小型固体火箭发动机远程监控脱模系统的研究开发.doc

（分类号分类号:学校代码学校代码:1012810128 U D C:学学 号号:科研训练开题报告科研训练开题报告 题题 目：目：小型固体火箭发动机远程监控小型固体火箭发动机远程监控 脱模系统的研究开发脱模系统的研究开发 学 生 姓 名学 生 姓 名：学学 院院：机 械 学 院：机 械 学 院 班班 级：级：指 导 教 师指 导 教 师：侯 守 全侯 守 全 十 二 月十 二 月 1.1.选题目的和意义选题目的和意义 脱模是将固化在药柱中的芯模通过拉或顶的施力方式将其取出，是固体火箭发动机制造中非常重要且又具有高度危险性的一个环节。由于芯模与药柱在相对运动过程中要产生热应力、摩擦力、冲击力和静电等，当上述指标超过药柱的许用极限时，极易发生燃爆事故，所以药柱在脱模过程中需要对芯模的速度、位移、拉压力都要严格控制，并采用远程控制方式，以减少脱模过程中由于芯模的冲击、爬行等对药柱带来的损伤，保证操作人员生命和国家财产的安全，从而提高系统的可靠性和自动化水平。目前国内常用的脱模方式有两种，一是用吊车直接拉出，二是脱模顶芯装置。两种脱模方式脱模时均不能有效地控制脱模力和脱模速度。为了保证装药发动机，特别是高能推动剂装药发动机主芯棒脱模过程的安全性，脱模过程必须严格控制脱模力、脱模速度和脱模行程。因此，本课题设计了一套远程监控脱模系统，它是以 PLC 作为控制核心，经传感器的实时检测，通过隔爆压力变送器的转换解决，以脱模速度和脱模力为重要控制量来调节液压系统中负载缸的速度和顶出力，以达成脱模工艺的控制规定。上位机放置在安全区域，应用监控组态软件实现了对脱模系统的实时运营及预定参数的远程控制。2 2国内外研究现状及国内外研究现状及其其发展发展趋势趋势 2.12.1 课题来源：课题来源：中国航天科工集团第六研究院 2.22.2 分散型控制系统及其发展分散型控制系统及其发展 目前，随着现代工业的飞速发展，生产的规模不断扩大，生产技术以及生产工艺过程日趋复杂完善，对公司生产的自动化限度和信息的集成规定也越来越高。纵观控制系统的发展史，控制系统自身经历了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分散型控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)等发展过程。每一代控制系统的产生都是对以前控制系统功能的扩展和完善，在用户和市场需求的激励引导下逐步发展壮大，以致在控制系统领域占有主导地位。控制系统从最初运用精度低的模拟仪表控制系统发展至今的现场总线控制系统，已通过渡到以数字信号为主或全数字信号的控制系统，并实现了控制网络化。同时，集中管理和控制完全分离，提高了控制的可靠性和灵活性。分散型控制系统（Distributed Control System 即 DCS）综合了计算机（Computer）控制技术、控制(Control)技术、通信(Communication)技术、CRT显示技术即 4C 技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制和数据采集等功能。采用了分散控制、集中操作、综合管理和分而治之的设计原则。系统安全、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了方法。自从 1975 年美国的 Honey Well 公司成功地推出了世界第一套分散控制统以来，经历了近 30 年的时间，DCS 已经走向成熟并得到了广泛应用。DCS 采用分散控制级、集中操作监控级和综合信息管理级的三级体系结构，DCS 各级之间的信息传输重要靠通信网络系统来支持。在 DCS 中充足体现了硬件积木化、软件模块化和控制系统组态的特点。DCS 通信距离可按用户规定，从几十米到十几公里，通信速率为 1100Mbps,可满足实时控制和管理的规定。DCS 的高可靠性体现在分散的体系结构、软硬件冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的元器件。分散控制系统（DCS）是一种以微解决器为基础的分散型综合控制系统，DCS系统综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术，采用了多层分级的结构，合用现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。