高 飛，王璐璐，李芳野，謝 望，韓 飛，江 坤，徐 昕

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.中國船舶集團(tuán)有限公司 第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，商業(yè)航天測控領(lǐng)域得到極大的促進(jìn)［1］，體積較大、成本較高的傳統(tǒng)運(yùn)載火箭測控設(shè)備已逐漸不能滿足實際的使用需求，用戶對于運(yùn)載火箭測控裝備小型化、低成本、功能齊全、質(zhì)量穩(wěn)定的需求日益旺盛。立足于向使用方提供實用、好用的裝備，同時提高快速發(fā)射運(yùn)載火箭的市場競爭力，本文以某型號運(yùn)載火箭測量系統(tǒng)供配電測試設(shè)備為研究對象，對小型化低成本運(yùn)載火箭測控設(shè)備設(shè)計開展分析與研究。主要從元器件選型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和軟件功能優(yōu)化方面分析了運(yùn)載火箭測控設(shè)備小型化設(shè)計原則，從選用成熟貨架產(chǎn)品、國產(chǎn)化產(chǎn)品、冗余設(shè)計方面研究了產(chǎn)品低成本設(shè)計原則。

1 小型化設(shè)計原則

某型號運(yùn)載火箭測量系統(tǒng)舊版供配電設(shè)備前后面板和連接電纜如圖1所示，機(jī)柜高約2米，舊設(shè)備的面板按鈕均為機(jī)械式按鈕，需要人員在現(xiàn)場前端進(jìn)行設(shè)備的操作和狀態(tài)的記錄、檢測等，同時電源設(shè)備的面板較大，設(shè)備體積大，重量大，不便于人員對設(shè)備的搬運(yùn)和維護(hù)。用于供配電設(shè)備完成功能自檢的等效器如圖2所示，等效器的體積較大，不能安裝在機(jī)柜內(nèi)，人員搬運(yùn)不方便。

圖1 舊版供配電設(shè)備前后面板及連接電纜實物圖

圖2 舊版等效器實物圖

測控設(shè)備設(shè)計要求保證其可靠性、可測試要求和友好的人機(jī)操作界面要求以及環(huán)境適應(yīng)性要求，同時設(shè)備要求操作簡單易行，數(shù)據(jù)顯示清晰易讀。在滿足測試、報警要求的前提下，設(shè)備的電路設(shè)計應(yīng)簡單、可靠，同時采取必要的元器件降額措施。

1.1 元器件選型

航天電子的發(fā)展對元器件小型化提出了要求，受到設(shè)備體積的限制，留給元器件的安裝空間相當(dāng)有限，而且在元器件小型化發(fā)展的同時，性能還不能降低，否則會影響產(chǎn)品功能［2］。

文獻(xiàn)［3］和［4］通過使用高度集成、模塊化、小型化的芯片減少額外器件的使用，對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化整合，充分合理利用板間空間，實現(xiàn)測控系統(tǒng)硬件的小型化設(shè)計。為了盡量減小供配電控制組合的體積、重量，選擇高集成化、多通道、多功能、相對體積小、高可靠性的功能板卡或元器件。新研供配電控制系統(tǒng)輸出采用NI數(shù)字I／O 模塊加達(dá)林頓管驅(qū)動模塊作為繼電器的控制裝置。離散量電輸入信號控制繼電器閉合，繼電器將數(shù)字I／O 模塊輸出的5V電源信號連接到相應(yīng)的I／O 通道。模擬量電流和電壓的采集使用NI的高精度數(shù)據(jù)采集卡、分流器、高精度電阻和隔離模塊實現(xiàn)。

為保證產(chǎn)品可靠性以及便于后期維護(hù)，板卡、元器件盡量選擇型號上成功發(fā)射使用過的產(chǎn)品。供配電控制組合I／O 卡選擇NI數(shù)字I／O 板卡，模擬量采集選擇NI數(shù)據(jù)采集卡，達(dá)林頓管選擇ULN2803A，大功率繼電器選擇宏發(fā)工業(yè)級繼電器，信號繼電器選擇松下繼電器，隔離模塊選擇研華ADAM 模塊，等效器內(nèi)部大功率電阻選用四川永星線繞電阻器。供配電控制組合內(nèi)元器件如圖3、圖4所示。

