李 俊，周李成，周 慧，李宗梅

(1.裝備學院昌平士官學校 測試發(fā)射系，北京 102200; 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100124;3.北京東昆科技有限公司，北京 100102)

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基于PLC的常規(guī)加注模擬訓練設備控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 俊1，周李成2，周 慧2，李宗梅3

(1.裝備學院昌平士官學校 測試發(fā)射系，北京 102200; 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100124;3.北京東昆科技有限公司，北京 100102)

根據(jù)常規(guī)加注模擬訓練設備實際的控制要求，設計了以PLC作為核心控制器的訓練設備控制系統(tǒng)，概述了該系統(tǒng)的硬件設計，詳細介紹了基于集成開發(fā)環(huán)境的軟件設計；經(jīng)過實驗室測試和現(xiàn)場聯(lián)調(diào)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了多種加注工藝流程、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、手/自動控制、故障分析及處理、參數(shù)設置與儲存等功能，不僅能夠滿足訓練設備所有的控制要求，還具備強大的遠程控制能力和人機交互能力，有良好的可靠性和實時性。

常規(guī)加注；訓練設備；控制系統(tǒng)；PLC

0 引言

運載火箭液體推進劑的加注工作是十分重要的，它關系到運載火箭能否安全順利地發(fā)射，以及火箭能否把衛(wèi)星準確送入軌道[1]。但是由于設備比較昂貴，不能在發(fā)射任務以外的時候供操作士官進行訓練。裝備學院昌平士官學校特燃加注專修室作為培訓該類士官的基地，模擬基地加注系統(tǒng)研制開發(fā)了常規(guī)加注訓練設備，滿足士官操作能力訓練的任務。常規(guī)加注訓練設備是集電、氣、液為一體的復雜系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)設計及其重要[2]。

常規(guī)加注模擬訓練設備具有結構組成復雜，數(shù)據(jù)參數(shù)復雜的特點。與其它控制器相比，PLC具有可重復編程的特點，程序設計周期短，并且能夠在強電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，具有很高的運行速度和可靠性[3]。

本文控制系統(tǒng)下位機采用西門子S7-1200PLC作為控制器，通過以太網(wǎng)與上位機通訊。上位機采用兩臺研華工控機，一臺是監(jiān)控機，僅用于顯示監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程；另一臺作為操作平臺，可進行參數(shù)設置和各種操作，對重要畫面和操作進行了權限管理，實現(xiàn)對各工藝流程的參數(shù)設置和操作。該系統(tǒng)具有強大的人機交互能力和遠程擴展能力，可根據(jù)要求對控制系統(tǒng)進行改進、升級，易于與上層管理系統(tǒng)進行信號交互。

1 控制系統(tǒng)要求及組成

1.1 控制要求

PLC控制系統(tǒng)作為加注模擬訓練設備的監(jiān)控裝置，必須滿足加注模擬訓練設備的控制要求，具體內(nèi)容如下：

1)數(shù)據(jù)采集和顯示：該系統(tǒng)實現(xiàn)4點高速計數(shù)輸入，8點DI、54點DO、24點AI、4點AO和7點RTD輸入?？赏ㄟ^監(jiān)控畫面實現(xiàn)對流量、壓力、溫度、體積等過程參數(shù)的顯示和閥門狀態(tài)的監(jiān)控。不同閥門狀態(tài)用顏色加以區(qū)分。

2)工藝流程實現(xiàn)：系統(tǒng)工藝流程分為加注流程和輔助流程。加注流程包括準備加注、開始加注、全速加注、減速加注和補加。輔助流程包括氣檢、灌泵、打回流、倒罐、升降溫、放空和泄回等。不同工作過程，可在操作平臺進行操作，相應的流體流動狀態(tài)和閥門狀態(tài)在監(jiān)控機上動態(tài)顯示。