2.32.3 监控组态软件及其发展监控组态软件及其发展趋势趋势 组态软件，又称监控组态软件，译自英文 SCADA,即 Supervision Control and Data Aquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工、机械等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。自 20 世纪 80 年代初期诞生至今，组态软件已有 20 数年的发展历史。应当说组态软件作为一种应用软件，是随着 PC 机的兴起而不断发展的。80 年代的组态软件，像 Onspec、Paragon 500、初期的 FIX 等都运营在 DOS 环境下，图形界面的功能不是很强。自1987年Wonderware公司开发出第一套基于微软的Windows下的工业及过程自动化领域的人机视窗界面组态软件 InTouch 以来，以 Intouch为代表的人机界面软件开创了 Windows 下运营工控软件的先河，并随作计算机硬软件技术的高速发展，使基于 PC 及其兼容机的组态软件的不管是功能和还是其性能都有了质的奔腾和提高。目前的 InTouch 作为一种典型的工业自动化组态软件，具有良好的实时性，更具有高性能的图形界面功能，因而 Wonderware 公司也因此称 InTouch 为过程可视化软件，这样命名也似乎更为确切。监控组态软件是面向监控与数据采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设立项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，HMI(Human Machine Interface)或 MMI(Man Machine Interface)是其重要内涵，即重要解决人机交互图形界面问题。组态软件系统包具有实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据库接口、对 I/O 设备的驱动等内容。随着单一的人机界面朝数据解决机方向发展，管理的数据量越来越大。最早的组态软件用来支撑自动化系统的硬件。那时侯，硬件系统假如没有组态软件的支撑就很难发挥作用，甚至不能正常工作。现在的情况有了很大改观。一方面软件部分地与硬件发生分离，大部分自动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供，这样就为自动化软件的发展提供了可以充足发挥作用的舞台。实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检索的是连续变化的过程数据，它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘，现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和记录生产数据，作为指挥、决策的依据。在最终用户的眼里，组态软件在一个自动化系统中发挥的作用逐渐增大，甚至有的系统就主线不能缺少组态软件。这其中的重要因素是软件的功能强大，用户也存在普遍的需求，广大用户在厂家强大的宣传攻势面前逐渐认清了软件的价值所在。很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用，满足更为灵活的应用需求。2.4.1 平台扩展 目前，工业控制系统的上位计算机基本上都是采用 Windows 操作系统，因而策略组态软件基本上是以 Windows 系统为平台开发的。近年来，Linux 作为一种优秀的单机操作系统而异军突起，市场占有率不断扩大，技术不断更新和完善，Linux 操作系统的影响力不断扩大势必会波及到工业控制领域，因此，在未来组态软件的开发上会考虑对 Linux 平台的支持。2.4.2 跨平台能力的支持 软件跨平台操作的能力一直是对软件总体质量评价的重要指标，也是未来组态软件开发应当考虑的一个重要问题。从组态软件的编写、测试到现场运营是一个长期的复杂过程。一个能提供跨平台支持的、性能优良的组态软件，无论是从生产厂家的维护还是从客户运营的需要来讲，显然都是最佳的选择。具有了这种广泛的适应能力，就具有了旺盛的生命力。2.4.3 组件的通用性 组件的通用性一直是用户特别关心的一个重要问题。广泛采用的组件复用技术涉及比较传统的动态连接库（DLL）技术，以及当前更为先进的 COM、COM+技术乃至 COBRA 技术。目前，某些控制系统生产厂商的组态软件产品提供了对组件复用技术的支持，但大多还停留在 DLL 技术的水平上，且支持的限度不够高；而相称一部分则缺少对这种技术的支持，由此导致的功能封闭、适应性差的弱点就暴露无疑了。