科研训练报告

题   目：小型固体火箭发动机远程监控脱模系统

的研究开发

学生姓名：

学生学号：

学   院：机械学院

班   级：机电09－4

指导教师：

20##年  月  日

1、选题背景和意义

1.1 选题背景和目的

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，以降低脱模过程中由于芯模的冲击、爬行等对药柱带来的损伤，确保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，尤其是高能推进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处理，以脱模速度和脱模力为主要控制量来调节液压系统中负载缸的速度和顶出力，以达到脱模工艺的控制要求。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行及预定参数的远程控制。

1.2 国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义

（1）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，对企业生产的自动化程度和信息的集成要求也越来越高。纵观控制系统的发展史，控制系统本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。

控制系统从最初利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，已经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主要靠通信网络系统来支持。在DCS中充分体现了硬件积木化、软件模块化和控制系统组态的特点。DCS通信距离可按用户要求，从几十米到十几公里，通信速率为1～100Mbps,可满足实时控制和管理的要求。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）是一种以微处理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，适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）监控组态软件及其发展趋势

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多年的发展历史。应该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、早期的FIX等都运行在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下运行工控软件的先河，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飞跃和提高。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，具有丰富的设置项目，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)是其主要内涵，即主要解决人机交互图形界面问题。组态软件系统包含有实时数据库、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处理机方向发展，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，硬件系统如果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分发挥作用的舞台。

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、汇总和统计生产数据，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，甚至有的系统就根本不能缺少组态软件。这其中的主要原因是软件的功能强大，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。

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。

图1 复合纤维铺放原理

本研究具有科学研究价值和强烈的工程应用背景。项目研究成果可为大型风机叶片纤维铺放控制技术的研究、铺放装备的研制奠定必要的理论基础和技术支撑，对于我区实现兆瓦级风电设备的本地化生产，彻底改善手工铺放的生产现状和落后局面，有着极其重要的现实意义。

2  研究内容与预期研究成果

2.1 研究目标

（1）建立……方法；

（2）探究……规律。

……

2.2 主要研究内容

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。

（1）生产装置组成及对远程控制系统的要求

根据某小型固体火箭发动机脱模作业的要求，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，主要有连接附件、脱模顶升液压缸、提升液压缸、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成固定行程的顶升，此时，芯模与药柱已脱离接触，由提升液压缸带动活动横梁完成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。

（2）控制系统的组成、功能及工作原理

本控制系统主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。

1）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要求进行调整，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行方式，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行方式，只在对系统进行调试、点动控制时使用。自动方式主要包括PLC逻辑控制、拉压力控制、速度控制。

2）检测装置

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：

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 Ⅱ CT4）级，完全能满足使用需要。

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。

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处理。

3）液压控制系统

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。根据控制要求，通过D/A模块将数字值转化为模拟量信号。模拟量再经过放大板的放大，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。

开关量的控制主要是在系统工作中，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。

4）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 98/2000/NT 中文平台作为其操作系统，充分利用了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，开发者可完成界面的设计、数据库定义、动画连接等。

而对于监视观察部分，由于加工的产品危险性高，所以当准备工作完成后，现场人员均退回到安全间内进行操作。对现场工件的观察只能靠远程系统来完成。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。

2.3 研究方案及技术路线

（1）上位机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

（2）下位机PLC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）根据工艺要求和控制要求，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要求。

2.4 拟解决的关键技术

（1）低速无爬行脱模速度的控制

（2）脱模速度和脱模力的实时检测与控制

（3）监控系统的组态

2.5 预期研究成果

（1）研究……方法，……影响的宏观性规律。

（2）开发……产品。

……

3、主要参考文献

[1]      金海波. 复合材料飞机结构综合优化设计系统研究[D]. 南京航空航天大学博士学位论文. 2003. P46

[2]      陈绍杰,申振华,徐鹤山. 复合材料与风机叶片[J]. 玻璃钢/复合材料. 2008,3:42-46

[3]      Shirinzadeh B, Alici G, Foong C W, et al. Fabrication Process of Open Surfaces by Robotic Fibre Placement[J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2004, 20:17-28

[4]      http://www.nmg.xinhuanet.com/xwzx/20##-01/01/content_21769174.htm

[5]   汪长明，杨继贤，孙业保等.车辆发动机动力学[M].北京：国防工业出版社，第一版.1981.