液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)研究

徐勤貝 朱昊偉

學術研究

液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)研究

徐勤貝 朱昊偉

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

根據某型號液體火箭發(fā)動機液氧輸送管空化故障復現(xiàn)驗證試驗的要求，設計液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)。采用VB編程語言設計上位機操作程序，實現(xiàn)控制算法邏輯判斷，通過數(shù)據采集板卡與PLC交換指令，比較壓力傳感器采集的實際箱壓與液氧貯箱箱壓設定值，控制增壓電磁閥與放氣閥的開啟和關閉，實現(xiàn)不同階段液氧貯箱箱壓穩(wěn)定在設定的壓力范圍，滿足火箭發(fā)動機液氧輸送管壓力、流量穩(wěn)定的試驗需求。系統(tǒng)調試結果表明：該控制系統(tǒng)可靠、精度高，滿足故障復現(xiàn)驗證試驗要求。

液體火箭發(fā)動機；液氧貯箱；穩(wěn)壓控制；故障驗證

0 引言

2020年，某型號火箭的液體火箭發(fā)動機在飛行過程中出現(xiàn)故障，影響火箭的正常飛行任務。通過分析飛行數(shù)據，發(fā)現(xiàn)火箭飛行過程中該液體火箭發(fā)動機的液氧輸送管出現(xiàn)空化現(xiàn)象。為確定發(fā)動機故障原因并解決問題，需要在液體火箭發(fā)動機地面試驗臺開展試驗，復現(xiàn)故障液體火箭發(fā)動機的工作狀態(tài)，提出解決方案，并驗證解決方案的可行性。為保證試驗順利開展，試驗臺液氧貯箱需具備高精度增壓穩(wěn)壓控制能力，確保液氧輸送管壓力和流量的穩(wěn)定。在液體火箭發(fā)動機地面試驗中，通常利用高壓、常溫氮氣給液氧貯箱進行增壓，并通過電磁閥開關調節(jié)氮氣進氣總量[1]，動態(tài)調節(jié)液氧貯箱壓力穩(wěn)定在設定的目標值，使試驗過程中液氧輸送管和發(fā)動機入口處的壓力和流量保持穩(wěn)定。液氧貯箱存儲低溫推進劑介質，增壓過程的傳熱、傳質以及湍流流動過程十分復雜，具有非線性、時間滯后、參數(shù)變化不確定等特點[2-4]，較難建立精確的數(shù)學模型。在實際工程應用中，通常采用多路電磁閥+不同孔徑孔板的方式，控制高壓氮氣對液氧貯箱進行增壓[5-6]。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 液氧貯箱及工藝系統(tǒng)

液氧貯箱采用CZ-XX動力系統(tǒng)試車貯箱，工藝系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 液氧貯箱工藝系統(tǒng)組成

液氧貯箱直徑約為2 300 mm，材料為鋁合金，設定工作壓力為0.32 MPa（表壓），總容積約為40 m3。液氧貯箱底部連接壓力管道，壓力管道通過三通接頭分為2路，每路各安裝1個氣動截止閥，分別為液氧加注截止閥和液氧排放截止閥。氣動截止閥開關由 7 MPa氮氣操縱氣控制，當?shù)獨獠倏v氣連通時，氣動截止閥打開；當?shù)獨獠倏v氣切斷時，氣動截止閥關閉。氮氣操縱氣通過兩路電磁閥控制流通，分別為加注閥和排放閥。

試驗準備階段，加注口與液氧槽車連接，打開液氧加注截止閥，給液氧貯箱加注液氧，加注量約為 25 m3。液氧貯箱頂部安裝1路放氣電磁閥（簡稱放氣閥），當液氧貯箱箱壓過高時，放氣閥打開防止超壓。

為實現(xiàn)液氧貯箱的增壓穩(wěn)壓精確控制，本系統(tǒng)設計1路手動增壓閥和3路自動增壓電磁閥。其中，手動增壓閥下游不安裝孔板，流通面積即管道截面積，氮氣流量大，增壓能力強，主要用于液氧貯箱預增壓階段，可實現(xiàn)液氧貯箱壓力從低壓狀態(tài)快速上升至目標壓力設定值附近。自動增壓電磁閥分為增壓電磁閥1、增壓電磁閥2和增壓電磁閥3，下游分別安裝直徑為10、6、3 mm的孔板?？装逯睆酱笮〔煌鰤簹饬髁坎煌?，增壓能力強弱也不同。