圖3 達(dá)林頓數(shù)字I／O 驅(qū)動模塊ULN2803

圖4 隔離DC輸入／輸出模塊和分流器

AD采集卡最大支持單端32路或差分16路模擬信號輸入，電壓采集范圍±10V，分辨率達(dá)到18位，遠(yuǎn)滿足精度0.05V 的要求。I／O 卡支持96通道輸入輸出，每通道電流驅(qū)動24mA，輸入-0.5～5.5V，輸出0～5V，I／O 邏輯電平5V。達(dá)林頓管ULN2803A 最大輸入電壓30V，連續(xù)輸出電流500mA，能可靠驅(qū)動繼電器。大功率繼電器觸點(diǎn)耐壓值48～125V／100A，遠(yuǎn)滿足實際要求28VDC／32A。隔離模塊輸入包括分流器0～50 mV 輸入和分壓電阻0～10V輸入。供配電控制組合選用的器件或板卡均為商業(yè)貨架產(chǎn)品，經(jīng)過市場競爭且大批量投產(chǎn)的商業(yè)貨架產(chǎn)品在體積、研制周期、成本方面比體制內(nèi)產(chǎn)品占有顯著優(yōu)勢。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在元器件小型化基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備功能需求合理排布器件，提高可維護(hù)性［5］，設(shè)備優(yōu)化設(shè)計后能最大化利用機(jī)箱內(nèi)部空間，有效減小設(shè)備體積。新研供配電控制組合箱體設(shè)計成8U 高度可上19英寸機(jī)架的金屬箱體，箱體后面板安裝有與箭上產(chǎn)品連接的連接器、與4臺電源連接的連接器、數(shù)字I／O 板卡／數(shù)據(jù)采集卡信號輸入接線端子、220V電源輸入連接器等，與舊供配電控制組合相比，優(yōu)化了連接器選型、控制與采集信號整合，減少了對外接口連接器數(shù)量。

供配電控制組合前面板下部的蓋板可上下翻轉(zhuǎn)打開，方便繼電器板子更換維護(hù)，有效縮短了現(xiàn)場維護(hù)更換時間。為滿足用戶使用需求，方便時刻觀察地面對箭上供電狀態(tài)和關(guān)鍵信號采集，組合前面板設(shè)置有配電器2 地面加電、電池2加電、T1～T6路加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）地面加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）電池加電、T11加電（Ⅰ～Ⅳ）、T12加電（Ⅰ～Ⅳ）、起飛信號共25個指示燈和4個電源輸出測量接口及組合電源開關(guān)。

為便于轉(zhuǎn)運(yùn)和使用，箭上配電器等效器設(shè)計成小單機(jī)形狀，后面板根據(jù)真實配電器接口設(shè)計，前面板配置了數(shù)字壓力表、箭上供電狀態(tài)指示燈、箭上關(guān)鍵信號接收指示燈、箭上控制信號輸出按鈕，既滿足驗證地面產(chǎn)品功能正確性要求，又減小了產(chǎn)品體積，5個等效器可同時放置于機(jī)柜工具箱內(nèi)，供配電系統(tǒng)設(shè)備連接框圖如圖5所示。

圖5 供配電系統(tǒng)設(shè)備連接框圖

對供配電控制組合機(jī)箱、電源機(jī)箱、配電器等效器機(jī)箱進(jìn)行小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制組合體積受后面板連接器數(shù)量影響而不能太小，最終控制組合機(jī)箱、電源機(jī)箱、等效器機(jī)箱的高度分別為8U、2U、2U，控制組合、電源整機(jī)重量小于20kg，等效器整機(jī)重量小于5kg。控制組合前面板設(shè)置合理的指示燈和輸出電壓測量接口，后面板均勻合理分布對外航插件。整套供配電設(shè)備全部集成于高度1.5m機(jī)柜內(nèi)，實現(xiàn)了小型化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.3 軟件功能優(yōu)化

主控軟件實現(xiàn)信號的可靠性采集和自動輸出控制，軟件界面采用虛擬顯示或控制的表頭、指示燈、按鈕等控件代替實體器件能有效減小設(shè)備體積。供配電控制測試設(shè)備只保留了箭上部分關(guān)鍵控制信號狀態(tài)指示燈和按鈕，確保主控軟件和硬件之間工作的協(xié)調(diào)性與正確性。

