AutomationDirect Spotlight. 第43期- 2020 学生聚光灯 学生聚光灯

工业自动化与使命

学生设计团队开发了一种基于PLC的控制系统,以安全地自动化测试支架,并在火箭发射之前证明发动机。

由Simon Bambey和Griffin Peirce,UBC火箭学生团队

在加拿大温哥华的英国哥伦比亚大学(UBC),一群坚定的学生面临技术任务更具挑战性,具有比典型的家庭作业或考试所呈现的更大的真实影响。它们需要安全地测试实际火箭发动机,以便在发布之前验证正确的操作。

UBC Rocket学生团队由100多名致力于多火箭项目的学生组成。该集团中约三分之一正在从事UBC Rocket Spaceshot项目,工作,以建造由液体推进剂发动机供电的相同的25英尺高的火箭。单独的火箭重量将重约450磅,加载推进剂时为1800磅。作为设计和建造火箭的一部分,该项目需要内部创建自定义推进系统,是火箭最复杂的一部分。

大约十几名学生完全专注于设计和制造不断发展的火箭发动机,机械加工和组装出钢和铝零件。一旦开发了每个推进系统,该团队需要在地面上测试发动机控制,功能和性能,以便在飞行前验证整体火箭设计。这意味着开发和符合某种形式的测试支架和相关自动化来控制和监控测试运行。

经过一些初步研究,该团队意识到控制和监测地面上的火箭发动机很像操作工业机器。这导致它们得出结论,可编程逻辑控制器(PLC)平台是任务的理想选择。本文展示了它们如何创建PLC控制的火箭发动机测试台,随着所需的要求,改善和适应它。

在工作学习

学生团队由敬业和积极的个人组成,即使它超过了正常的学校和工作承诺,也可以拥抱挑战。对于许多人来说,它是加拿大公民参与这种航空航天和劫掠计划的少数几个机会之一。

UBC航空航天和工程经验

实际上发射火箭是这个团队的最终目标,但就像任何大项目一样,这个项目是由小项目组成的。火箭发动机试验台是大型火箭项目的重要组成部分,该项目的每一个元素都对整体成功至关重要。火箭背后的很多数学和科学都在课堂上讲授,但要实现实际应用,学生们需要在工作中学习很多东西。

分配了一些团队成员,以找出控制火箭发动机的要求,然后指定和设计控制硬件和软件以创建必要的测试站系统。

它是火箭科学

对于球队的火箭,发动机尺寸在设计时提前指定。液体推进剂发动机将液氧与煤油和点火源结合,得到的燃烧产生约3400磅的标称推力。在全功率下,发动机消耗了每秒约15磅的燃料和氧化剂推进剂,其中燃烧室以每平方英寸的压力约200磅。

测试台需要可靠地,可靠地,安全地控制发动机以进行测试运行(图1),同时监控和存储每个射击的结果以进行以后的分析。

试验台自动化操作阀门和执行机构,监测传感器,启动点火,并提供各种安全关闭功能。最后一项非常重要,因为一个适当设计的控制系统可以在几毫秒内识别出仪表问题,并将系统驱动到安全状态。任何人员都不能靠近正在运行的发动机,但团队也需要保护设备免受损坏。

因为团队要同时学习这么多学科,所以非常希望避免重复发明。他们已经知道,plc和控制阀和传感器等其他工业设备如果选择正确的部件并对其进行适当编程,就可以完成这项工作。下面是该团队如何指定所需的硬件
和软件。

由真实世界科学控制

在一些初步调查之后,团队针对PLC平台的自动化编号产品,自动化Direct网站的功能协助这一决定。在线产品选择指南快速帮助团队专注于ProductIpy2000微模块化PLC平台,因为它具有大量的计算电源,I / O选项和配置灵活性。

图1:火箭后火箭试验台通风罐的图片。这里显示的火箭发动机附着在测试支架上,必须控制仔细结合和点燃液氧和煤油
监测结果。

通过在线产品文件,支持信息和培训视频的财富,增强了生产率2000的选择。尽管在该项目之前,但团队成员曾经没有编程甚至听说过PLC,但许多成员熟悉C ++和Python等其他当代语言。

使用自由软件和在线教程,该团队很快发现了如何配置和缩放输入和输出,并创建实现控制所需的梯形图逻辑。这给了他们充满信心,他们可以满足他们的目标。该团队非常兴奋地与现实世界和系统一起使用的机会,这在大学并不总是可能。然而,他们需要注意纳入“最低可行的产品”,工程 - 讲话,以保持简单和经济。

任务控制

图3:团队远程操作试验台的图片。试验台由团队成员远程监控。

试验台的设计和开发过程以几种方式演进。最初,设计团队尝试使用步进电机来控制阀门,但他们发现这种方法很困难,无法提供必要的反馈。他们转向使用气动阀门和电动电磁阀,这两种阀门都可以通过继电器轻松地与PLC连接。随着开发的继续,越来越多的阀门逐步实现自动化,最终达到12个阀门。

