莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建立

莊 建,李志剛,王智超

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

根據(jù)某型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)要求，為了保證試驗(yàn)產(chǎn)品和試驗(yàn)臺(tái)的安全，選取代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的典型參數(shù)作為自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判斷依據(jù)，通過(guò)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(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè);通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件的剖析、測(cè)試，得出該系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)綜合滯后偏差為0～0.25 s;利用信號(hào)發(fā)生器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作參數(shù)值對(duì)傳感器異常檢測(cè)、發(fā)動(dòng)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(yàn)證，系統(tǒng)無(wú)漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，為產(chǎn)品及試驗(yàn)臺(tái)的安全提供了保證;可為其它故障檢測(cè)系統(tǒng)建立和響應(yīng)時(shí)間分析提供參考。

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

0 引言

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)是運(yùn)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(yàn)證試驗(yàn)，它具有高風(fēng)險(xiǎn)、高費(fèi)用、試驗(yàn)時(shí)間短、故障發(fā)展迅速等特點(diǎn)。試驗(yàn)中的故障可能來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、也可能來(lái)自試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)，出現(xiàn)的故障在短時(shí)間內(nèi)可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸、試車(chē)臺(tái)燒損、人員傷亡等災(zāi)難性后果，而指揮員來(lái)不及判斷，無(wú)法及時(shí)采取有效措施?；诜€(wěn)態(tài)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)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(lái)的損失，保證人身安全、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，為發(fā)動(dòng)機(jī)試后故障分析提供故障現(xiàn)場(chǎng)[1]。同時(shí)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)可靠性，加快火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度具有非常重要的意義。

1 自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判別準(zhǔn)則設(shè)置

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)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(dòng)機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)等組成，其中發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的典型參數(shù)作為自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)判斷依據(jù)，可以涵蓋動(dòng)力系統(tǒng)的大部分故障。

本系統(tǒng)選取發(fā)動(dòng)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(bào)警系統(tǒng)用于在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。為了避免測(cè)量系統(tǒng)干擾或噪聲及個(gè)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(gè)檢測(cè)參數(shù)連續(xù)3次同時(shí)超出安全帶時(shí)實(shí)施緊急關(guān)機(jī)。

為避免誤關(guān)機(jī)，在獲取到檢測(cè)參數(shù)時(shí)先判斷測(cè)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(jì)思路，考慮到測(cè)量系統(tǒng)存在一定的測(cè)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(dòng)時(shí)序0 s為基準(zhǔn)，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段性能參數(shù)還不穩(wěn)定，自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)從13.5 s開(kāi)始對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常時(shí)實(shí)施自動(dòng)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(cè)單元；二是發(fā)動(dòng)機(jī)異常檢測(cè)單元。

1.1 傳感器和變換器檢測(cè)單元

該單元的作用是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)是否可信進(jìn)行確認(rèn)，在經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)異常檢測(cè)單元之前先經(jīng)過(guò)該單元。通過(guò)該單元，判定一個(gè)測(cè)量參數(shù)是否能夠作為判斷發(fā)動(dòng)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(cè)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(cè)量判據(jù)以N1為依據(jù)，當(dāng)N1異常時(shí)，以N2為依據(jù)。N1和N2同時(shí)異常則判斷轉(zhuǎn)速傳感器或變換器工作異常，測(cè)量數(shù)據(jù)不可信)。

2)當(dāng)壓力測(cè)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(dòng)機(jī)異常檢測(cè)單元

1)13.5 s～關(guān)機(jī)，在判斷檢測(cè)參數(shù)傳感器和變換器無(wú)異常的情況下，當(dāng)三個(gè)檢測(cè)參數(shù)連續(xù)三次同時(shí)超出安全帶時(shí)實(shí)施緊急關(guān)機(jī)，安全帶取值見(jiàn)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(shí)，將該參數(shù)剔除，對(duì)剩下的兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行判斷，當(dāng)兩個(gè)參數(shù)連續(xù)三次同時(shí)超出安全帶時(shí)實(shí)施緊急關(guān)機(jī)，安全帶取值見(jiàn)表1。

3)13.5 s～關(guān)機(jī)，當(dāng)判斷任兩個(gè)或三個(gè)傳感器或變換器異常時(shí)，判別準(zhǔn)則失效，自動(dòng)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(jì)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(jì)

