CC BY
69
УДК 004.94:681.586.772
Д. В. Пена, М. В. Чернов, А. В. Ляшенко
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИМИТАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Аннотация. Рассматривается устройство имитации сигналов, поступающих с датчиков давления, измеряющих абсолютные давления в баках и шаробаллонах ракет-ностелей (РН).
Abstract. The article discusses a device simulating the signals from the pressure sensor measures the absolute pressure in the tanks and spherical balloon launch media to (PH). The aim is to develop a device that would allow to simulate and control of the process of filling the tanks and spherical balloon launcher.
Ключевые слов а: датчико-преобразующая аппаратура, имитатор, давление, системы, сигнал.
Key words: sensor-transforming equipment, simulator, pressure, system, signal.
Космонавтика с ее небывало высокими требованиями к надежности систем и аппаратуры побуждает сегодня промышленность подтягиваться до такого уровня, который не был ей свойствен вчера, заставляет использовать новейшие достижения науки и техники, улучшать и модернизировать производство. Уровень современной ракетно-космической техники сопряжен с внедрением новейших достижений научно-технической революции в производство, причем каждое из них, в свою очередь, обогащается в результате использования достижений науки в изучении процессов и явлений, происходящих в космическом пространстве. В связи с повышением источников, объемов, точности и достоверности измерительной информации, усложнением и расширением тематики научных экспериментов существенно повысились требования к ним [1].
Новые требования связаны главным образом с переходом к получению и использованию результатов как отдельных измерений, так и потоков измерительной информации об однородных или разнородных измеряемых физических параметрах, часть из которых может быть недоступной для прямых измерений, а получение всего объема измерительной информации должно выполняться за ограниченное время.
Современные информационно-измерительные системы (ИИС) характеризуются, как правило, такими параметрами, как постоянное напряжение, переменное напряжение, импульсное напряжение, сопротивление электрических цепей, длительность временных интервалов (период, сдвиг фаз и т.п.), давление газа, температура и др. Самый большой объем контролируемых параметров составляет постоянное напряжение.
Для контроля параметров ИИС применяются два способа [2, 3]:
- для каждого параметра применяется отдельное средство измерения;
- применяется преобразование всех указанных выше физических величин в так называемые унифицированные параметры, которые в свою очередь преобразуются в код.
Для диагностирования технического состояния любой ИИС необходимо использовать различного типа датчики в качестве приборов сопряжения между электронными системами и физическим миром. Выходная информация с датчиков поступает через первичный измерительный преобразователь (ПИП) на аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Выходная информация с датчика поступает в аналоговой форме, а далее обрабатывается вычислительным
устройством, которое принимает решение о том, находится в допуске или нет диагностируемый параметр. Вычислительное устройство может выдавать и количественную информацию о состоянии контролируемого параметра.
Рассмотрим устройство имитации сигналов, поступающих с датчиков давления, измеряющих абсолютные давления в баках и шаробаллонах ракет-ностелей (РН). Нашей целью является разработка устройства, которое бы позволило осуществить имитацию, а также контроль процесса заправки баков и шаробаллонов РН. Среди аналогов и прототипов разрабатываемого устройства хочется отметить прибор ИМ-1, который также был разработан и выполнен в ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» для имитации сигналов с датчиков давления. ИМ-1 имел возможность задания имитации трех значений (0, 125, 250 кгс/см2) абсолютного давления, которые выставлялись с помощью переключателей. Разрабатываемое устройство позволяет задавать и выбирать в виде кода любое давление в баках РН в диапазоне от 0 до 250,0 кгс/см2, не привязываясь к каким-либо определенным значениям, как у прототипа ИМ-1, а также дает возможность отслеживать процесс заправки бака (ша-робаллона) изделия в реальном времени с различными темпами изменения давления. Это позволит многократно увеличить количество моделей поведения имитируемой системы.
С развитием высоких технологий появилась возможность реализовать такую модель с помощью персональной электронно-вычислительной машины и крейтовой системы [4]. Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема разрабатываемого устройства:
1 - крейтовая система; 2 - ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина);
3 - ПНТ (преобразователь «напряжение-ток»); 4 - БИ (блок интерфейсов); 5 - МП (многоканальный преобразователь); 6 - код на АСУП (автоматизированная система управления подготовкой РН)
Крейтовая система состоит из трех модулей ЦАП и двух модулей АЦП. Модуль ЦАП имеет восемь каналов разрядностью 16 бит. Данный модуль предназначен для качественного воспроизведения постоянного или переменного напряжения в синхронном режиме с потоковым выводом данных (до 500 килосэмплов в секунду) на плату имитатора датчиков. ЦАП построен на основе преобразователя с малой энергией внутренних коммутационных помех, малым температурным дрейфом, малой дифференциальной нелинейностью. Система команд ЦАП может находиться в одном из двух состояний:
1) ОЖИДАНИЕ - состояние ожидания приема команд, управления и настройки, программирования EEPROM, а также предварительной загрузки данными FIFO-буфера модуля. Это состояние всегда возникает при включении питания;
2) РАБОТА (рабочий цикл) - состояние вывода ЦАП в соответствии с ранее произведенными настройками. В это состояние модуль переходит по команде START. В рабочем цикле ЦАП может принимать либо данные для подкачки FIFO-буфера в процессе вывода данных на ЦАП (в режиме генератора периодических сигналов подкачка данных не производится), либо команду STOP для остановки вывода данных на ЦАП и перевода модуля в состояние
ОЖИДАНИЕ. Допустимая последовательность команд однозначно описывается графом, представленным на рис. 2.
