一种大空间环境模拟试验室压力控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开一种大空间环境模拟试验室压力控制系统及其控制方法，包括主抽真空泵、维持真空泵、自动阀、止回阀、抽气管道、排气管道、自动补气阀、手动补气阀、真空表、自动放气阀、过滤器、手动放气阀、PLC控制设备以及大空间环境模拟试验室，各个组件之间通过管道连接，以实现气体的流通。主抽真空泵与维持真空泵搭配使用，从大空间试验室内抽吸空气，实现快速降压的目的；各个管道上设有多个自动阀及止回阀，用于控制空气流量、流速和防止倒流；该系统以PLC控制器设置各种逻辑关系和互锁保护，操作简单，且可实现自动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力控制领域，具体来说，是一种应用于环境模拟试验室降压、负压的控制系统及其控制方法，特别适用于特大型空间环境模拟试验室。

背景技术

高原低气压环境试验是大量工业产品需要进行的环境考核试验。对于小型产品，一般是利用人工方法获得的高原低气压环境进行考核；对于大型整机产品，往往需要往返于自然的高原环境进行考核，造成产品的研制周期长、资金花费巨大，同时也常常受到自然条件的限制，环境参数难以满足试验的需求。

为了满足大型整机产品的高原低气压环境试验需求，需要建设特大型的真空容器。目前，美国、俄罗斯、欧洲空间局、日本都建设有直径大于10m的大空间环境设备，中国空间技术研究院亦建有直径为12m的大空间环境模拟设备KM6。由于大空间环境模拟设备空间大，在降压过程中对压力控制系统的排气量及降压速率要求都较高，因此现有技术的真空泵结构比较复杂，同时也给系统的自动控制机及设计逻辑关系增加了难度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提出一种应用于大空间环境模拟试验室降压、负压的控制系统及其控制方法，使大空间环境模拟试验室内进行快速降压的试验。

本发明一种大空间环境模拟试验室压力控制系统，包括主抽真空泵、维持真空泵，止回阀A、止回阀B，主抽真空泵自动阀门、维持真空泵自动阀门、自动阀，抽气管道，排气管道，自动补气阀，手动补气阀，真空表A、真空表B，自动放气阀，过滤器，手动放气阀、PLC控制设备以及大空间环境模拟试验室。

其中，大空间环境模拟试验室上通过管路连接有手动放气阀、自动放气阀与真空表A，自动放气阀与过滤器连接；大空间环境模拟试验室上还通过抽气管道依次连接有真空表B、自动阀、手动补气阀以及自动补气阀；自动阀与手动补气阀之间的抽气管道上分别通过管路并联有主抽真空泵与维持真空泵；主抽真空泵与维持真空泵通过管路与排气管道相连；每个主抽真空泵与抽气管道间的管路上依次设置有止回阀A与主抽真空泵自动阀门；维持真空泵与抽气管道间的管路上依次设置有止回阀A与维持真空泵自动阀门；PLC控制设备通过数据线与止回阀A、止回阀B、自动补气阀、自动放气阀、主抽真空泵、维持真空泵、真空表A、真空表B、主抽真空泵自动阀门、维持真空泵自动阀门、自动阀相连。