緊急關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器/變換器、信號(hào)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(dòng)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(hào)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(diǎn)雙線模式保證高可靠輸出；采用信號(hào)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(hào)傳遞流程為：壓力傳感器和轉(zhuǎn)速線圈輸出信號(hào)經(jīng)變換器轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào),將此信號(hào)經(jīng)端子板進(jìn)入信號(hào)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被送入DDS。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DDS采樣選取，送入其中的兩個(gè)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(guò)GPIB-140A總線擴(kuò)展器和光纖送入計(jì)算機(jī)，以用于顯示、處理和存儲(chǔ)。由二次開(kāi)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(guò)吸合、斷開(kāi)無(wú)源觸點(diǎn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、關(guān)機(jī)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)將觸點(diǎn)信號(hào)變換為5 V階躍信號(hào)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/關(guān)機(jī)信號(hào)。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(shí)，采集主機(jī)的繼電器卡輸出關(guān)機(jī)觸點(diǎn)信號(hào)，控制系統(tǒng)以10 ms循環(huán)檢測(cè)觸點(diǎn)信號(hào)上升沿，并完成后續(xù)關(guān)機(jī)操作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Pacific 6000采集系統(tǒng)軟件的緊急關(guān)機(jī)部分是采用VB語(yǔ)言對(duì)采集軟件PI660進(jìn)行二次開(kāi)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(gè)緊急關(guān)機(jī)程序放在一個(gè)計(jì)時(shí)器控件Timer的事件過(guò)程中，Timer定時(shí)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(duì)啟動(dòng)信號(hào)(5 V)進(jìn)行判讀，若大于3.5 V，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，點(diǎn)火時(shí)標(biāo)開(kāi)始計(jì)時(shí)。通過(guò)高精度定時(shí)器STimer累加計(jì)時(shí)計(jì)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(shí)，繼電器輸出板輸出觸點(diǎn)信號(hào)。

3 系統(tǒng)響應(yīng)特性分析及測(cè)試

3.1 系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間使用經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)有系統(tǒng)從開(kāi)始條件判讀到關(guān)機(jī)操作理論時(shí)間應(yīng)為0.2秒，實(shí)際關(guān)機(jī)時(shí)間在0.2～0.45之間(不含控制系統(tǒng)反饋時(shí)間)。

整個(gè)緊急關(guān)機(jī)程序放在一個(gè)計(jì)時(shí)器控件Timer的事件過(guò)程中，timer定時(shí)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(duì)啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行判讀，若大于3.5 V，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，點(diǎn)火時(shí)標(biāo)開(kāi)始計(jì)數(shù)。通過(guò)STimer計(jì)數(shù)計(jì)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(shí)，使繼電器輸出板輸出觸點(diǎn)信號(hào)。

經(jīng)深入研究討論該延遲時(shí)間主要是由于以下幾個(gè)方面導(dǎo)致：

1)啟動(dòng)信號(hào)大于3.5 V時(shí)刻(發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻或點(diǎn)火時(shí)標(biāo)0 s時(shí)刻)的判讀精度；

2)關(guān)機(jī)條件滿足臨界點(diǎn)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(duì)上述三個(gè)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(shí)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(dòng)信號(hào)并判斷是否大于3.5 V，由此可能造成判讀點(diǎn)火時(shí)標(biāo)0 s時(shí)刻的延遲為100 ms；

2)同理，處于關(guān)機(jī)條件滿足臨界點(diǎn)判斷時(shí)，可能造判讀點(diǎn)火時(shí)標(biāo)13.5 s時(shí)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(shí)從6000通道讀取的數(shù)據(jù)，實(shí)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(shí)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(shí)刻讀通道，讀的還是-50 ms形成的數(shù)據(jù)包的第一個(gè)值，延遲為-50 ms。我們對(duì)這一項(xiàng)也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(jiàn)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(hào)發(fā)生器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作參數(shù)值，對(duì)傳感器和變換器檢測(cè)單元和發(fā)動(dòng)機(jī)異常檢測(cè)單元進(jìn)行故障模擬，以驗(yàn)證程序邏輯性和系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性。通過(guò)對(duì)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(jì)46種測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與理論分析一致，無(wú)漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到任務(wù)書(shū)要求。

4 結(jié)論

利用Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立的動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)，具備傳感器異常檢測(cè)、發(fā)動(dòng)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(hào)響應(yīng)時(shí)間為0～0.25 s，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)無(wú)漏關(guān)機(jī)和誤關(guān)機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，為產(chǎn)品及試驗(yàn)臺(tái)的安全提供保證?？蔀槠渌收蠙z測(cè)系統(tǒng)建立和響應(yīng)時(shí)間分析提供參考。

[1] 唐云龍,代玉東.液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)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(guó),徐浩海,等.液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)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(jí)工程師，主要從事液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0193-03

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

V433

A