3)系統(tǒng)參數(shù)設置與存儲：系統(tǒng)參數(shù)設置包括加注參數(shù)、電動調(diào)節(jié)閥開度設置、加注方式及設備選擇、報警參數(shù)設置和其他參數(shù)設置。提供了友好的參數(shù)設置界面，方便使用者設置。

4)手動/自動控制：對加注流程設置有手動/自動控制選擇，在手動方式下，訓練人員在操作平臺的“加注過程-手動”畫面上進行操作，加注過程可單步執(zhí)行。在自動方式下，控制系統(tǒng)按預設的液位或體積進行加注過程的自動切換，實現(xiàn)從準備加注一直到補加的自動加注。

5)單點操作：可對每個閥門、加注泵、電調(diào)閥進行單獨的開關和啟停。

6)歷史記錄和故障報警及查詢：可對參數(shù)設置和重要工藝過程進行記錄，可根據(jù)需要進行工藝記錄、工作狀態(tài)、加注量和加注參數(shù)等的查詢。當故障發(fā)生時，系統(tǒng)自動報警并記錄故障數(shù)據(jù)。

7)遠程控制，控制系統(tǒng)具有與遠程設備通信的接口，可方便其他上位管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問和控制PLC或工控機。

1.2 控制系統(tǒng)組成

按照控制要求，本文涉及的常規(guī)加注模擬訓練設備控制系統(tǒng)主要由PLC、兩臺工控機和投影顯示設備組成。PLC控制器通過模擬量采集模塊和數(shù)字量采集模塊完成對加注系統(tǒng)中兩個貯罐、火箭貯箱、放空罐及各加注管路中的液位、溫度、壓力、流量等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集工作，利用開關量輸出控制各個閥門的開關及加注泵的啟停，利用模擬量輸出控制電調(diào)閥的開啟高度，從而實現(xiàn)對加注過程及各個輔助工藝過程的控制。一臺工控機作為監(jiān)控機，主要用于監(jiān)測整個加注系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示各工藝參數(shù)及各閥門狀態(tài)；另一臺工控機作為操作平臺，可對系統(tǒng)進行參數(shù)設置和工藝操作，可記錄和查詢歷史數(shù)據(jù)和故障報警。系統(tǒng)具有遠程擴展能力，遠程用戶可通過以太網(wǎng)訪問工控機或PLC。常規(guī)加注模擬訓練設備控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 常規(guī)加注模擬訓練設備控制系統(tǒng)結構圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

為了滿足常規(guī)加注設備模擬訓練設備控制系統(tǒng)的控制要求，選用西門子S7-1200系列產(chǎn)品作為控制器。S7-1200控制器使用靈活、功能強大。設計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集。CPU將微處理器、集成電源、輸入輸出電路、內(nèi)置PROFINET、高速運動控制I/O以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中來形成強大的控制器。CPU選用1214C系列，具有14點數(shù)字量輸入、10點數(shù)字量輸出，最多可組態(tài)6點高速計數(shù)器。通過擴展1塊16DI/16DO模塊、2塊16點DO模塊，3塊8點AI模塊和1塊8點RTD模塊，實現(xiàn)對常規(guī)加注模擬訓練設備的溫度、壓力、流量和液位(或體積)等工藝參數(shù)的采集，從而控制各種閥門的開關和水泵的啟停。CPU具有內(nèi)置的以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)線和路由器與兩臺上位機通訊。上位機采用Windows7.0系統(tǒng)，組態(tài)軟件采用MCGS。通過組態(tài)軟件可監(jiān)控常規(guī)加注模擬訓練系統(tǒng)的狀態(tài)和對其進行參數(shù)設置。為了滿足教學訓練應用，上位機配有VGA接口，兩臺上位機通過VGA接口同時連接到一臺投影儀上，可通過遙控器切換投影至大屏進行教學訓練顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計可分為PLC程序設計和上位機軟件設計兩個部分。

