CC BY
51РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.396.6-001.4
DOI 10.26732/2618-7957-2019-3-149-154
ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОВАКУУМНЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ В СРЕДЕ SimlnTech
А. В. Чубарь1 И. Н. Пожаркова2, В. В. Устименко1
1 Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Российская Федерация 2 ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация
В статье представлены результаты разработки компьютерной модели термовакуумных испытаний, позволяющей исследовать воздействие внешних факторов на устройства, находящиеся в условиях собственной внешней атмосферы космического аппарата. Разработка велась в среде динамического моделирования технических систем SimInTech, которая в настоящее время используется на ряде предприятий ракетно-космической отрасли. Для решения поставленной задачи были созданы модели объекта управления термовакуумной камеры TVAC-1400, произведенной компанией Telstar, и регуляторов, выполненных на базе программируемого промышленного контроллера Siemens S7-300, произведена настройка основных параметров, реализованы алгоритмы управления режимами испытаний. Разработанная модель позволяет осуществлять контроль программ испытаний различной аппаратуры, предотвращение сбоев при ошибке оператора или перебоях в инженерных сетях, выявлять наиболее неблагоприятные ситуации, которые могут возникнуть в процессе функционирования термовакуумной камеры. Кроме того, представленная модель может быть использована для исследования поведения контролируемых параметров термовакуумных испытаний и отработки алгоритмов управления. В статье пошагово описан процесс разработки и настройки модели термовакуумных испытаний, ее субмоделей и панели управления, реализации основных алгоритмов функционирования. Также в работе представлены результаты проверки
адекватности разработанной модели.
Ключевые слова: термовакуумная камера, термовакуумные испытания, динамическое моделирование, технические системы, SimInTech, собственная внешняя атмосфера космического аппарата.
Введение
Активное развитие современных средств исследований космического околоземного пространства с помощью аппаратуры, размещенной на внешней обшивке пилотируемых и автоматических космических аппаратов, предъявляет новые требования к уровню автоматизации процессов исследований и обеспечения испытательных лабораторий современными установками для проведения термовакуумных испытаний (ТВИ).
Для описания среды, окружающей большинство находящихся на околоземной орбите космических аппаратов, широко используется термин «собственная внешняя атмосфера космического аппарата», характеризующий физические
© Чубарь А. В., Пожаркова И. Н., Устименко В. В., 2019
параметры атмосферы в следующих пределах: температура в диапазоне от минус 60-70 °С при нахождении космического объекта в теневой зоне до плюс 120-150 °С после перехода в область солнечного облучения по мере движения космического аппарата по орбите. При этом уровень давления в описываемой области колеблется в пределах 10-5...10-7 мбар. Таким образом, достаточно четко характеризуются условия эксплуатации различной научно-исследовательской аппаратуры и уровень предъявляемых требований с точки зрения внешних воздействующих факторов, таких как повышение и понижение температуры, градиент температуры, предельный вакуум, имитация неравномерности нагрева при переходе границы «солнце-тень» и вращении космического аппарата.
Для реализации указанных факторов в современных испытательных лабораториях ис-
АППАРАТЫ И
№ 3 (29) 2019
тнношга
ii'T i','!'
пользуются специальные камеры - имитаторы воздействия космического пространства, позволяющие смоделировать упомянутые воздействующие внешние факторы, в том числе по заранее заложенной программе, в ручном или автоматическом режимах, с протоколированием всех регистрируемых параметров, получаемых как от объекта испытаний, так и систем самой камеры [1; 2]. Наличие различных блокировок и систем безопасности позволяет предотвратить незапланированные изменения программ испытаний и предотвратить сбои при ошибке оператора или перебоях в 150 инженерных сетях, что немаловажно при проведении длительных термовакуумных циклов.
1. Постановка задачи
Термовакуумная камера (ТВК) TVAC-1400, разработанная специалистами испанской компании Telstar (рис. 1), обеспечивает высокий уровень равномерности и стабильности распределения температуры [3]. Помимо универсальных режимов, сочетающих воздействия температуры и вакуума, она позволяет имитировать неравномерный нагрев за счет десяти регулируемых ИК излучателей, размещенных на специальном каркасе в полезном объеме установки, суммарной мощностью излучения до 5 кВт. Камера имеет 30 встроенных каналов измерения и регулирования температуры с помощью миниатюрных наклеиваемых датчиков, сбор и обработка информации ведется электронным самописцем Eurotherm 6180A [4]. Управление установкой осуществляется с помощью программируемого промышленного контроллера Siemens S7-300 [5] с сенсорного экрана или удаленно по локальной сети Ethernet.