為了提高軟件的自動化程度，防止誤操作，并減少人員的工作量和操作復(fù)雜性，可將部分控制操作在軟件中做成自動邏輯去執(zhí)行，如將箭上遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償切換、轉(zhuǎn)電前地面電源斷電、轉(zhuǎn)電后地面電源斷電、緊急斷電地面電源斷電控制通過軟件自動執(zhí)行。

軟件以虛擬表頭形式顯示所有電源輸出電壓、電流，地面母線電壓、對箭輸出電流，以及箭上各配電器反饋的電壓。以虛擬指示燈形式顯示電源狀態(tài)、箭上轉(zhuǎn)電好、引爆狀態(tài)。以數(shù)字表頭形式顯示起飛時間、加電時間。當(dāng)電源狀態(tài)異常（過壓、過流、過溫）時，可以聲光形式予以報警。

軟件以虛擬按鈕開關(guān)形式控制地面電源通斷、各通路通斷、轉(zhuǎn)電指令、安全自毀信號、模擬零秒、模擬姿態(tài)信號等。當(dāng)設(shè)備異常斷電時，會自動斷開所有通路，避免第二次加電時出現(xiàn)誤動作。軟件以流程屏形式記錄所有操作時間，電源的電壓、電流曲線可存盤進(jìn)行回溯、分析。人機(jī)界面設(shè)計效果如圖6所示。界面上包含4臺電源狀態(tài)、芯級供電狀態(tài)、助推供電狀態(tài)、測試流程、芯級供電指令控制按鈕、助推供電指令控制按鈕、電源連接控制按鈕、緊急控制按鈕。軟件界面通過分區(qū)域和不同標(biāo)題填充顏色讓操作人員能夠快速定位操作指令或狀態(tài)讀取判別。

圖6 主控軟件人機(jī)界面

供配電新、舊設(shè)備功能變化情況如表1所示。小型化設(shè)計后的供配電設(shè)備不僅功能更加豐富，體積更加輕便，解決了舊設(shè)備體積大、操作不便、功能不全等缺點(diǎn)。

表1 供配電新、舊設(shè)備功能變化情況

2 低成本設(shè)計原則

隨著商業(yè)航天快速發(fā)展和型號任務(wù)更加繁重，總體單位對地面測發(fā)控產(chǎn)品的研制費(fèi)用、周期、質(zhì)量控制的更加嚴(yán)格，地面測控產(chǎn)品正朝著小型化、低成本，短研制周期趨勢發(fā)展。文獻(xiàn)［6］對比了國內(nèi)外貨架產(chǎn)品不同理念，闡述了貨架產(chǎn)品進(jìn)軍航天裝備設(shè)計思路，為航天裝備貨架建設(shè)提供參考借鑒。文獻(xiàn)［7］介紹了在航天裝備上使用市售設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，就可利用市場自身的創(chuàng)造活力，減少費(fèi)用并縮短研制周期。模塊化現(xiàn)成系統(tǒng)既能在短期內(nèi)提供現(xiàn)代化技術(shù)，又可在以后作為功能擴(kuò)展與技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)。在商業(yè)航天及運(yùn)載型號測發(fā)控產(chǎn)品研制中采用商業(yè)貨架產(chǎn)品，如普通車用繼電器和民用元器件等，商業(yè)貨架產(chǎn)品替代定制軍品可有效控制產(chǎn)品研制成本及周期。國外在商業(yè)貨架產(chǎn)品進(jìn)軍軍品研制領(lǐng)域比我們要早，西方國家率先提出采用民用產(chǎn)品、服務(wù)以及技術(shù)作為其防務(wù)采辦系統(tǒng)運(yùn)行的政策，產(chǎn)品研制過程中優(yōu)先考慮從民用產(chǎn)品領(lǐng)域獲得國內(nèi)外技術(shù)、系統(tǒng)以及設(shè)備。隨著商業(yè)貨架產(chǎn)品迅猛發(fā)展，產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠，商業(yè)貨架產(chǎn)品進(jìn)軍商業(yè)航天及運(yùn)載型號測控領(lǐng)域成為必然趨勢［8］。

