能力，提高試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭閥門性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)等，并利用預(yù)留的數(shù)據(jù)庫(kù)接口與公司信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。該研究對(duì)于其它類似采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參照價(jià)值。

［參考文獻(xiàn)］

［1］張良.基于LabVIEW的超低溫閥門性能測(cè)試軟件設(shè)計(jì)［J］.低溫技術(shù)，2012（39）：10.

［2］楊繼志，郭敬.基于LabView的閥門試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（9）：77.