3.1 PLC程序設計

PLC程序設計采用STEP7編程軟件，STEP7提供了標準編程語言，用于方便高效地開發(fā)具體用戶控制程序。常規(guī)加注模擬訓練設備控制系統(tǒng)主要流程包括：實時數(shù)據(jù)采集、加注流程、輔助流程、故障分析處理。程序主流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)PLC程序主流程圖

3.1.1 數(shù)據(jù)采集功能設計

模擬量輸入模塊對模擬量輸入進行采集和濾波，模擬量輸入采用電流輸入。模擬量輸入信號包括溫度、流量、壓力和液位。RTD輸入模塊用于對溫度信號進行采集和濾波。溫度傳感器型號為PT100。數(shù)字量輸入模塊用于對開關量輸入信號進行采集，包括控制開關，手動自動選擇和急停等信號。CPU模塊自帶的高速計數(shù)通道主要對流量脈沖輸入進行采集和處理。

3.1.2 加注工藝流程設計

加注過程分為手動和自動兩種方式，具體流程如圖3所示。手動加注過程中，每個階段可分步進行，某一階段完成后，系統(tǒng)均進入待機狀態(tài)。操作員根據(jù)需要選擇下一次執(zhí)行哪個加注階段，還是結束整個加注過程。

圖3 自動加注流程圖

PLC軟件梯形圖設計自動加注過程主要分為五個階段：準備加注、開始加注、全速加注、減速加注、定量補加，其工作流程如下：

1)控制系統(tǒng)啟動，若選擇自動，則進入2)；

2)準備加注程序啟動，并判斷并泵和管路排空是否完成，若“是”，則進入3)；若“否”，則繼續(xù)執(zhí)行2)；

3)判斷“準備加注OK”按鈕是否按下，若“是”，則進入4)；若“否”，則返回2)；

4)開始加注，并判斷儲箱是否到達0液位，若“是”，則繼續(xù)執(zhí)行4)；若“否”，則進入5)；

5)準備全速加注，并判斷兩泵是否運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，若“是”，則進入階段6)；若“否”，則繼續(xù)執(zhí)行5)；

6)全速加注(大流量)，并判斷儲箱是否到達I液位，若“是”，則進入7)；若“否”，則繼續(xù)執(zhí)行6)；

7)減速加注，判斷儲箱是否到達II液位，若“是”，則進入8)；若“否”，則繼續(xù)執(zhí)行7)；

8)補加準備，并判斷是否選擇補加，若“是”，則進入9)；若“否”，繼續(xù)執(zhí)行8)；

9)補加，并判斷補加量是否OK，若“是”，則進入10)；若“否”，則繼續(xù)執(zhí)行9)；

10)系統(tǒng)待機，并判斷待機是否結束，若“是”，自動完成；若“否”，繼續(xù)執(zhí)行10)。

自動加注過程中，有三個步驟需要人為干預：1)全速加注時，確認兩個泵都工作正常后，操作員需要按操作確認鍵，將兩個相應電磁調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整到某一開度； 2)減速加注完成后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。檢查完系統(tǒng)設定好補加量后，操作員需要操作補加啟動鍵，開始補加過程；3)補加結束后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，操作員按待機結束鍵，結束整個加注過程，該流程如圖4所示。

3.1.3 輔助加注工藝流程設計

設備輔助加注工藝流程包括氣檢、灌泵、打回流、倒罐、調(diào)溫、放空和泄回，如圖4所示。不同工作過程，可在操作平臺進行操作，相應的流體流動狀態(tài)和閥門狀態(tài)在監(jiān)控機上動態(tài)顯示。

圖4 輔助加注工藝框架圖

輔助流程設計過程，充分考慮實際系統(tǒng)的各種工況，根據(jù)需求進行系統(tǒng)簡化，盡可能全面地再現(xiàn)實際系統(tǒng)的各個流程，達到讓學員全面理解工藝流程的目的。