2.1 選用商業(yè)貨架產(chǎn)品

貨架產(chǎn)品具有通用性強(qiáng)、成熟度高、質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)能滿足需求、市場需求強(qiáng)等特點(diǎn)［9］。根據(jù)研究總結(jié)國外的研究成果，商業(yè)航天及運(yùn)載型號測控領(lǐng)域選用商業(yè)貨架產(chǎn)品應(yīng)遵循性能原則、經(jīng)濟(jì)性原則、環(huán)境適應(yīng)性原則、可靠性原則、維修保障原則［8］。選用商業(yè)貨架產(chǎn)品的前提條件是滿足性能原則和經(jīng)濟(jì)性原則。商業(yè)貨架產(chǎn)品需滿足商業(yè)航天及運(yùn)載型號測控產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)及接口要求等。在壽命周期費(fèi)用上采用商業(yè)貨架產(chǎn)品必須是合算的。對于產(chǎn)品使用的特殊環(huán)境要求商業(yè)貨架產(chǎn)品必須能正常可靠工作，同時必須與現(xiàn)有的維修保障體系相協(xié)調(diào)，滿足快速診斷、更換和持續(xù)保障需求。

我們經(jīng)過大量實踐驗證，證明商業(yè)貨架元器件可以選擇額定值大于軍品元器件額定值數(shù)倍的產(chǎn)品來提高元器件可靠性，比如軍品繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載28V50A，可選擇商業(yè)貨架繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載28V100A，通過增大觸點(diǎn)額定功率提高可靠性，元器件可靠性提高的同時成本仍得到了較好的控制。定制功能板卡研制周期和成本相對較高，在投產(chǎn)數(shù)量較少的情況下推薦選擇常用的成熟貨架產(chǎn)品，采用貨架板卡具有裝備研制進(jìn)度快、研制費(fèi)用低、技術(shù)成熟、批量大、兼容性好等優(yōu)勢。

地面測發(fā)控產(chǎn)品主要功能之一是實現(xiàn)對箭直流供電，體制內(nèi)研制的直流電源為了提高產(chǎn)品可靠性，元器件選用級別多為國軍標(biāo)級，電源面板上實體按鈕、燈、表頭較多，軟件功能比較簡單、體積較大。隨著商業(yè)貨架電源技術(shù)更加成熟，功能更加豐富，采用商業(yè)貨架電源結(jié)合熱備冗余的設(shè)計方案可解決現(xiàn)有運(yùn)載地面直流電源設(shè)備體積較大，成本較高、研制周期長問題。供配電設(shè)備選擇的HY-PM 40-63直流電源輸出電壓DC 0～40V 可調(diào)，輸出最大電流63A，各項指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)書要求，電源同時具有遠(yuǎn)端補(bǔ)償、過壓、過流等保護(hù)機(jī)制。商業(yè)直流電源可通過主副機(jī)熱備冗余設(shè)計提高可靠性，電源接收上位機(jī)軟件UDP控制指令時，可通過上位機(jī)軟件單條指令發(fā)送接收允許重復(fù)發(fā)送來提高電源通訊可靠性。

2.2 國產(chǎn)化產(chǎn)品替代

文獻(xiàn)［10］介紹了電子元器件國產(chǎn)化替代的現(xiàn)實意義，指出目前元器件替代存在的主要問題。文獻(xiàn)［11-12］列舉了目前軍用電子元器件國產(chǎn)化替代應(yīng)用暴露出的問題，對問題進(jìn)行思考分析，提出了相應(yīng)的措施和對策。隨著國內(nèi)電子元器件研制單位的技術(shù)攻關(guān)和國家的大力支持，國產(chǎn)電子元器件性能水平取得了較快發(fā)展，部分國產(chǎn)電子元器件的性能已接近或達(dá)到了國際先進(jìn)水平［13］。

由于運(yùn)載火箭測控設(shè)備需要完成開關(guān)量控制、邏輯控制、通信、信號采集等復(fù)雜功能，設(shè)計時大多采用PLC 模塊或者PXI功能板卡實現(xiàn)上述功能。