大空间环境模拟试验室中的空气经主抽真空泵抽吸后，由排气管道排出大空间环境模拟试验室外，实现大空间环境模拟试验室内的快速降压；通过止回阀A与止回阀B防止气体回流；抽气管道中的气流量通过主抽真空泵自动阀门控制，实现抽气管道的切断或接通；主抽真空泵所在气路的开关及流量大小由维持真空泵自动阀门控制；在主抽真空泵抽气完毕停机后，通过维持真空泵保持补气量和抽气量的动态平衡，维持大空间环境模拟试验室内的低气压环境和真空度值的稳定；维持真空泵所在气路的开关及流量大小由自动阀控制；大空间环境模拟试验室中的补气量通过自动补气阀控制；进入大空间环境模拟试验室内空气中的杂质通过过滤器去除；在试验完成后通过自动放气阀将外界空气经过滤器过滤后抽吸进大空间环境模拟试验室内，使大空间环境模拟试验室内外压力值达到平衡；通过手动补气阀手动对大空间环境模拟试验室内进行复压；真空表A用来测量抽气管道内的气压值，并向PLC控制设备输入反馈信号；真空表B用来测量大空间环境模拟试验室内的气压值，并向PLC控制设备输入反馈信号。其中，PLC控制设备用来控制主抽真空泵、维持真空泵、止回阀A、止回阀B、主抽真空泵自动阀门、维持真空泵自动阀门、自动阀、自动补气阀、真空表A、真空表B以及自动放气阀的开启或关闭。

本发明一种大空间环境模拟试验室压力控制系统的压力控制方法，通过下述步骤实现：

步骤一：PLC控制设备初始化；

开启PLC控制设备电源后，通过外部PC机上设定本次实验模拟的真空度。

步骤二：检测真空表A与真空表B是否正常；

真空表A和真空表B会向PLC设备发送数字信号，若没有收到这真空表A或真空表B的数字信号，PLC设备报警；否则直接进行步骤三。

步骤三：检测大空间环境模拟试验室内真空度是否正常；

通过真空表A测得的大空间环境试验室内的真空度的值发送给PLC控制设备，若大空间环境模拟试验室内真空度的值与正常大气压值相同，则表明大空间环境模拟试验室内真空度正常；否则，PLC控制设备报警。此时通过手动补气阀对大空间环境模拟试验室内进行复压，直到真空表A测得的真空度的值与正常大气压值相同。

步骤四：开始对大空间环境模拟试验室内部抽气降压；

通过PLC控制设备开启主抽真空泵自动阀门、维持真空泵自动阀门、自动阀，并同时开启主抽真空泵和维持真空泵，且通过PLC控制设备控制阀门的开度，从而控制抽气量。

步骤五：当大空间环境模拟试验室内真空度达到步骤一中设定的值，则PLC控制设备关闭主抽真空泵并调节维持真空泵自动阀门及自动补气阀的开度，使补气量与维持真空泵抽气量保持平衡，直至试验结束。

步骤六：对大空间环境模拟试验室进行复压；

实验结束后，PLC打开自动放气阀，外界空气经过滤器过滤及自动放气阀，被抽吸进入大空间环境模拟试验室内，直到大空间环境模拟室内外压力值达到平衡，关闭自动放气阀；若本发明压力控制系统自动放气阀出现故障，则通过开启手动放气阀，对大空间环境模拟实验室内部进行复压。

本发明的优点在于：

1、本发明压力控制系统设计灵活，可以采用多并联几个主抽真空泵的方式来加大抽气量，因此可使用的试验室范围比较广，不受试验室尺寸大小的限制，如直径10m的试验室可以采用本发明压力控制系统，直径15m的试验室也可以采用本发明压力控制系统；

2、本发明压力控制系统采用主抽真空泵和维持泵的搭配使用，不仅可以控制抽气量、抽气速率，还可以达到精确控制试验室内真空度的效果；且试验室气压达要求后，仅开启维持真空泵保持室内压力，有效节约能源；

3、本发明压力控制系统通过高压抽气、低压补气的断续性控压，主抽真空泵、维持真空泵以及各个阀门与真空表容易通过PLC控制设备设置各种逻辑关系和互锁保护，操作简便、能够降低故障及误操作对设备的损坏，PLC控制设备在无人值守时运行可靠。