Рис. 2. Допустимая последовательность команд для ЦАП
Контроль выходных сигналов с имитатора датчиков обеспечивается с помощью модуля АЦП крейта. Модуль АЦП является носителем измерительных субмодулей, которые предназначены для измерения медленноменяющихся величин напряжения. АЦП используется для преобразования аналогового сигнала с платы имитатора датчиков в цифровой код, после чего происходит передача на ноутбук.
С помощью команд, передаваемых из ПЭВМ, имитатор задает напряжение на выходе каналов модулей ЦАП, необходимое для получения тока на выходе первичного преобразователя «напряжение-ток», соответствующего сигналу с имитируемого датчика давления. Полученный ток поступает на многоканальный преобразователь. МП предназначен для приема входных токовых сигналов, их преобразования, обработки (фильтрации и усреднения) и выдачи информации в виде последовательного цифрового кода и аналогового сигнала. Получен-
ный код передается на автоматизированную систему управления подготовкой РН. К выходу МП для обратной связи также подключается блок интерфейсов фирмы МОХА, который полученный код по интерфейсу Я5-485 отправляет на ПЭВМ для визуального отслеживания, а также контроля происходящих процессов.
С помощью специально разработанного программного обеспечения для ПЭВМ происходит имитация работы устройства в реальных условиях эксплуатации путем воспроизведения циклограмм штатной и нештатной работы (рис. 3). Программа позволяет выбрать тип циклограммы (ЦКГ), ее параметры, а также параметры, для которых необходимо запустить ЦКГ. ЦКГ № 1 имитирует плавное нарастание давления от 0 до 250 кгс/см с темпом 0,05 кгс/см в секунду и дискретностью изменения значений параметра 0,01 кгс/см2. ЦКГ № 2 непрерывно имитирует давление в диапазоне от 0 до 250 кгс/см . ЦКГ № 3 имитирует плавное нарастание давления от 0 до 250 кгс/см , т.е. 0,5 кгс/см в секунду, дискретностью изменения значений параметра 0,1 кгс/см2. ЦКГ № 4 и ЦКГ № 5 соответствуют обратному направлению изменения параметра (от 250 до 0 кгс/см2). На рис. 3 показан примерный вариант формы выбора ЦКГ оператором.
Выбор стандартной циклограм»*,) Контролируемая ✓»•формпи-'я
ФДЫ ФДЬО
©ЦКГ № 1 ©ЦКГ N° 1
С Ц КГ N0 2 О ЦКГ N0 2
Давление (кгс/см2): 1 Давление (кгс/см2): 1
С Ц КГ № 3 С ЦКГ № 3
Темп (кгс/см2хсек): 0»1 Темп (кгс/см2хсек): 0,1
Р Обратное направление р. Обратное направлен/*?
изменет^я параметра изменения параметра
□ Активировать □ Активировать
©ЦКГ N0 1 ©ЦКГ N0 1 ©ЦКГ N0 1
С Ц КГ N0 2 С ЦКГ N0 2 О ЦКГ N0 2
Давление (кгс/см2): 1 Давледое (кгс/см2): 1 Давление (кгс/см2): 1
©ЦКГ № 3 ©ЦКГ № 3 ©ЦКГ №3
Темп (кгс/см2хсек): ^ Темп (кгс/см2хсек): 0*5 Темп (кгс/см2хсек): 0,5
Р Обратное направление Обратное направление Р Обратное направление
изменения параметра изменения параметра изменения параметра
□ Активировать □ Активировать С Активировать
Подтвержде»*-«; выбора циклограммы
| | Стоп
Рис. 3. Окно выбора циклограмм
После выбора нужного типа диаграммы оператор должен нажать кнопку «Подтверждение выбора циклограммы» для перехода на вкладку «Контролируемая информация». Программа имитирует задание давления по пяти точкам измерения. Каждая точка измерения содержит три канала. Выходным сигналом по каждому каналу является цифровой десятичный код, соответствующий заданному давлению (рис. 4).
Существуют следующие методы аппаратного контроля объекта [5]:
а) числовой контроль по модулю;
б) кодовый контроль по модулю;
в) контроль с использованием корректирующих кодов;
Имитатор использует способ, основанный на сопоставлении выходных сигналов. Прежде всего это числовой контроль по модулю. На рис. 5 представлена схема узла, контролируемого по модулю. В этом случае автомат А представляет собой устройство, выполняющее арифметические операции. Автомат В выполняет операции над контрольными словами, которые являются наименьшими остатками от деления этих чисел на некоторый модуль контроля -
вычетами. Результаты выполнения операций сравниваются по модулю. При их совпадении считается, что операция выполнена правильно.