1.2 可編程邏輯控制器

液氧貯箱增壓穩(wěn)壓過程控制器選用德國西門子PLC，性能優(yōu)越，可靠性高。采用西門子STEP7編程環(huán)境編寫控制主程序，實現(xiàn)液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制算法邏輯運算。PLC S7-300由電源模塊、中央處理器、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊組成，具體型號選擇如表1所示。

表1 PLC選型

1.3 壓力傳感器及信號調理

YB-1型壓力傳感器量程為0～1 MPa，精度為0.2%，采用10 V高精度直流穩(wěn)壓電源供電。該壓力傳感器將液氧貯箱箱壓轉換為0～10 mV電壓信號，經信號電纜傳輸給隔離放大信號調理模塊5B30；信號調理模塊5B30將0～10 mV電壓信號放大500倍，轉換成0～5 V電壓信號，通過線纜傳輸給上位機模擬量采集板卡。

1.4 供電電源

為防止試驗過程中突然斷電，系統(tǒng)選用交流凈化電源UP-5000S給工控機、顯示器、直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源供電。UP-5000S運行可靠，電池容量大，可持續(xù)工作20 min。

1.5 上位機及數(shù)據采集板卡

上位機采用IPC-610進行軟件編程、設定值輸入、界面監(jiān)控以及數(shù)據處理分析。利用PLC S7-300控制增壓電磁閥和放氣閥的通斷，并通過數(shù)字量板卡與上位機IPC-610進行指令交換。其中，數(shù)字量輸入板卡選用PCLD 782；數(shù)字量輸出板卡選用PCLD 785；模擬量采集卡選用PCL 818HD，接收信號調理模塊5B30傳輸?shù)碾妷盒盘?，并經過計算轉換成真實液氧貯箱箱壓。

液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)工作原理圖

首先，PLC S7-300輸入端啟動增壓穩(wěn)壓程序將啟動信號經過數(shù)字量輸入板卡PCLD 782傳輸給上位機IPC-610；然后，上位機VB程序接收到啟動信號后，實時采集壓力傳感器YB-1傳輸并轉換的電壓信號，經過計算轉換成真實液氧貯箱箱壓，并與液氧貯箱箱壓設定值比較，通過邏輯判斷決策3路增壓電磁閥的啟閉；接著，通過數(shù)字量輸出板卡PCLD 785把指令發(fā)送給PLC S7-300；最后，PLC S7-300接收到控制指令后，控制增壓電磁閥的開啟與關閉，動態(tài)調整液氧貯箱箱壓穩(wěn)定在設定值。

2 系統(tǒng)程序設計

2.1 穩(wěn)壓控制算法及VB編程

在模擬液體火箭發(fā)動機液氧輸送試驗中，設液氧貯箱箱壓設定值為。試驗過程中VB程序實時采集電壓并計算得到的真實液氧貯箱箱壓為。根據試驗需求，液氧貯箱箱壓需穩(wěn)定在一定的壓力范圍，壓力帶與增壓電磁閥啟閉邏輯關系如表2所示。

表2 液氧貯箱壓力帶與增壓電磁閥啟閉關系表

當<(? 0.015 MPa)時，增壓電磁閥1打開，液氧貯箱箱壓逐漸上升。當液氧貯箱箱壓上升到≥ (? 0.006 MPa)時，增壓電磁閥1關閉。若此時因排放液氧泄壓導致箱壓下降到(? 0.006 MPa,? 0.015 MPa)區(qū)間時，增壓電磁閥1不打開，直至液氧貯箱箱壓下降至< (? 0.015 MPa)時，增壓電磁閥1才再次打開。實現(xiàn)程序如下：

If Px <(Ps?0.015) then Valve1=1

ElseIf Px >=(Ps?0.006) then Valve1=0

Else

EndIf

其中，Valve1表示增壓電磁閥1。

當< (? 0.006 MPa)時，增壓電磁閥2打開，液氧貯箱箱壓逐漸上升。當液氧貯箱箱壓上升到≥ (? 0.002 MPa)時，增壓電磁閥2關閉。若此時因排放液氧泄壓導致箱壓下降到(? 0.002 MPa,? 0.006 MPa)區(qū)間時，增壓電磁閥2不打開，直至液氧貯箱箱壓下降到< (? 0.006 MPa) 時，增壓電磁閥2才再次打開。