PLC作為一類成熟可靠的工業(yè)級產(chǎn)品，且具有易上手、開發(fā)周期短等優(yōu)勢，因此PLC 在運(yùn)載火箭測控設(shè)備中起到了不可替代的作用。長期以來，我國運(yùn)載火箭測控設(shè)備PLC的采購，從20世紀(jì)的日系（三菱、歐姆龍），到21世紀(jì)初的歐系（西門子、施耐德），都逃不開進(jìn)口產(chǎn)品的影子。從2020年開始，測發(fā)控系統(tǒng)開始進(jìn)入統(tǒng)型設(shè)計的時代，在多個新運(yùn)載火箭型號測發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計中，PLC 仍然繼承了傳統(tǒng)運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)中產(chǎn)品型號的選型。2022年，新研某型號運(yùn)載火箭動力測發(fā)控系統(tǒng)的配套提上了日程，自2020年新冠疫情不斷惡化，在全球范圍內(nèi)掀起了一場愈演愈烈的芯片大短缺 “戰(zhàn)爭”。由于芯片產(chǎn)品研發(fā)難度高、周期長，投入成本高，因此芯片的價格不斷上漲，間接地影響了國際PLC市場，一套模塊的價格從十幾萬，漲到幾十萬，一些特殊的型號甚至漲價10幾倍。截止目前，國際PLC市場的價格漲幅趨勢只增不減。西門子PLC 大幅提價、甚至對華禁售的消息傳來，極大的影響了運(yùn)載火箭測控設(shè)備的開發(fā)成本。當(dāng)進(jìn)口電子元器件遭遇停產(chǎn)斷檔、禁運(yùn)等情況，而武器裝備又急需使用時，國產(chǎn)化替代顯得尤為重要和緊迫，國產(chǎn)化替代驗證成為保證武器裝備質(zhì)量與可靠性的重要一環(huán)［14-15］。

為打破PLC設(shè)備進(jìn)口壁壘，經(jīng)多方比較并經(jīng)過嚴(yán)格的實驗驗證，將新研某型號運(yùn)載火箭動力測發(fā)控系統(tǒng)中的西門子PLC替換為浙江中控自研的國產(chǎn)PLC可解決進(jìn)口元器件成本高昂、技術(shù)封鎖等問題。為驗證國產(chǎn)PLC 性能，針對PLC的工作模塊以及冗余機(jī)制開展實驗。

4～20mA 模擬量采集模塊采集電流值接近滿量程過程中，采集數(shù)據(jù)與電流表內(nèi)數(shù)據(jù)偏差逐步增大，最大偏差0.1mA，此偏差不影響在動力測發(fā)控系統(tǒng)中的使用，模塊進(jìn)行矯正動作后，則沒有隨著電流值增大后的偏差。因此考慮此偏差可能由使用的儀表帶來，不影響動力測發(fā)控系統(tǒng)中的使用。電壓采集偏差小于±0.001V，晶體管輸出模塊反應(yīng)時間穩(wěn)定，DI到DO 響應(yīng)時間為15ms左右，即使加上繼電器響應(yīng)時間3～5ms之間，整體反應(yīng)時間可控制在20ms以內(nèi)。同時，使用晶體管輸出模塊雖可解決輸出通道時延問題，在組態(tài)軟件中將引起時延要求較高的輸入通道，如觸發(fā)連接器脫落動作的點(diǎn)火、起飛等信號硬件接線中設(shè)計到同一個模塊當(dāng)中，并在組態(tài)軟件中將該模塊硬件變量設(shè)置為變化更新，并將連接器脫落指令相關(guān)語句在事件任務(wù)中執(zhí)行，則有較好的聯(lián)鎖響應(yīng)時間表現(xiàn)。

浙江中控國產(chǎn)PLC G5Pro控制系統(tǒng)支持CPU 機(jī)架冗余、電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、通訊模塊冗余、IO 模塊冗余。適用于大規(guī)模的應(yīng)用場景，具備全面的冗余措施、快速的冗余切換時間、完善的診斷機(jī)制，極大地提高了系統(tǒng)的冗余容錯能力，保證系統(tǒng)整體的可靠性。在冗余機(jī)制驗證方面，借用浙江中控PLC G5Pro系列模塊進(jìn)行冗余系統(tǒng)搭建，搭建冗余系統(tǒng)如圖7所示，采用雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，對運(yùn)載火箭測控設(shè)備常用的CPU 冗余、輸出模塊冗余以及模擬量輸入模塊冗余進(jìn)行了驗證。

圖7 國產(chǎn)化PLC環(huán)網(wǎng)冗余系統(tǒng)示意圖

圖8 文獻(xiàn)［19］和文獻(xiàn)［20］冗余設(shè)計方案

類似圖7冗余系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程I／O 從站上使用輸出模塊，模擬網(wǎng)線斷開等故障，均可正常輸出。輸出模塊輸出通道沒有因為冗余系統(tǒng)中單點(diǎn)故障導(dǎo)致輸出中斷。對單個CPU 模塊進(jìn)行斷電等操作也未影響模塊正常輸入輸出功能。