Рис. 1. Общий вид полезного объема термовакуумной камеры ТУАС-1400
Основные технические характеристики камеры ТУАС-1400:
• полезный объем камеры: не менее 1100 л;
Том з
• полезные размеры термостола: не менее 700-1000 мм, высота над столом: 700 мм;
• диапазон рабочих давлений (во всем диапазоне температур): от 1000 мбар до 10-7 мбар;
• скорость откачки от давления окружающей среды: до 10-6 мбар не более 8 ч;
• безмаслянная откачка, реализуемая с помощью пластинчато-роторного форвакуумного насоса Agilent Triscroll 600, турбомолекулярного насоса Agilent Navigator 1001 и криогенной панели с прокачкой жидкого азота;
• диапазон рабочих температур: от -70 °С до +150 °С, неравномерность распределения температуры (показания на поверхности внутреннего экрана камеры и термостола): не более ±1°С, скорость изменения температуры: не менее 2 °С/мин;
• точность поддержания температуры в установившемся режиме: ±1°С.
Для обеспечения обратной связи с объектом испытаний в системе предусмотрено наличие фланцев с проходными герморазъемами типа 2ПМГСПД, а также несколько запасных фланцев для установки других типов разъемов (силовых, высокочастотных и т. д.). В распашной двери камеры смонтировано германиевое окно диаметром 75 мм, полоса пропускания которого позволяет использовать тепловизор для мониторинга градиента температуры испытуемого объекта.
Испытания проводятся в следующей последовательности [6]:
1. Объект испытаний помещается в термовакуумную камеру с помощью устройства крепления и через технологическую кабельную сеть подключается к контрольно-проверочной аппаратуре.
2. На объекте испытаний закрепляются датчики температуры.
3. Объект переводится в контролируемый режим.
4. В течение 10 минут регистрируются ток, напряжение на клеммах объекта испытаний и температура с датчиков.
5. Объект переводится в исходное состояние.
6. Объект испытаний выдерживается без нагрузки 5 минут.
7. В ТВК создается вакуум глубиной 10-6 Па.
8. На посадочном месте объекта испытаний в ТВК устанавливается температура -45±5 °С.
9. Пункты 3-6 повторяются 3 раза.
10. Запускается процесс нагрева посадочного места объекта испытаний в ТВК с температуры -45±5 °С до температуры +80±5 °С.
11. Пункты 3-6 повторяются 2 раза.
12. На посадочном месте объекта испытаний в ТВК устанавливается температура +80±5 °С.
13. Пункты 3-6 повторяются 3 раза.
14. На посадочном месте объекта испытаний в ТВК устанавливается температура +20±5 °С.
А. В. Чубарь, И. Н. Пожаркова, В. В. Устименко
Построение алгоритмов управления термовакуумными испытаниями
15. В ТВК создается атмосферное давление.
16. Объект испытаний отсоединяется от технологической кабельной сети, с объекта испытаний снимаются датчики температуры, объект извлекается из ТВК.
Планирование испытаний, а также разработка испытательных стендов, представляет собой довольно ресурсоемкий процесс, поэтому, зачастую, его проектная часть реализуется с использованием компьютерного моделирования. Одним из перспективных средств, позволяющих значительно упростить разработку и испытание робото-технических и других сложных систем, является среда визуального моделирования SimInTech [7], которая обеспечивает:
• создание моделей технических устройств в виде структурных блок-схем;
• математическое моделирование их режимов на основе дифференциальных уравнений;
• создание составных моделей технических объектов из готовых блоков - моделей оборудования;
• интеграцию в единую комплексную модель;
• отладку алгоритмов управления на модели и реальном объекте;
• автоматическую генерацию кода управляющих программ;
• автоматизацию выпуска конструкторской документации.
Ключевой особенностью использования SimInTech для создания комплексных моделей является идеология использования «Базы данных сигналов» - структурированного списка переменных, обеспечивающих обмен расчетными значениями между расчетными схемами в единой модели [8]. База данных сигналов SimInTech является объектной и обеспечивает пользователю удобное решение следующих задач [9]:
• объединение нескольких расчетных схем в единую модель;
• обеспечение возможности векторной обработки сигналов для типовых алгоритмов управления;
• объектно-ориентированное проектирование модели технических систем;
• автоматизацию создания и обработки переменных в комплексных моделях.
Для создания сложной математической модели производится объединение моделей основных подсистем (субмоделей), реализованных в виде отдельных проектов, в единый пакет [10].
2. Модель термовакуумных испытаний
Модель ТВИ (рис. 2) в среде SimInTech представляет собой совокупность объединенных в
общий пакет моделей ТВК и системы управления ТВИ, связанных через общую базу данных (БД). Каждая из перечисленных моделей является, в свою очередь, набором проектных файлов, включающих набор субструктур, которые описывают функционирование исполнительной системы (ИС), объекта испытаний (ОИ), системы управления испытаниями (СУ) и эталонную модель объекта (ЭМ).