因此，未来组态软件的开发应当充足考虑对软件复用技术的支持，为此后的进一步发展、完善开辟更广阔的空间。2.4.4 功能的规范化 策略组态软件在功能上的各异是当前软件开发现状的一个典型标志。除了一些标准规范的和控制中必须要实现的基本功能外，其他功能的实现就完全由各软件生产厂商掌握和定夺了。假如能对策略组态软件开发所要实现的功能有一个规范化的引导，如拟定哪些功能是必须实现的（如组态文献格式的统一），哪些功能是可选的（如交叉编译、上位仿真功能等），那么各组态软件之间的互操作性和互换性将大大增强，必将从主线上提高生产效率。随着软件技术的发展，监控组态软件不断地被赋予新的内容，在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，未来的发展前景十分看好。3.3.研究的重要研究的重要内内容：容：本课题以某小型固体火箭发动机的脱模工序为研究对象,研制出一种可以人工远距离控制的远程监控系统，采用世纪星组态软件作为信息采集和控制的平台，使用 PLC 和与其配合工作的下位硬件对现场脱模设备进行控制，构成了以PLC 为下位机，以工业控制计算机为上位机的准 DCS 系统。3.13.1 生产装置组成及对远程控制系统的规定生产装置组成及对远程控制系统的规定 根据某小型固体火箭发动机脱模作业的规定，所设计的远程脱模装备是集机、电、液及计算机控制于一体的自动化装备，应用于小型固体火箭发动机的脱模工序。自动脱模装备主机采用四柱压力机的结构，重要有连接附件、脱模顶升液压缸、提高液压缸、液压泵站、电气控制柜、上位控制计算机、通讯及控制屏蔽电缆、组态监控软件及 PLC 控制程序等组成。工作过程中，脱模顶升液压缸按照所设定的脱模速度及脱模力完毕固定行程的顶升，此时，芯模与药柱已脱离接触，由提高液压缸带动活动横梁完毕对发动机的快速脱模工作，工作行程的调整可通过对下平台的位置调整来实现。3.23.2 控制系统的组成、功能及工作原理控制系统的组成、功能及工作原理 本控制系统重要由计算机控制系统、检测装置、液压控制系统、远程监视装置组成。3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统以上位 PC 机和下位 PLC 为核心，采用模块化设计，可根据系统不同的控制规定进行调整，具有良好的可扩展性。上位 PC 机选用高性能工业控制计算机，在上位PC机上安装世纪星组态软件。下位PLC选用三菱FX2N-32MR PLC 及一块 485ADP 模块、一块 FX2N-4AD 模块、一块 FX2N-2DA 模块。上位 PC 机和 PLC 通信通过串行通信（RS-485）方式实现。为了便于操作，整个控制系统设计设有自动和手动两种工作方式。自动方式为控制系统的主运营方式，复位、顶升、脱模过程均采用自动方式。手动方式为系统的辅助运营方式，只在对系统进行调试、点动控制时使用。自动方式重要涉及 PLC 逻辑控制、拉压力控制、速度控制。（1）PLC 逻辑控制 PLC 逻辑控制重要是对生产装置的逻辑动作和工作流程进行控制。实现生产装置各油缸按规定动作，依次进行复位、顶升、脱模并到预定位置停止等操作。（2）脱模力预置、脱模速度控制 由于药柱对摩擦、冲击等十分敏感，所以在顶升液压缸活塞杆连接处装了一个承重传感器，及一磁致伸缩线性位移传感器，用来实时监测脱模时力和速度的变化。一旦力和速度超过设定值时，系统将自动停止运营并报警，保证了系统安全，等待手动恢复后再次启动系统。3.2.2 3.2.2 检测检测装置装置 检测装置由位移速度传感器、压力变送器、称重传感器组成。它将压力信号、位移信号、速度信号、油压信号通过 PLC 的 A/D 模块送入控制系统。所用传感器的原理及应用如下：（1）工作过程中，需要对脱模的拉压力进行检测，由于药柱对静电和火花敏感。称重传感器选用了 266AA/AH 称重传感器。该设备具有小巧低矮，小偏转，整体紧凑的结构使之具有非凡的抗干扰适合冲击场合及动态称量，且全焊封，防护等级为 IP67，适于危险环境使用，防爆等级为（Ex ib CT4）级，完全能满足使用需要。（2）位移和速度的检测是进行动作判断的依据，因此在控制系统中具有很重要的作用。位移的测量需要高精度、绝对位置测量的位移传感器。设计中选用了磁致伸缩速度传感器。（3）在工作过程中，为了检测主油路和负载油路都安装了压力变送器。PLC可根据变送器传回的电流信号，对液压系统载荷的异常变化做出及时解决。3.2.3 3.2.3 液压控制液压控制系统系统 液压控制部分分别对模拟量和开关量进行检测和控制。模拟量的控制是通过上位机输入所需压力、速度数值，再由上位机将此数值送入到指定寄存器中。