實現(xiàn)程序如下：

If Px <(Ps?0.006) then Valve2=1

ElseIf Px>=(Ps?0.002) then Valve2=0

Else

EndIf

其中，Valve2表示增壓電磁閥2。

當< (? 0.002 MPa) 時，增壓電磁閥3打開，液氧貯箱箱壓逐漸上升。當液氧貯箱箱壓上升到≥ (+ 0.002 MPa)時，增壓電磁閥3關閉。若此時因排放液氧泄壓導致箱壓下降到(+ 0.002 MPa,? 0.002 MPa) 區(qū)間時，增壓3電磁閥不打開，直至液氧貯箱箱壓下降到< (? 0.002 MPa) 時，增壓電磁閥3才打開。實現(xiàn)程序如下：

If Px <(Ps?0.002) then Valve3=1

ElseIf Px >=(Ps+0.002) then Valve3=0

Else

EndIf

其中，Valve3表示增壓電磁閥3。

2.2 PLC控制程序

PLC S7-300通過數(shù)字量輸入端口接收來自上位機VB程序的增壓電磁閥開關指令，經過邏輯運算，控制數(shù)字量輸出端口的開關和24 V電路的通斷，從而控制增壓電磁閥開啟與關閉。PLC程序編寫的I/O端口定義如表3所示。

表3 PLC S7-300數(shù)字量端口定義表

當PLC S7-300的I4.1接收到打開指令后，控制Q0.1=1輸出，增壓電磁閥1打開。當I4.1接收到關閉指令后，控制Q0.1 = 0輸出，增壓電磁閥1關閉。

當PLC的I4.2接收到打開指令后，控制Q0.2 = 1輸出，增壓電磁閥2打開。當I4.2接收到關閉指令后，控制Q0.2 = 0輸出，增壓電磁閥2關閉。

當PLC的I4.3接收到打開指令后，控制Q0.3=1輸出，增壓電磁閥3打開。當I4.3接收到關閉指令后，控制Q0.3=0輸出，增壓電磁閥3關閉。

3 系統(tǒng)調試驗證

在上位機VB程序中，設定液氧貯箱箱壓為 0.13 MPa，目標放氣值為0.18 MPa。當液氧貯箱箱壓超過0.18 MPa時，PLC S7-300執(zhí)行邏輯判斷，Q0.4輸出，放氣閥打開，液氧貯箱對外泄氣，防止超壓損壞液氧貯箱。初始階段液氧貯箱箱壓接近大氣壓，打開手動增壓閥給液氧貯箱增壓，液氧貯箱箱壓逐漸增加到0.16 MPa，關閉手動增壓閥；穩(wěn)定一段時間后，打開排放閥，接通7 MPa氮氣操縱氣驅動液氧排放截止閥打開，液氧介質流經輸送管從液氧貯箱排出，液氧貯箱箱壓逐漸下降；當箱壓下降至0.13 MPa左右時，啟動液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制程序；PLC S7-300接收到自動增壓指令后，通過數(shù)字量輸入板卡PCLD 782給上位機發(fā)送指令；上位機接收到啟動信號后，VB程序循環(huán)掃描模擬量采集卡輸入電壓信號，并通過計算轉換成實際液氧貯箱箱壓值；實時比較實際箱壓與設定箱壓，執(zhí)行表2所述的邏輯判斷，決策增壓電磁閥的開關；經數(shù)字量輸出板卡PCLD 785給PLC發(fā)送閥門動作指令，PLC執(zhí)行控制增壓電磁閥的開啟與關閉，將液氧貯箱箱壓穩(wěn)定在0.13 MPa。采用試驗臺數(shù)據記錄軟件實時記錄液氧貯箱箱壓值并存儲在上位機中，采樣速率設置為1 000 次/s。采用Origin數(shù)據處理軟件分析液氧貯箱壓力變化規(guī)律。液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)調試結果圖如圖3所示。