Модель управления термовакуумными испытаниями Рис. 2. Структурная схема реализации модели ТВИ
База сигналов проекта (рис. 3) представляет собой структурированную файловую БД, содержащую константы и переменные (сигналы), используемые в одном или нескольких проектах, а также информационные поля (строковые константы), которые не используются для целей моделирования.
Рис. 3. Фрагмент окна базы данных ТВИ
В пакет файлов модели ТВК в среде SimInTech (рис. 4) входят отдельные проекты: «Окружающая среда» (рис. 5), «Термовакумная камера» (рис. 6), «Система управления» (рис. 7), «Объект испытаний», входные и выходные сигналы которых передаются через базу данных.
Каждый из проектных файлов является совокупностью типовых элементов SimInTech,
151
КОСМИЧЕСКИЕ
"АППАРАТЫ 1/11
тшологиимЙШ
№ з (29) 2019
Том 3
152
объединенных субмоделями, включающих реализацию отдельных режимов и алгоритмы управления ими с использованием блоков программирования.
Взаимодействие оператора с моделью осуществляется посредством панели управления (рис. 8), реализованной типовыми элементами соответствующей панели примитивов SimInTech.
Рис. 7. Структура субмодели «Система управления»
;0н; |:м : ,;|шн
Рис. 4. Структура пакета проектных файлов ТВИ
Р1
ррг"
Давленые окр.: среды
Тос
Температура шф; срёДы
МодельуслоЁ ий:
окружашщен среды...................
Рис. 5. Структура субмодели «Окружающая среда»
Рис. 8. Панель управления
Оценка адекватности построенной модели ТВИ проводилась на основе критерия Пирсона, согласно которому гипотеза о незначительности различий между моделью и объектом принимается при условии:
х2 ^ X (п -1, аХ
где X% (п ~ 1, а) - граничное значение критерия при заданном уровне значимости а и количестве степеней свободы п-1; х2 - статистика, вычисленная по формуле:
X
i=l
где х1, х1 - значения проверяемого параметра, полученные соответственно на базе моделирования и измерений реального объекта; п - количество измерений.
В табл. представлены результаты оценки адекватности модели.
Таблица
Результаты оценки адекватности модели по давлению и температуре при уровне значимости а=0,05
■ Модель температуры
Рис. 6. Структура субмодели «Термовакумная камера»
Параметр Значение статистики Граничное значение критерия Вывод об адекватности модели
Температура 5,43 17,71 Модель адекватна
Давление 8,24 17,71 Модель адекватна
А. В. Чубарь, И. Н. Пожаркова, В. В. Устименко
Построение алгоритмов управления термовакуумными испытаниями
Заключение жимами ТВК как в ручном, так и в автоматическом
режиме. Компьютерная модель дает возможность
Таким образом, разработанная модель ТВИ выявить наиболее неблагоприятные ситуации, ко-
(рис. 4-8) позволяет осуществлять контроль про- торые могут возникнуть в процессе функциониро-
грамм испытаний, предотвращение сбоев при вания ТВК, и может быть использована для иссле-
ошибке оператора или перебоях в инженерных се- дования поведения контролируемых параметров
тях, что реализуется возможностью управления ре- ТВИ и отработки алгоритмов управления.
Список литературы
[1] Акишин А. И. Воздействие собственной внешней атмосферы космических аппаратов на их материалы и оборудование // Перспективные материалы. 2007. №2. С. 14-21. 153
[2] Иванов А. И. Замкнутый космос на производстве // Технологии в электронной промышленности. 2011. №6. С. 36-39.
[3] Thermal Vacuum Chamber [Электронный ресурс]. URL: https://www.telstar.com/wp-content/uploads/2019/07/ BR-TVC-EN-0719.pdf (дата обращения: 03.09.2019).
[4] 6100A/6180A Graphic Recorders User Guide (HA028910/14) [Электронный ресурс]. URL: https://www. eurotherm.com/?wpdmdl=27923 (дата обращения: 03.09.2019).
[5] Руководство пользователя Siemens S7-300 [Электронный ресурс]. URL: https://www.siemens-ru.com/doc/S7-300.pdf (дата обращения: 03.09.2019).
[6] Космический аппарат «Маяк». Программа и методика термовакуумных испытаний мотор-редуктора типа IG-220110 201N1R [Электронный ресурс]. URL: https://your-sector-of-space.org/gaИery/маяк-тви-мр-пм-1. ver%201.pdf (дата обращения: 03.09.2019).
[7] Карташов Б. А., Козлов О. С., Шабаев Е. А., Щекатуров А. М. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech. М. : ДМК Пресс, 2017. 424 с.
[8] Козлов О. С., Кондаков Д. Е., Скворцов Л. М., Тимофеев К. А., Ходаковский В. В. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные технологии. 2005. № 9. С. 20-25.