根据控制规定，通过 D/A 模块将数字值转化为模拟量信号。模拟量再通过放大板的放大，直接控制输入比例电磁铁电压的大小，从而控制液压系统的压力和执行元件的速度。开关量的控制重要是在系统工作中，通过的 PLC 的输出触点来控制电磁阀。电机驱动定量油泵，比例溢流阀在系统中限定最大脱模力，只要远程调节输入到比例溢流阀的电压即可改变液压系统输出压力的大小。油泵输出的油液进入液压系统后，通过压力变送器实时地反馈系统的压力，并与设定值进行比较，发出相应的动作和命令。液压系统输出的流量进入脱模缸下腔，使油缸输出一定的力，改变进入油缸的流量，即可改变其运动速度。通过隔爆力变送器和磁致伸缩速度传感器在控制室的计算机上可以实时显示出脱模力和速度。3.2.43.2.4 远程监控装置远程监控装置 控制系统采用世纪星组态软件，该软件是在 PC 机上开发的智能型人机接口软件系统，以 Microsoft Windows 98/2023/NT 中文平台作为其操作系统，充足运用了 Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。在其应用程序的集成开发环境下，开发者可完毕界面的设计、数据库定义、动画连接等。而对于监视观测部分，由于加工的产品危险性高，所以当准备工作完毕后，现场人员均退回到安全间内进行操作。对现场工件的观测只能靠远程系统来完毕。远程监视系统由摄像机、全方位旋转云台、解码器、监视主机及监视器组成，对脱模过程进行监视。4 4.研究方案研究方案 4 4.1.1 上位机上位机组态软件工程的组建组态软件工程的组建 1）工程项目系统分析 2）设计用户操作画面 3）编写控制程序 4）完善菜单按钮功能 5）编写用户程序调试工程 6）连接设备驱动程序 7）整体连续调试测试 4.24.2 下位机下位机 PLCPLC 程序的设计程序的设计 1）根据实际的控制需要选择 PLC 及其配套模块，配置硬件系统。2）根据工艺规定和控制规定，设计梯形图。3）把梯形图写入 PLC，反复调试直至程序符合控制规定。4 4.3.3 技术关键、实验条件及存在的问题技术关键、实验条件及存在的问题 4 4.3.1.3.1 技术关键技术关键 4.3.1.14.3.1.1 低速无爬行脱模速度的控制低速无爬行脱模速度的控制 低速爬行是一种较常见而不正常的运动状态。当出现爬行时，将严重地影响加工工件表面加工质量，还会导致磨擦副的加速磨损，影响执行部件的使用寿命，爬行严重时，甚至使执行部件丧失加工能力。因此，对于爬行问题的研究显得尤为重要。作为一种非常简便、有效的控制方法，PID 控制长期以来一直被广泛用于温度、液位、张力、压力、速度等过程控制系统中。虽然在数年的实际应用中，也出现了多种改善型的 PID 算法，但是常规的 PID 控制算法对大多数控制系统已经可以满足误差精度规定，因此可以采用常规的 PID 控制算法来进行有效控制。PID 控制是比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)三种动作的合成作用，其作用是使被控制对象达成并保持于设定值(SV)，当 SV 发生变化时，能使受控对象快速达成新的目的值。采用三菱 PLC 施行 PID 控制指令可以有效地对低速无爬行脱模速度进行控制。4.3.1.24.3.1.2 脱模速度和脱模力的实时检测与控制脱模速度和脱模力的实时检测与控制 组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，实时数据库及其调度系统是组态软件的关键部分。实时数据库系统处在工控系统各功能模块数据互换的中心位置,在组态系统进入运营环境时,工业现场的生产情况将实时地反映在变量的数值中,操作者用计算机发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库系统为中介。同时实时数据库系统又是事务调度中心,数据采集事务、图形显示事务、报警事务、历史存盘事务等都由实时数据库系统中的事务调度系统完毕,从而达成监控的实时性、对的性和一致性。实时数据库系统结构强调了实时特性,以实现其数据库状态最新、数据值的时间一致性和事务的及时解决能力。它负责实时数据算与解决、历史数据存储、记录数据解决、报警解决、数据务请求解决等。在系统运营过程中,各个部件独立地向实数据库输入和输出数据,并完毕自己的差错控制以减少通信道的传输错误,通过实时数据库互换数据,形成互相关的整体。因此,实时数据库是系统各个部件及其各种功能构件的公用数据区。4.3.1.34.3.1.3 监控系统的监控系统的组态组态 1)实时数据库的建立 数据库是分布式控制系统的信息来源。