郭宇欣

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

固體火箭發(fā)動機是空空導彈的重要分系統(tǒng)之一，它給導彈提供飛行動力，以保證導彈獲得所需要的速度和射程。而發(fā)動機點火試驗是發(fā)動機研制、生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)，試驗結果是決定研制工作能否轉階段、能否設計定型、能否交付客戶的重要依據(jù)。發(fā)動機點火過程非常短暫，且不可逆，但對發(fā)動機的正常工作起著極為重要的作用，這就要求點火設備必須安全、快速、可靠、精準。

本文所設計的設備選用西門子S200 型PLC(可編程控制器)作為控制核心，圖形化語言Lab-VIEW 作為軟件開發(fā)平臺，采用模塊化設計，能實現(xiàn)四路點火電流按設定的時序輸出，點火電流2 ～20 A 連續(xù)可調，滿足不同型號固體火箭發(fā)動機的點火試驗要求。

LabVIEW 是虛擬儀器領域中最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，具有優(yōu)秀的人機交互界面和豐富的子程序供編程者直接調用。利用LabVIEW 開發(fā)軟件能提高設備運行效率，提高設備的安全性、可靠性和精準性。

1 點火控制裝置工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

點火控制裝置主要完成發(fā)動機點火參數(shù)設置、點火電流測試與控制、點火電阻測試、并為其他設備提供準確可靠的時間基準信號。設備的控制計算機通過RS232 串口與PLC 連接通訊。試驗前將任務下達給PLC，由PLC 獨自完成點火試驗的時序控制;由軟件程序控制研華多功能數(shù)據(jù)采集卡進行點火電流的實時采集顯示、接收分控儀的啟動、復位等信號。多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出通道輸出控制信號，通過升壓電路調理生成邏輯信號并傳輸給分控儀;點火回路的時間基準信號經(jīng)光電隔離調制傳輸給分控儀。

該裝置共有四個各自獨立的點火回路，可根據(jù)試驗要求對點火方式進行設定，點火方式有單個回路輸出點火電流、多個回路同時輸出點火電流和多個回路按時序輸出點火電流。每個點火回路均采用多種繼電器組合，由軟件控制繼電器按規(guī)定順序動作，保證點火回路可靠接通。其中最后接通點火回路的繼電器采用固態(tài)繼電器，接通時間小于0.1 ms，用于實現(xiàn)點火電流的快速輸出。每個點火回路中串入一個隔離電流傳感器，實現(xiàn)對點火電流數(shù)值的高速采集。點火回路電阻阻值由電爆管測試儀測出。

1.2 硬件組成

整個設備由測控計算機、PLC 控制模塊、點火輸出控制模塊及電源模塊四個模塊組成。設備硬件組成如圖1 所示。

圖1 硬件組成圖

測控計算機為工業(yè)控制計算機，用于實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、點火參數(shù)設置及顯示、點火電流的調節(jié)、顯示和儲存、電流傳感器的校準等功能。PLC 控制模塊接收計算機發(fā)送的點火任務，由控制臺按鈕啟動，完成設定的點火動作。點火輸出模塊由多個繼電器和電流傳感器組成，確保點火過程的安全有效并實現(xiàn)點火電流數(shù)值的快速采集。電源模塊主要由多個點火電源和輔助電源組成，滿足四個點火回路的電流輸出和其他部件的供電需求。

2 軟件設計

2.1 軟件設計平臺

點火控制程序采用LabVIEW8.6 作為軟件開發(fā)平臺。LabVIEW 由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是Lab-VIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它把復雜、繁瑣的語言編程簡化為功能圖形的選擇，然后用線條把功能圖連接起來即可完成編程工作。該語言直接面向測試工程師，編程方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并提供了許多子程序供編程者直接調用。利用Lab-VIEW 編程語言，可以在很短時間里設計、構建和修改自己的程序，無需進行任何繁瑣的計算機代碼編寫。

2.2 軟件運行流程

發(fā)動機點火試驗完成點火電流的調節(jié)、對點火時序及其他參數(shù)進行設置、點火電流輸出記錄和數(shù)據(jù)回放四個步驟。程序設計主要考慮了上述順序:

(1)對設備硬件進行自檢。檢查工控機與PLC、多功能數(shù)據(jù)采集卡的通訊是否正常。如異常，需人工檢查通訊連接;

(2)根據(jù)試驗要求對點火電流進行調節(jié);

(3)分別完成點火時序設置和對外控制信號輸出時序的設置;