[9] Пожаркова И. Н., Чубарь А. В., Киселев О. И., Лагунов А. Н. Система контроля безопасности транспортного контейнера // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2018. №3. C. 23-32.
[10] Пожаркова И. Н., Чубарь А. В., Грищенко И. А., Трояк Е. Ю. Моделирование технологического процесса в среде визуального моделирования SimInTech // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2018. №2. C. 29-37.
CREATION OF CONTROL ALGORITHMS THERMAL VACUUM TESTS IN THE SIMINTECH ENVIRONMENT
A. V. Chubar1, I. N. Pozharkova2, V. V. Ustimenko1
1 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation 2 Siberian Fire and Rescue Academy EMERCOM of Russia, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation
Paper is divote to results of the development of the thermal vacuum tests computer model of allowing to investigate impact of externalfactors on the devices which are in conditions of own external atmosphere of the spacecraft in the SimInTech environment of the technical systems dynamic modeling. For a solution an objective models of a control object of the thermal vacuum TVAC-1400 camera are created, and the regulators executed on the basis of the programmable industrial controller Siemens S7-300 setup of key parameters is made, control algorithms are implemented by the modes of tests. The developed model allows to exercise control of test programs of the different equipment, prevention of failures at an error of the operator or interruptions in engineering networks, to reveal the most adverse situations which can arise process of functioning of the thermal vacuum camera. Besides, the presented model can be used for a research of behavior of controlled parameters of thermal vacuum tests and working off of control algorithms. In article development process and settings of model of thermal vacuum tests, its
submodels and a control bar, implementation of the main algorithms are step by step described. Also results of adequacy check to the developed model are presented.
№ 3 (29) 2019
TOM 3
Keywords: thermal vacuum camera, thermal vacuum tests, dynamic modeling, technical systems, SimInTech, external atmosphere of the spacecraft.
References
[1] Akishin A. I. Vozdejstvie sobstvennoj vneshnej atmosfery kosmicheskih apparatov na ih materialy i oborudovanie [The impact of their own external atmosphere of spacecraft on their materials and equipment] // Perspektivnye materialy, 2007, no. 2, pp. 14-21. (In Russian)
[2] Ivanov A. I. Zamknutyj kosmos na proizvodstve [Closed space in production] // Technologies in Electronic Industry,
[3] Thermal Vacuum Chamber. Available at: https://www.telstar.com/wp-content/uploads/2019/07/BR-TVC-EN-0719.pdf (accessed: 03.09.2019).
[4] 6100A/6180A Graphic Recorders User Guide (HA028910/14). Available at: https://www.eurotherm. com/?wpdmdl=27923 (accessed: 03.09.2019).
[5] Rukovodstvopol'zovatelya Siemens S7-300 [Siemens S7-300 User Guide]. Available at: https://www.siemens-ru.com/ doc/S7-300.pdf (accessed: 03.09.2019).
[6] Kosmicheskij apparat «Mayak». Programma i metodika termovakuumnyh ispytanij motor-reduktora tipa IG-220110 201N1R [Spacecraft «Mayak». The program and methodology for thermal vacuum testing of a motor reducer type IG-220110 201N1R]. Available at: https://your-sector-of-space.org/gallery/MaaK-TBH-Mp-nM-1.ver%201.pdf (accessed: 03.09.2019).
[7] Kartashov B. A., Kozlov O. S., Shabaev E. A., Shchekaturov A. M. Sreda dinamicheskogo modelirovaniya tekhnicheskih sistem SimInTech [The environment of dynamic modeling of technical systems SimInTech]. Moscow, DMK Press, 2017, 424 p. (In Russian)
[8] Kozlov O. S., Kondakov D. E., Skvortsov L. M., Timofeev K. A., Hodakovskii V. V. Programmnyj kompleks dlya issledovaniya dinamiki i proektirovaniya tekhnicheskih sistem [Software package for the study of dynamics and design of technical systems] // Information Technologies, 2005, no. 9, pp. 20-25. (In Russian)
[9] Pozharkova I. N., Chubar A. V, Kiselev O. I., Lagunov A. N. Sistema kontrolya bezopasnosti transportnogo kontejnera [Container Security Monitoring System] // Siberian Fire and Rescue Bulletin, 2018, no. 3, pp. 23-32. (In Russian)
[10] Pozharkova I. N., Chubar A. V., Grishchenko I. A., Troyak E. Y. Modelirovanie tekhnologicheskogo processa v srede vizual'nogo modelirovaniya SimInTech [Process Simulation in a SimInTech Visual Simulation Environment] // Siberian Fire and Rescue Bulletin, 2018, no. 2, pp. 29-37. (In Russian)
154
2011, no. 6, pp. 36-39. (In Russian)