3.1.4 單點操作

在單點操作界面上可對每個閥門、加注泵、電調(diào)閥進行單獨的開關和啟停。單點操作可方便學員們理解各種閥門及泵的工作原理和動作過程，了解每個閥門在系統(tǒng)中的位置和具體功能。

3.1.5 故障診斷及記錄

本控制系統(tǒng)可對各工藝過程參數(shù)的高低限、超高超低限進行報警和檢測，每步加注過程進行超時檢測，避免水泵空打等故障的發(fā)生?？蓪Ω鞣N報警進行記錄，通過查詢歷史報警記錄，可分析故障原因。

3.2 上位機程序設計

系統(tǒng)中兩臺上位機系統(tǒng)組態(tài)軟件均采用MCGS。MCGS 包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分。系統(tǒng)MCGS組態(tài)環(huán)境主要由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略組成。采用面向?qū)ο蟮募夹g，把大量的復雜操作和處理封裝在功能模塊的內(nèi)部，提供給用戶的只是一系列簡單、直觀的功能模塊屬性。把用戶從繁瑣的編程中解脫出來，通過動畫效果實現(xiàn)實時監(jiān)控[4]。

監(jiān)控機系統(tǒng)由一個主流程畫面組成，具體畫面如圖5所示。主要實現(xiàn)對過程參數(shù)、工藝流動狀態(tài)、閥門、屏蔽泵、貯罐、放空罐和儲箱狀態(tài)的指示和監(jiān)測，并建立動態(tài)連接。MCGS實現(xiàn)動畫效果的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立動畫連接，并設置相應的動畫屬性。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的狀態(tài)特征由數(shù)據(jù)對象的實時數(shù)值驅(qū)動，用以實現(xiàn)圖形的動畫效果[5]。系統(tǒng)中的氣體和液體采用不同顏色的流動條區(qū)分，閥門開關用不同顏色指示。便于學員全面理解系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)。加注流程完成后，可彈出統(tǒng)計報表，綜合體現(xiàn)不同加注階段各個貯罐和儲箱的狀態(tài)及加注量等信息。

圖5 設備控制系統(tǒng)的MCGS監(jiān)控畫面

具體內(nèi)容如下：

1)界面設計：圖形編輯器由圖形程序和各種各樣的工具組成，具有創(chuàng)建和修改過程畫面的功能。用戶可以根據(jù)需要添加自選圖片、功能按鈕、ActiveX控件等對象，并可以對這些對象進行靜態(tài)和動態(tài)屬性的設置，完成界面的設計。為滿足發(fā)射機控制系統(tǒng)的人機交互需要，對人機界面需要顯示的數(shù)據(jù)和提供的操作控制功能進行分類，設計了如圖6所示的多級菜單界面。

圖6 系統(tǒng)多級菜單界面圖

2)參數(shù)設置：MCGS系統(tǒng)可進行權限設置和管理，重要的參數(shù)設置和單點操作過程具有權限保護，防止非專業(yè)人員的誤操作。加注參數(shù)裝訂、加注方式及設備選擇和電動調(diào)節(jié)閥開度設置過程需要兩步確認，再現(xiàn)了真實系統(tǒng)的參數(shù)設置過程。

3)工藝過程：可對加注工藝和輔助工藝進行操作和監(jiān)控，同時檢測系統(tǒng)報警。

4)數(shù)據(jù)記錄和查詢功能：數(shù)據(jù)記錄包括過程記錄和報警記錄兩部分。過程記錄可在相應的查詢畫面中查詢。報警記錄在歷史報警畫面中查詢。

5)遠程通信：由于兩臺上位機均采用的是工控機和組態(tài)軟件結構，具有以太網(wǎng)接口，組態(tài)軟件組態(tài)靈活，便于將來與遠程系統(tǒng)進行通訊擴展。