后又在從站中配置模擬量輸入模塊，并驗證模擬量輸入模塊的相鄰冗余模式，即從站中相鄰位置上使用同樣規(guī)格兩塊模擬量輸入模塊。通過浙江中控成品線纜連接到同一塊端子板上。當(dāng)有4～20mA 電流流過時，兩個模塊中有一個輸入模塊為主用模式，當(dāng)拔掉該模塊上線纜模擬輸入故障時，則備用模塊正常接入工作，反應(yīng)切換時間在5ms之內(nèi)。該功能在動力測發(fā)控系統(tǒng)內(nèi)推薦使用，解決了之前測發(fā)控系統(tǒng)對電流采樣采用西門子模塊測試時的單點(diǎn)環(huán)節(jié)。相較于西門子PLC，浙江中控國產(chǎn)PLC 除了CPU、DI、DO、電源模塊以及通信模塊具備冗余功能以外，AI模塊新增了冗余功能。如果其中一個AI模塊失效，備份AI模塊接入采集工作，提高了模擬量采集的可靠性。

實驗結(jié)果證明國產(chǎn)PLC 在性能、可靠性指標(biāo)上不低于同價位日、歐進(jìn)口PLC，部分技術(shù)指標(biāo)甚至優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。秉承“大膽論證，謹(jǐn)慎驗證”的原則，我們將國產(chǎn)PLC 首次應(yīng)用于新研運(yùn)載火箭測發(fā)控系統(tǒng)的自檢設(shè)備（等效器），并在2022年順利完成Y1首飛，最終取得圓滿成功。為國產(chǎn)PLC后續(xù)在型號對箭測試產(chǎn)品中的全面應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

在成本方面，以動力測發(fā)控系統(tǒng)某設(shè)備為例，所選用的PLC模塊較少，經(jīng)核算該設(shè)備的主要模塊分別選用西門子PLC 和浙江中控國產(chǎn)PLC，選用西門子PLC 的成本為212 704元，而選用浙江中控PLC的成本為146 000元，成本降低了66 704元，較前一代測控設(shè)備成本降低了31.4%。

PLC國產(chǎn)化的替代，是我所運(yùn)載火箭測控設(shè)備走出進(jìn)口產(chǎn)品“包圍圈”的重要一步。在此次運(yùn)載火箭測控設(shè)備PLC國產(chǎn)化替代探索的過程中，一方面，在滿足性能與可靠性的前提下顯著地降低了設(shè)備采購成本，同時也大幅縮減了設(shè)備訂購周期；另一方面，打破了西方國家對我國航天領(lǐng)域在技術(shù)層面的 “卡脖子”的現(xiàn)狀，實現(xiàn)掌握技術(shù)自主的目標(biāo)。最終形成了經(jīng)濟(jì)成本控制、時間成本降低、可靠性提高和基本功能保障 “四贏”的良好局面，為運(yùn)載火箭測控設(shè)備和我所其他領(lǐng)域產(chǎn)品的國產(chǎn)化替代起到了良好的示范作用。

2.3 合理冗余設(shè)計

在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，對主控制模塊和重要的輸入輸出模塊進(jìn)行冗余設(shè)計，一般配置為控制器冗余、總線冗余、通信冗余，可以降低故障風(fēng)險，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［16-18］。常用冗余設(shè)計是采用一個以上CPU、冗余IO 模塊進(jìn)行控制。文獻(xiàn)［19］介紹了一種采用小型PLC 實現(xiàn)冗余配置的方案，2臺完全相同的小型PLC 控制器通過信號檢測裝置來判斷PLC控制器功能是否正常，發(fā)出主從切換信號，實現(xiàn)熱備冗余。文獻(xiàn)［20］設(shè)計了一種動態(tài)可配置的冗余I／O 模塊系統(tǒng)，包括控制器、I／O 底座、I／O 模塊和通信總線，I／O 模塊會周期性上送主備I／O 模塊標(biāo)志，使控制器能實時監(jiān)視I／O 模塊狀態(tài)，并在I／O 模塊出現(xiàn)雙主時提供解決方案，使I／O 模塊重新決策進(jìn)入正常運(yùn)行方式。文獻(xiàn)［21］基于可靠性基礎(chǔ)理論分析了單系統(tǒng)、2單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)、3取2表決冗余及2乘2取2冗余PLC系統(tǒng)的可靠性、平均故障時間和可用性。

