AutomationDirect Spotlight. 问题43 - 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

实际上推出火箭是团队的最终目标,但与任何大型项目一样,这一个来自较小的项目。火箭发动机试验台是较大的皇室项目的一个必不可少的项目,每个项目的每个元素都对整体成功至关重要。皇室背后的数学和科学都被课堂覆盖,但对于真实世界的实施,学生需要在工作中学习很多。

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。

测试台自动化操作阀门和执行器,监视器传感器,启动点火,并提供各种安全关闭功能。最后一项至关重要,因为正确设计的控制系统可以在毫秒内识别出仪器问题,并采取行动将系统驱动到安全状态。没有人员预计将在发动机靠近发动机的任何地方,但该团队还需要保护设备免受损坏。

因为团队立即学习了这么多学科,所以避免重新发明轮子的巨大愿望。他们已经知道PLC和其他工业设备,如控制阀和传感器可以做这项工作,如果他们选择正确的部件并正确编程它们。这是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:远程操作测试台的团队的图片。测试支架由团队成员远程监控。

测试台设计和开发过程以多种方式演变。最初,设计团队尝试使用步进电机控制阀门,但他们发现这种方法很困难,无法提供必要的反馈。它们移动到使用气动致动阀和电磁阀,两者都可以通过继电器容易地与PLC接口。随着开发的持续,更多的阀门逐步自动化,最终达到12。

为了仪表测试支架和火箭发动机,为必要的范围和服务指定了从AutomationDirect提供的温度和压力传感器。行业标准4至20 mA信号确保了与PLC的直接连接,并提供了可靠的信号。

核心自动化元件组装到安装在板上的控制面板中(图2)。该团队使用AutomationDirect ZipLink预先连接电缆和模块设计和制作控制面板,以便于设备的现场接线。使用模块化PLC和ZipLink电缆提供了设计更新的灵活性。其他互补面板制造硬件和设备也是从自动化程度获得的。

测试台操作包括多种类型的功能,包括:

  • 阀门控制
  • 点火
  • 自动中止
  • 状态和数据日志记录

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状态。操作员启动测试,PLC接管自动控制阀门,其中定时以毫秒精度调度。首先,阀门顺序打开以混合点火器中的燃料和氧气,将火焰射入主火箭发动机的小室。在此之后,PLC输出4-20mA信号,以精确命令主推进阀的位置,优于1°的精确度,因为它们遵循预编程的配置文件以确保流畅的发动机启动。一旦推进剂进入发动机的燃烧室,它们混合并被点火器点燃,那么那么
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。

对于每个测试运行,所有设备状态和仪器数据都是记录到Web服务器中内置的PLC的数据。这允许在运行之后快速,远程访问数据以CSV格式导出的数据,因此该团队可以使用其他基于PC的软件执行更详细的分析。能够远程访问数据的安全性,使得团队能够有效地返回到后退发动机测试。

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,该团队能够逐步转换手动阀门来自动阀门控制。它们还将推进剂阀门升级到气动阀定位器,使它们能够在关键启动序列期间节流流量。目前,测试台是拖车的,但即将到来的建筑阶段正在调整设计以适应运输容器,具有更具自动化的防火和推进剂填充。

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火箭队包括超过100名学生,在开发火箭发动机试验台上形成推进试验组的空间项目超过十几个学生。这种案例研究由Simon Bambey,团队领导和Griffin Peirce撰写撰写,推进检测铅。