4、本发明压力控制系统结构简单，可通过多套抽真空泵并联的方式，满足特大空间大空间环境模拟试验室对抽气量及抽气速率的要求；

5、本发明中设计安装有自动和手动的放气阀以及补气阀，能保证系统的可靠运行。

附图说明

图1为本发明压力控制系结构示意图；

图2为本发明压力控制方法流程图；

图3为利用本发明压力控制系统模拟4000米海拔高度(61.6kPa)时，大空间模拟试验室内真空度控制曲线图；

图4为利用本发明压力控制系统模拟6000米海拔高度(47.1kPa)时，大空间模拟试验室内真空度控制曲线图。

图中：

1-主抽真空泵            2-维持真空泵            3-止回阀A    4-止回阀B

5-主抽真空泵自动阀门    6-维持真空泵自动阀门    7-自动阀     8-抽气管道

9-排气管道              10-自动补气阀           11-手动补    12-真空表A

                                                气阀

13-真空表B              14-自动放气阀           15-过滤器    16-手动放气阀

17-大空间环境模拟试验   18-PLC控制设备

室

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的大空间环境模拟试验室压力控制系统，包括主抽真空泵1、维持真空泵2、止回阀A3、止回阀B4、主抽真空泵自动阀门5、维持真空泵自动阀门6、自动阀7、抽气管道8、排气管道9、自动补气阀10、手动补气阀11、真空表A12、真空表B13、自动放气阀14、过滤器15、手动放气阀16、PLC控制设备18以及大空间环境模拟试验室17，如图1所示。

大空间环境模拟试验室17上通过管路连接有手动放气阀16、自动放气阀14与真空表A12，自动放气阀14与过滤器15连接。大空间环境模拟试验室17上还通过抽气管道8依次连接有真空表B13、自动阀7、手动补气阀11以及自动补气阀10。自动阀7与手动补气阀11之间的抽气管道8上分别通过管路并联有主抽真空泵1与维持真空泵2。主抽真空泵1与维持真空泵2通过管路与排气管道9相连。每个主抽真空泵1与抽气管道8间的管路上依次设置有止回阀A3与主抽真空泵自动阀门5。维持真空泵2与抽气管道8间的管路上依次设置有止回阀A3与维持真空泵自动阀门6。主抽真空泵自动阀门PLC控制设备18通过数据线与止回阀A3、止回阀B4、自动补气阀10、自动放气阀14、主抽真空泵1、维持真空泵2、真空表A12、真空表B13、主抽真空泵自动阀门5、维持真空泵自动阀门6、自动阀7相连。

其中，主抽真空泵1采用高转速的真空泵，用来在试验准备阶段，对大空间环境模拟试验室17内进行抽气，将所抽气体随排气管道9排出，实现大空间环境模拟试验室17内的快速降压。由于在抽气过程中大空间环境模拟试验室17内气压低于外界气压，因此若主抽真空泵1或维持真空泵2停机或出现故障时气体回流，由此通过止回阀A3或止回阀B4防止气体回流。自动阀7用来控制抽气管路8中的气流量，可以实现抽气管路8的切断或接通。主抽真空泵自动阀门5用来控制主抽真空泵1所在气路的开关及流量大小。

在主抽真空泵1抽气完毕停机后，通过维持真空泵2保持补气量和抽气量的动态平衡，维持大空间环境模拟试验室17内的低气压环境和真空度值的稳定；维持真空泵自动阀门6用来控制维持真空泵2所在气路的开关及流量大小。

由于本发明压力控制系统采用高压供气、低压补气来实现大空间环境模拟试验室17内的压力控制，因此需要通过自动补气阀10来控制补气量。

过滤器15用来消除进入大空间环境模拟试验室内空气中的杂质，以保护阀门及大空间环境模拟试验室内设备的正常使用。

在试验完成后，需要对大空间环境模拟试验室17进行复压，因此通过自动放气阀14将外界空气经过滤器15过滤后的空气抽吸进大空间环境模拟试验室17内，使室内外压力值达到平衡。在自动放气阀14出现故障时，通过手动补气阀11手动对大空间环境模拟试验室内进行复压；