Выбор с тамдартной циклограммы Контролируемая информация
ФДБГ
Канал \Р 5
00,000 код
00,000 иге / см2
СИ Измстмть темп
ФДБО
□ Изменить темп
ФДШБН
С!] Иэме»мть темп
ФДРДО
□ Изменить темп
ФДШБУ
Камал 6
00,000 иод
00,000 «с/см?
00,000 *«>А
00,000 кгс/см?
Темп изменения
параметра (кгс/см2хсек): 0,01
Приметить
О Изменить темп
О Изменить темп
Канал N9 13 Камл >4« 14 Камал N9 15
00,000 иод 00,000 код 00,000 код
00,000 кгс/см? 00,000 м!с/см2 00,000 иге/см?
Темп изменения
параметра (кгс/см2хсек): 0,01
I 1| г-1. -I и- II.
□ Изменить темп
□ Изменить темп
Канал N9 9 Камал N9 10 Камал N9 11
00,000 иод 00,000 иод 00,000 иод
00,000 кгс / см2 00,000 кгс/см? 00,000 мгс/см?
Темп изменения
(кгс/см2хсек): 0,05
Канал N9 17 Камал N9 18 Камал N9 19
00,000 иод 00,000 иод 00,000 иод
00,000 кгс/см? 00,000 кгс/см? 00,000 кгс/см?
Темп изменения
параметра (кгс/см2хсек): 0,05
[ Г^эимем/гть |
□ Итменить темп
□ Изменить темп
Канал 149 21 Камал N9 ?? Камал N9 23
00,000 иод 00,000 иод 00,000 иод
00,000 кгс/см? 00,000 кгс/см? 00,000 кгс/см?
□ Изменить темп □ Изменить те*п И Изме№1ТЬ те**1
параметра (кгс/см2хсек): 0,05
[ Примегуггь I
Рис. 4. Окно контролируемой информации
► у
Сигнал
контроля
X
Рис. 5. Схема узла, контролируемого по модулю
Числовой аппаратный контроль наиболее эффективен при контроле арифметических операций. Объектами контроля являются сумматоры, счетчики, сдвигатели, арифметические устройства и т.д. Контроль производится путем сопоставления (по модулю) выходных слов контролируемого и контролирующего узлов.
Кодовый контроль по модулю отличается от числового тем, что в качестве контрольных слов используются остатки от деления суммы цифр данного слова на выбранный модуль контроля и может быть использован для проверки правильности выполнения операций, а также передачи и хранения информации. Корректирующими свойствами он не обладает, особенностью его является то, что при проверке правильности выполнения операций контролирующее устройство зависит от контролируемого, так как необходимо учитывать все возникающие переносы.
Возможные пути модернизации системы - частичное или полное осуществление имитации только с помощью ПЭВМ, без участия каких-либо дополнительных устройств. Главная задача будет сводиться только к разработке программного обеспечения для ПЭВМ, которая бы осуществляла весь процесс имитации. Также хотелось бы отметить социальную значимость. Она заключается в том, что с помощью небольшой системы имитации можно заменить трудоемкий технический процесс проведения реальной заправки. Это позволит снизить себестоимость проекта, полностью исключив затраты на проведение отработки взаимодействия при заправке. Также имитационный процесс позволяет просмотреть различные внештатные ситуации, когда заправка происходит с отклонениями от нормы, которые могли бы возникнуть в реальности, и тем самым избежать их.
Список литературы
1. Цапенко, М. П. Измерительные информационные системы / М. П. Цапенко. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 439 с.
2. ГОСТ 24029-80. Категории контролепригодности объектов диагностирования. - М. : Стандарты, 1980.
3. ГОСТ 23563-79. Техническая диагностика. Контролепригодность объектов диагностики. Правила обеспечения. - М. : Стандарты, 1979.
4. Гарманов, А. В. Подключение измерительных приборов. На примере продукции фирмы Ь-СаМ / А. В. Гарманов. - М. : ЗАО «Л-КАРД», 2003. - 41 с.
5. Ушакова, Г. Н. Аппаратный контроль и надежность специализированных ЭВМ / Г. Н. Ушакова. - М. : Советское радио, 1969. - 312 с.
Пена Дмитрий Викторович
аспирант,
кафедра информационно-измерительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: Pena3@mail.ru
Pena Dmitriy Viktorovich
postgraduate student, sub-department of information and measuring systems,
Penza State University
Чернов Михаил Викторович
аспирант,
кафедра информационно-измерительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: iit@pnzgu.ru
Chernov Mikhail Viktorovich
postgraduate student, sub-department of information and measuring systems,
Penza State University
Ляшенко Антон Валерьевич
аспирант,
кафедра информационно-измерительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: iit@pnzgu.ru
Lyashenko Anton Valer'evich
postgraduate student, sub-department of information and measuring systems,
Penza State University
УДК 004.94:681.586.772 Пена, Д. В.
Разработка средств имитации для систем измерения абсолютного давления ракетного двигателя / Д. В. Пена, М. В. Чернов, А. В. Ляшенко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 1. - С. 63-68.