分析圖3(a)可知：液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制程序啟動初始階段，箱壓約為0.103 MPa；當= 3 s時，打開手動增壓閥，箱壓逐漸增加；當= 32 s時，箱壓上升至0.169 MPa；當= 97 s時，液氧排放截止閥開啟，液氧排出，箱壓逐漸下降；經過20 s后箱壓下降到0.13 MPa附近并逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)壓過程如圖3(b)所示。

分析圖3(b)可知：在液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制程序運行階段，液氧貯箱箱壓最大值為0.132 MPa，最小值為0.126 MPa，箱壓穩(wěn)定在設定值附近，精度大于4%，滿足后續(xù)試驗需求。

4 結論

針對某型號液體火箭發(fā)動機液氧輸送管空化故障復現(xiàn)驗證試驗提出的液氧貯箱增壓穩(wěn)壓能力的要求，在原有工藝系統(tǒng)基礎上，設計并實現(xiàn)液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，通過VB開發(fā)環(huán)境設計上位機界面操作程序，進行液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制算法邏輯運算，通過STEP7開發(fā)環(huán)境編寫PLC控制主程序，執(zhí)行電磁閥的啟閉，實現(xiàn)了液氧貯箱高精度增壓穩(wěn)壓過程控制，保障液氧排放時輸送管處壓力、流量穩(wěn)定，滿足試驗要求，為該型號發(fā)動機的研制和故障驗證提供了可靠保障。

[1] 瞿騫.高壓、小氣枕低溫貯箱智能增壓技術[J].低溫工程, 2005(5):22-25.

[2] 王贊社,顧兆林,馮詩愚,等.低溫推進劑貯箱增壓過程的傳熱傳質數(shù)學模擬[J].低溫工程,2007(6):28-31,37.

[3] 陳陽,張振鵬,楊思鋒,等.低溫推進劑貯箱增壓系統(tǒng)分布參數(shù)數(shù)值仿真(Ⅱ)增壓系統(tǒng)數(shù)值模型與仿真結果[J].航空動力學報, 2008,23(2):329-335.

[4] 陳春富,李茂,王樹光.液氧貯箱增壓過程研究[J].火箭推進, 2013,39(4): 80-84.

[5] 王贊社,顧兆林,趙紅軒,等.低溫貯箱多路管道增壓的一種模糊算法研究[J].火箭推進,2008,34(2):7-12,23.

[6] 代天賜,徐亮,李華偉.基于S7-200 Smart的貯箱自動增壓測控系統(tǒng)[J].信息與電腦,2021,33(23):3.

Research on Pressurization and Pressure Stabilization Control System of Liquid Oxygen Tank

XU Qinbei ZHU Haowei

(Beijing Institute of Aerospace Test Technology, Beijing 100074, China)

According to the test requirements of cavitation failure recurrence of Liquid Oxygen delivery pipe of certain liquid rocket engine, the pressurization and Pressure stabilization control system of Liquid Oxygen tank is designed. The operating program is designed by Visual Basic, to realize the logic judgment of the control algorithm. By exchanging instructions between the data acquisition board and PLC, the setting pressure of the Liquid Oxygen tank is compared with the actual tank pressure collected by the pressure sensor, and the opening and closing of the booster solenoid valve and the vent valve are controlled, so that the tank pressure of the Liquid Oxygen tank can be stabilized in the setting pressure range at different stages, and the experimental requirements of the Liquid Oxygen delivery pipe of the rocket engine can be met. The debugging results of the system show that the control system is reliable and accurate, and meets the requirements of fault verification test.

liquid rocket engine; Liquid Oxygen tank; pressure stabilization control; fault verification

徐勤貝,朱昊偉.液氧貯箱增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)研究[J].自動化與信息工程,2022,43(3):20-24.

XU Qinbei, ZHU Haowei. Research on pressurization and pressure stabilization control system of liquid oxygen tank[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(3):20-24.

TP272

A

1674-2605(2022)03-0004-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.03.004

徐勤貝，男，1991年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：發(fā)動機試驗測控技術。E-mail: xuqinbei3073@163.com

朱昊偉，男，1989年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：發(fā)動機高空模擬試驗工程技術。E-mail: wwwccc3@163.com