真空表B13用来测量抽气管道8内的气压值，并向PLC控制设备输入反馈信号；真空表A12用来测量大空间环境模拟试验室17内的气压值，并向PLC控制设备输入反馈信号。

所述PLC控制设备18用来作为控制器对本发明压力控制系统进行控制，可控制的变量即参数更多，且通过编辑互锁关系使系统运行更安全。PLC接受真空表A12与真空表B13的输入信号，通过外部PC向PLC设备中输入相应的控制指令，从而控制主抽真空泵自动阀门5、维持真空泵自动阀门6、自动阀7、自动补气阀10、自动放气阀14、止回阀A、止回阀B的开启或关闭，以及控制主抽真空泵1与维持真空泵2的启停。

本发明基于上述大空间试验室环境压力控制系统的压力控制方法，如图2所示，通过下述步骤来完成：

步骤一：PLC控制设备初始化；

开启PLC控制设备电源后，通过外部PC机上设定本次实验模拟的真空度。

步骤二：检测真空表A12与真空表B13是否正常；

真空表A12和真空表B13向PLC控制设备18发送数字信号，若没有收到真空表A12或真空表B13的数字信号，PLC控制设备18报警，此时需要工作人员对真空表A12或真空表B13故障进行检测，排除真空表A12或真空表B13的故障，随后进入步骤三；否则直接进行步骤三。

步骤三：检测大空间环境模拟试验室17内真空度是否正常；

通过真空表A12测得的大空间环境试验室17内的真空度的值发送给PLC控制设备18，若真空度的值与正常大气压值相同，则表明大空间环境模拟试验室17内真空度正常；否则，PLC控制设备18报警。此时通过手动补气阀16对大空间环境模拟试验室17内进行复压，直到真空表A12测得的大空间环境模拟试验室17内真空度的值与正常大气压值相同。

步骤四：开始对大空间环境模拟试验室17内部抽气降压；

通过PLC控制设备18开启主抽真空泵自动阀门5、维持真空泵自动阀门6、自动阀7，并同时开启主抽真空泵1和维持真空泵2，且通过PLC控制设备18控制主抽真空泵自动阀门5的开度，从而控制抽气量。

步骤五：当大空间环境模拟试验室17内真空度达到步骤一中设定的值，则通过PLC控制设备18关闭主抽真空泵1并调节维持真空泵自动阀门6及自动补气阀10的开度，使补气量与维持真空泵2抽气量保持平衡，直至试验结束。

步骤六：试验结束后，对大空间环境模拟试验室17内部进行复压；

打开自动放气阀14，由于大空间环境模拟试验室17内外存在压力差，外界空气经过滤器过15滤及自动放气阀14，被抽吸进入大空间环境模拟试验室17内，直到大空间环境模拟试验室内17外压力值达到平衡，关闭自动放气阀14。若压力控制系统中自动放气阀14出现故障，可通过开启手动放气阀16，来对大空间环境模拟试验室17内部进行复压。

实施例1：根据本发明大空间环境模拟试验室压力控制系统及其控制方法分别在内径为22m、高为34m的大空间环境模拟试验室17内进行4000米海拔高度(61.6kPa)的模拟。本发明压力控制系统中采用4台主抽气泵，运行800s后试验室内达到设定压力值，实际测量值为61.5～61.7kPa，控制精度误差值≤±0.1kPa、控制精度＜±0.5％，即误差值除以精确值±0.1kPa÷61.6kPa＜±0.5％，如图3所示。

实施例2：根据本发明大空间环境模拟试验室压力控制系统及其控制方法分别在内径为22m、高为34m的大空间环境模拟试验室17内进行6000米海拔高度(47.1kPa)的模拟。在本发明压力控制系统中采用3台主抽真空泵，运行2000s后试验室内达到设定压力值，实际测量值为46.9～47.2kPa，控制精度误差值≤±0.2kPa、控制精度＜±0.5％，如图4所示。