为了测试试验台和火箭发动机,来自AutomationDirect的温度和压力传感器被指定为必要的范围和服务。工业标准4至20毫安信号确保直接连接到PLC,并提供可靠的信号。

核心自动化元件组装成安装在试验台上的控制面板(图2)。该团队使用AutomationDirect ZIPLink预接线连接电缆和模块设计并制作了控制面板,以方便设备的现场布线。模块化PLC和ZIPLink电缆的使用为设计更新提供了灵活性。其他互补的面板制造硬件和设备也从AutomationDirect获得。

测试台操作包含以下几种功能:

  • 阀控制
  • 点火
  • 自动中止
  • 状态和数据记录

该团队开发了一种用于监控和控制远程操作位置的测试操作的人机界面,以及使用视频录制(图3)。通常通过编程到PLC的定时序列来实现完整的阀门控制,因此可以通过操作员触发重复且精确地执行所有动作。对于典型的测试会话,操作员远程启动阀门,而技术人员执行推进剂填充物。一旦推进箱填充,技术人员将在控制掩体中加入操作员,在那里它们设置了测试参数。

图2:控制面板的图片。该团队设计,制造和有线安装在板上的控制面板测试台,采用自动化直径P2000 PLC,顶部安装了Ziplink连接器电缆。

在测试开始之前,PLC强制所有阀门处于正确的状态。操作员发起测试,PLC接管阀门的自动控制,阀门的定时精度为毫秒级。开始时,阀门依次打开,将燃料和氧气混合在点火器中,点火器是一个小室,它将火焰射入主火箭发动机。随后,PLC输出4-20mA信号,以精确指挥主推进剂阀门的位置,精度优于1°,因为它们遵循预先编程的轮廓,以确保发动机平稳启动。一旦推进剂进入引擎的燃烧室它们混合并被点火器点燃,然后
关闭。

当测试到达完成时,主要推进剂阀门关闭并且随后是一系列阀门,自动将惰性气体注入发动机和周围区域以清除任何残留的推进剂并抑制任何小火焰。与正常阀门密切相关,点火功能是互补的自动中止逻辑。该程序配置了,因此任何感测的异常都将中止运行,驱动所有阀门和其他设备的安全状态。该团队经验丰富的发动机启动序列异常,并且每次通过PLC可靠地关闭测试。

对于每次测试运行,所有的设备状态和仪器数据都被记录到PLC内置的web服务器。这允许在运行后快速、远程访问CSV格式的数据,以便团队可以使用其他基于pc的软件执行更详细的分析。能够在一个安全的控制掩体内远程访问数据,使团队能够有效地进行引擎测试。

3-2-1点火

1961年,随着汞自由7发射经验延误,据说一个恼怒的Alan Shepard据说已经将“轻盈”蜡烛“咆哮到任务控制。然而,任何火箭程序都具有广泛的测试,导致众所周知的蜡烛照明时刻(图4)。

UBC团队成员广泛而逐步地测试了他们的火箭发动机测试台,以确保正常运行。进行了数百个测试运行,首先运行干燥只是锻炼控件和设备。后来系统用水运行,因此在不引入推进剂的情况下可以安全地实现某种控制和监测。因为可靠的点火是必不可少的,所接下来的团队在用推进剂填充系统的供应箱之前进行了超过60个点火器测试。最后,该团队进行了一系列低温检查,其中液氮用液氮测试了液态氧管,以确保所有传感器和阀门在暴露于低温温度时标称操作。

最终,团队进行实际和完整的火灾测试。就像这种写作一样,已经有多个完全运行的测试会话,总共有五次。所有系统和自动化元件都始终如一地运行,如预期的那样。

未来的平台

图4:Live Fire的图片。测试方案从干式循环进入水测试,以点火测试到最终的现场火灾操作。自动化系统完美无瑕。

选择和实施商业自动化自动化Direct PLC控制和仪器使UBC火箭队能够快速开发可靠的自动化平台。它还使他们能够容易地将系统调整为新的和不断变化的要求。

例如,该团队能够逐步将手动阀门转换为自动阀门控制。他们还将推进剂阀门升级为气动阀门定位器,使它们能够在关键启动序列中节流流量。目前,试验台是拖车装载的,但即将到来的建设阶段将调整设计,以适应一个集装箱,在灭火和推进剂灌装更加自动化。

UBC火箭队员成员开始充满激情的项目,但也许有些不那么放手的经验。他们热情地找到自动化程度的系统和支持如何帮助他们建立技能并产生可靠的自动化解决方案。该团队反复发现自动化指示灯提供了他们所需要的广泛产品组合,适合困难的现场操作条件,以良好的价格点。

作者Bio.

UBC火箭团队包括100多名学生,其中十多名来自Spaceshot项目,组成推进测试小组,负责开发火箭发动机试验台。这个案例研究是由团队负责人Simon Bambey和推进测试负责人Griffin Peirce撰写的。