4 系統(tǒng)測試及分析

本系統(tǒng)測試過程包括實驗室測試和現(xiàn)場聯(lián)調(diào)。 實驗室測試主要是模擬各個工藝流程，觀測各個閥門的輸出和泵的動作是否正常。主要用于檢測邏輯和畫面錯誤。現(xiàn)場聯(lián)調(diào)則真實地對常規(guī)加注模擬訓練設備進行測試。

測試的主要內(nèi)容包括實時數(shù)據(jù)獲取和顯示、正常工藝過程測試、故障報警測試。首先，使系統(tǒng)所有設備和檢測元件處于正常工作狀態(tài)。監(jiān)測所有過程參數(shù)是否能正確讀取和顯示。通過單點操作測試各個閥門及泵的工作狀態(tài)是否正常。根據(jù)不同工藝流程要求，進行參數(shù)設置，測試各個流程動作是否正常，顯示畫面數(shù)據(jù)指示、流動狀態(tài)指示、參數(shù)變化是否正常。其次，人為制造急停報警、過限保護報警和加注超時等工藝報警，測試各種報警是否能夠發(fā)出聲光提示和能被記錄。最后對參數(shù)記錄和查詢功能進行測試。

經(jīng)過測試表明，常規(guī)加注模擬訓練控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和顯示、能夠較全面地再現(xiàn)真實系統(tǒng)加注過程和輔助過程、具有故障診斷判斷和保護功能、能夠?qū)に囘^程的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)進行記錄和查詢。滿足教學訓練的目的。

5 結束語

本文以PLC控制器為核心，配合工控機系統(tǒng)，實現(xiàn)了對常規(guī)加注模擬訓練設備的控制要求，基本滿足了常規(guī)加注方向士官培訓在崗位操作和工藝流程方面要求。經(jīng)過調(diào)試檢測和教學使用，表明系統(tǒng)功能完善合理，較好地模擬了真實系統(tǒng)，具有較好的可靠性。

[1] 張永吉，陳占海. 大型運載火箭推進劑加注量定量方式的研究[J]. 上海航天，1992，(6)：11-12，51.

[2] 張 煒，張玉祥，黃先祥. 導彈推進劑加注設備實時智能診斷系統(tǒng)[J]. 推進技術，2002，23(6)：489-491.

[3] Hermino Martinez-Garcia. Design of an Intelligent Field Transmitter [A]. The 14thIEEE international conference，Emerging Technologies & Factory Automation[C]. 2009：1-4.

[4] 黃戈里. MCGS組態(tài)技術的應用研究 [J]. 煤炭技術，2012，31(1)：65-66.

[5] 邢滿榮，張 鵬，王曉冬，等. 基于PLC和MCGS組態(tài)的機械手控制系統(tǒng)的設計[J]. 制造業(yè)自動化，2014，37(4)：11-13，23.

Design and Implementation of Conventional Propellant Pour Training Equipment Control System Based on PLC

Li Jun1，Zhou Licheng2，Zhou Hui2，Li Zongmei3

(1.Changping NCO School, Equipment Academy Test Launch System，Beijing 102200，China;2.Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co.,Ltd，Beijing 100124，China;3.Beijing Dongkun Science and Technology Co.,Ltd，Beijing 100102，China)

Conventional propellant pour training equipment control system is designed with PLC as the core controller according to actual control requirements. The hardware design of the system is described and the soft ware design based on an integrated development environment is introduced in detail. Then after the laboratory test and field test，the system has realized many kinds of filling process，real-time data monitoring，manual/automatic control，fault analysis and processing，parameter settings，recording historical information and other function. It can meet all control requirements of training equipment，and has a powerful remote control ability and human-computer interaction ability，also with good reliability and real-time.

conventional propellant pour；training equipment；control system；PLC

2016-03-11；

2016-03-30。

李 俊(1971-)，男，山西臨汾人，碩士研究生，講師，主要從事特燃加注、配氣方向的研究。

1671-4598(2016)06-0117-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.032

TP273

A