一个工程项目中所有需要监测和控制的点都在数据库组态中定义。在本课题中，根据点的类型的不同，将点分为模拟量输入输出，数字量输入输出，字符型量。各 I/O 变量有基本的共同属性，如名称、报警值、存盘、I/O 地址等。除此之外，还要针对变量类型和监控的需要来设计。世纪星组态软件的变量类型的特点在于它们为满足程序设计的需要，同一般的设计语言变量(如 BASIC、C 语言)的变量同样,开发用户可以用其编程序,使变量按用户规定大小可变。与此同时,也能满足工控软件的特殊需要。在开发系统的资源管理器中双击“变量词典”,组态软件把变量分为“内存变量”、“I/O 变量”和“系统变量”等。I/O 变量的特点在于可以与 I/O 设备进行数据互换。2）图形界面组态 图形界面是整个 DCS 中比较重要的部分，它简略图的形式形象直观的向操作员展现出工业现场中各个设备及其互连的一个视图。按照这种结构，文档类管理所有图形元素、图层等数据结构变量内存分派和释放、存盘、读盘等，视图类管理各个图层的显示、编辑等界面操作。图形组态的一个重要任务是进行动画连接，即画面中的对象与数据库变量或表达式建立相应关系，在建立动画连接后，在图形界面运营环境下根据数据库变量或表达式的变化，图形对象可按动画连接的规定进行实时改变。3）编写组态程序 要想实现参数的控制，必须与相应的变量连接，完毕了动画连接的过程，编写组态程序从而实现了现场控制。4 4.3.2.3.2 实验条件及存在的问题实验条件及存在的问题 实验方案如下：1)先在工大液压所进行脱模装置的传感器检测实验，对组态监控系统的软件平台世纪星组态软件的开发系统和运营系统进行调试，为联机实验打下基础；2)对下位机 PLC 程序进行反复的调试实验；3)在工大液压所进行反复的整体调试实验；4)在航天六院 46 所进行现场调试；4.4 4.4 监控系统的现场调试监控系统的现场调试 预期达成的目的：1）所开发的远程监控系统有较高的可靠性与安全性；2）通过控制比例溢流阀和调速阀能对脱模装置的脱模力、速度和位移动作进行预设控制。3）脱模作业过程的关键参数可以实时显示并监控；4）运用世纪星组态软件实现了对脱模装置的实时监测，人工自动切换，远程操作与智能控制。5）通过综合运用 PLC 技术、液压技术和远程控制技术，有效地解决了固体火箭发动机药柱脱模中的安全作业和工作效率问题。5 5.研究计划进度研究计划进度 进度安排：第一阶段（2023 年 9-10）：收集资料,阅读相关文献,外出调研；第二阶段（2023 年 11-12）：编制下位机 PLC 程序，设计总体框架；第三阶段（2023 年 1-3）：对组态监控系统开发设计，并对所开发的软件进行调试运营；第四阶段（2023 年 4-）：整理研究内容，撰写论文。参 考 文 献 1 A.达维纳.固体火箭推动剂技术M.北京:宇航出版社,1997 2 侯林法.复合固体推动剂M.北京:宇航出版社,1994 3 Carpenter P S etal.Development of Methods for Aging and Analyzing Propellants Containing Nitrate Ester Stabilized With MNA and 2-NDPA.The AGARD PEP Symposium on“Service Life of Solid Propellant System”held in Athens,Greece,1996 4 丘哲明.固体火箭发动机材料和工艺M.北京:宇航出版社,1995 5 黄立德.发动机制造技术M.北京:宇航出版社,1990 6 王元有.固体火箭发动机设计M.北京:国防工业出版社,1984 7 苏A.M.维尼茨基.固体火箭发动机的结构与实验M.北京:国防工业出版社,1987 8 胡克娴.固体火箭发动机M.北京:北京理工大学出版社,1990 9 曹战军.NEPE 1400mm 发动机装药远距离脱模装置研究c,航天国防科学技术报告,1999 10 袁任光.集散型控制系统应用技术与实例M.北京:机械工业出版社,2023 11 张彦民.VisualC+环境下安全脱模装置远程监控系统的研究开发D.内蒙古:内蒙古工业大学硕士学位论文.2023:15 12 王永华.现代电气控制及可编程控制技术M.北京:北京航空航天出版社,2023:15-17 13 毛 好 喜.用 PLC 及 变 频 器 控 制 的 自 动 供 水 系 统 的 设 计 J.机 电 工 程 技术,2023,34(l):54-56 14 曹京生.PLC 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