某型號測發(fā)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如發(fā)控設(shè)備、動力測控設(shè)備、配氣臺測控設(shè)備均采用西門子S7冗余PLC系統(tǒng)，其中S7冗余CPU 模塊為西門子去年推出的冗余系統(tǒng)專用CPU模塊，冗余PLC主站按照 “熱備用”模式中的活動狀態(tài)冗余性原理來運(yùn)行。對于一些重要發(fā)控指令，配置3個I／O從站對應(yīng)通道同時輸出，接通三選二繼電器或直接對箭上進(jìn)行狀態(tài)控制，一般控制指令采用雙冗余控制方案，對于所有反饋的開關(guān)量通道均采用雙冗余通道配置。在該種配置方法下，當(dāng)任意一個I／O 從站模塊發(fā)生故障時，其他兩個模塊正常輸出，都可以保證系統(tǒng)指令執(zhí)行的安全可靠。系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框圖

目前大部分PLC廠家只在大型PLC系統(tǒng)中推出冗余型PLC，而在小型PLC系統(tǒng)中沒有推出冗余型PLC，且大型的冗余型PLC系統(tǒng)價格昂貴，CPU 熱備冗余或者多從站輸出冗余大大提高了設(shè)備成本。為降低研制成本，地面測控設(shè)備可適當(dāng)縮減冗余設(shè)計。通過以往大量的工程測試經(jīng)驗表明，CPU 在實際使用中出現(xiàn)故障的概率極低，在項目成本有限及設(shè)備性能要求不高的情況下可以不考慮CPU 的冗余設(shè)計，I／O 從站也可以從多個從站改為單個從站，對于一些重要的控制指令采用雙冗余設(shè)計。為保證冗余控制可靠性，雙冗余通路設(shè)置在從站不同的模塊，這樣可避免單個I／O 模塊故障時雙冗余控制通路同時失效。

某商業(yè)航天運(yùn)載火箭地面發(fā)控PLC 設(shè)備用于實現(xiàn)火箭的控制指令上傳、狀態(tài)采集、配電、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、緊急斷電等功能，使用的模塊包括CPU 模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量采集模塊等。

發(fā)控PLC設(shè)備控制系統(tǒng)采用單CPU、單從站模式，對于箭上重要指令輸出通過從站中3個不同模塊（三選二冗余）或者2個不同模塊（雙冗余）控制輸出，防止出現(xiàn)單路失效導(dǎo)致的指令誤發(fā)或指令漏發(fā)模式，其原理如圖10所示。

圖10 三選二控制指令輸出

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品通用性，地面發(fā)控PLC 設(shè)備在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，將所有PLC 模塊單獨(dú)設(shè)計成一臺可多型號通用的設(shè)備，將內(nèi)部預(yù)留的IO 模塊輸出全部引出至輸出接口實現(xiàn)最大化設(shè)計，同時后續(xù)還可以通過增加模塊實現(xiàn)更多對箭信號的控制與采集，極大提高了測控設(shè)備的通用性，從而實現(xiàn)低成本設(shè)計。該控制系統(tǒng)已經(jīng)過藍(lán)箭朱雀運(yùn)載火箭系統(tǒng)集成綜合試驗考核和首飛驗證，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，未出現(xiàn)質(zhì)量問題，得到用戶的充分認(rèn)可。

3 結(jié)束語

本文提出了運(yùn)載火箭測控設(shè)備小型化低成本設(shè)計思路。地面測控設(shè)備可通過選擇高集成化、多通道、相對體積小的功能板卡或元器件，合理排布器件，最大化利用機(jī)箱內(nèi)部空間，采用虛擬表頭、指示燈、按鈕豐富軟件功能和顯示界面，提高軟件自動化程度達(dá)到測控設(shè)備小型化設(shè)計。商業(yè)貨架產(chǎn)品通過降額設(shè)計、國產(chǎn)化產(chǎn)品替代、合理冗余設(shè)計能達(dá)到低成本效益的同時不影響其可靠性。