(4)將各參數(shù)整合打包寫入PLC 中。

點火試驗時閉合點火按鈕，程序按設定時序工作，閉合點火回路繼電器，輸出點火電流并保存電流數(shù)據(jù)。軟件運行流程如圖2 所示。

圖2 軟件運行流程圖

2.3 程序設計

程序設計包括主程序、標定程序和曲線顯示程序等子程序的設計。

2.3.1 主程序的設計

根據(jù)軟件運行流程，主程序完成人機交互功能。實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、電流調節(jié)、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)實時顯示及其他功能模塊調用等操作。因此，主程序界面設計多個功能區(qū)域:數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)，實現(xiàn)試驗過程中點火電流波形的實時顯示;倒計時及操作狀態(tài)指示區(qū)，分別顯示點火倒計時、操作按鈕工作狀態(tài)以及點火電流設置值;試驗流程參數(shù)設置區(qū)，可根據(jù)試驗需要，完成多個點火電源的時序設置，并可將設置好的參數(shù)保存為設置文件，方便同類試驗的調用;分控儀工作時序設置區(qū)，用于完成其他設備控制信號的時序設置;功能控制區(qū)，系統(tǒng)自檢按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)自檢模塊的調用，完成工控機與多功能數(shù)據(jù)采集卡、PLC 通訊的檢查。電流調節(jié)按鈕實現(xiàn)電流調節(jié)模塊的調用，用于對點火電流值進行調節(jié)，使其滿足試驗要求。點擊點火開始按鈕后，程序將設置好的參數(shù)裝載入PLC 的相關寄存器中。主程序界面如圖3 所示。

圖3 主程序界面

考慮到各型號固體火箭發(fā)動機的點火試驗要求不同，程序對試驗流程參數(shù)模塊進行了優(yōu)化設計。既能實現(xiàn)單個電源輸出點火電流，也能實現(xiàn)多個電源并行輸出點火電流，或者按設定時序串行輸出點火電流。為了達到這一功能，該模塊采用了while 循環(huán)、條件結構、事件順序結構和定時循環(huán)結構嵌套使用。以點火電源為列，各點火電源的工作時間為行，生成二維數(shù)組，并在數(shù)組的首尾分別添加點火倒計時時間和試驗終止時間，形成流程表格數(shù)組并對該數(shù)組進行VI 服務器應用;在定時循環(huán)結構中調用VI 服務器應用，讀取流程表格數(shù)組中的相關數(shù)據(jù)，寫入PLC 指令數(shù)組中。通過VISA 寫入功能模塊將PLC 指令數(shù)組寫入到PLC 的緩存內。VI 服務器引用就如C+ +中的指針，直接指向所用數(shù)據(jù)，避免了使用局部變量對整個數(shù)組進行拷貝，減少了程序內存的使用，提高了運行效率。試驗流程參數(shù)模塊程序框如圖4 所示。

圖4 試驗流程參數(shù)模塊程序框圖

2.3.2 標定程序的設計

標定程序的作用是對點火回路的電流傳感器進行標定，將標定數(shù)據(jù)寫入文本文件。選擇需要標定的點火回路，并設定電流的標定值，通過調節(jié)旋鈕控制電流輸出大小，記錄電流傳感器采集的電流數(shù)值，完成傳感器正反行程的數(shù)據(jù)采集，并以最小二乘方法計算得出擬合曲線方程以及線性度、靈敏度、滯后性等各項靜態(tài)特性，保存擬合結果。標定程序面板如圖5 所示。

2.3.3 曲線顯示程序設計

圖5 標定程序界面

曲線顯示程序用于對試驗數(shù)據(jù)進行回放查看、濾波處理、標尺縮放、曲線選擇等。該程序由一個事件結構完成各功能的調用，通過前面板的按鈕，觸發(fā)事件結構的各個子程序，來查看和處理點火數(shù)據(jù)文件。在程序中，數(shù)據(jù)被存儲成LabVIEW 專有的TDMS 數(shù)據(jù)流格式，TDMS 文件將動態(tài)信號存儲為二進制文件，并為每一路信號添加了若干附加信息屬性，便于程序查詢和分類。曲線顯示程序前面板如圖6 所示。

圖6 曲線顯示前面板

3 結 論

該裝置使用的是“PC +PLC”控制模式，它以PLC 為核心控制器，實現(xiàn)了固體火箭發(fā)動機點火的精確控制。運用LabVIEW 為開發(fā)平臺，完成了控制程序的編寫。既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，又充分使用了Lab-VIEW 強大的數(shù)據(jù)處理能力與良好的可視化界面。目前該裝置已成功運用于多個型號固體火箭發(fā)動機的點火試驗，實現(xiàn)了單路點火、多路并行點火和多路串行點火功能。操作簡單，安全可靠。

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