2016年第6期
空间电子技术
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马楠，李敬博，任光杰
(航天东方红卫星有限公司，北京100094)
摘要：针对以往卫星地面供配电测试，一颗卫星配备一套测试设备，且设备体积大、效率低、费用高等缺点，提出了基于PLC及PROFIBUS现场总线的卫星地面供配电测试系统方案，介绍了其系统组成、硬件设计、软件设计以及与传统测试设备的对比。该系统已成功地应用于多个小卫星平台的在研和发射型号的测试工作，具有良好的应用效果和应用前景。 关键词：可编程逻辑控制器；现场总线；小卫星；供配电测试设备
中图分类号:V556 文献标识码:A 文章编号：1674-7135(2016) 06-0089-04
DOI :10.3969/j.issn.1674-7135.2016.06.019
Test System for Satellite Ground Power Supply
and Distribution Based on PLC
M A N a n，LI Jing-b o，R E N Guang-jie
(DFH Satellite Co. Ltd.，Beijing 100094，China)
Abstract：In view of the previous satellite ground power supply test，a satellite is equipped with a set of test equipment，which has large volume，low efficiency，high cost shortcomings，testing scheme of distribution system based on PLC and PROFIBUS field bus technology satellite ground w，as put forward. The system composition，hardware design，software design and with the traditional test equipment comparison were introduced. This system has been successfully applied to a number of small satellite platform in testing research and emission models，has good application effect and application prospect.
陕西林业科技
Key words ：Programmable logical controller(PLC) ；Fieldbus；Small satellite；Power supply and distributing test equip-
0引言
卫星电性能测试的目的是对卫星规定的性能和 功能做全面的检测，对各分系统之间电气接口的匹 配性和电磁兼容性进行多项复杂的综合检查。有线 测试接口主要指经由卫星表面电连接器引至电气地 面支持设备(E G S E)的专用测试信号接口，与之对应 的测试设备称有线测试设备，它是卫星E G S E的主 要组成部分[1]。由于卫星的种类很多，其应用目的 与系统组成各不相同，为它们配置的测试系统也有 很大差别，随着卫星技术复杂程度的提高，对测试系统的要求也越来越高，系统的造价也很可观，为每一 颗卫星配置一套特定的测试系统的做法显然是不经 济的。因此，设备的通用化要求是必须解决的课题。 以往供配电测试设备的状态是：接口的特殊性 导致在研型号仍是一颗星研制一套测试设备，虽然 设备内部印制板已做到设备间可互换，但由于外围 接口的不断变化，设备经常需重新改造才能应用于 其他型号，且改造周期较长，迅速构建测试系统困 难；有线台测试设备体积庞大，且安装过程极其复 杂，操作过程繁琐，这些都为地面设备转场运输及测
①收稿日期：2016-06-20；修回日期：2016-08-12。
密令截击
作者简介：马楠（1980—），工程师，主要从事小卫星综合测试系统研发及测试工作。
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电流量电压量数字量输入数字量输出
高效液相谱法隔尚放大器
外置电源
试操作等实际应用环节都带来了很大的困难。
基于可编程逻辑控制器（P L C )的卫星地面供配 电测试系统在设计上克服原有技术的不足，首次将可 编程逻辑控制技术引人卫星电性能综合测试，利用
S I M A T I C S 7系列P L C 的高可靠性、高抗干扰能力，及
其体积小、功能完善、适用性强、模块化设计等特点, 成功实现了测试系统的小型化，有效地节约了
设备占 用空间；在其基础上增加外围控制、调理、应急电路, 进一步提高了系统的可靠性；并通过网络及通讯协议 实现了远端监控和测试现场的无人值守，满足不同卫 星测试的需要，使得地面供配电测试设备在接口形式 上实现统一，达到通用化、模块化、系列化的要求，避 免了设备因重复投产造成的经费浪费L 2」。1
硬件
1.1系统组成
如图1所示，该卫星地面供配电测试系统主要 由地面供配电测试机箱、P R O F I B U S 现场总线和测 控计算机组成。卫星等效器作为系统专检设备通过 外围电缆与系统进行连接。测试机箱通过Y 2-50通 用接口与脱落电连接器连接，实现对卫星供配电信 号的测试与控制。接口通路统一用于完成地面供电 及采样、模拟量信号采集、数字量信号采集和控制量 信号输出等供配电测试中的常规功能。测试人员可 在远程通过P R O F I B U S 现场总线操作测控计算机对 地面供配电测试机箱进行供配电指令发送及数据监 控，本地测控计算机亦可通过网络服务器实现对供 配电信号的广播功能。
图
一致性检验
1系统的构成
Fig.1 System composition
1.2核心硬件
地面供配电测试机箱由S I M A T I C S 7 P L C 模块 和外围电路两部分组成，如图2所示。
PS
CPU
AI
DI DO
电源中央处模拟量数字量数字量
徽
理器
输入徽
输入模块输出模块
PROFIBUS SIMATIC S 7-300
地面供配电测臓箱
图
2核心硬件组成
Fig.2 Core hardware components
P L C 模块作为系统核心部件，用于完成测试状
态控制及参数采集。其主要配置为：电源模块P S 307，中央处理器C P U 313C -2D P ，数字量输人模块
D I 、数字量输出模块D O 及模拟量输人模块A I ，各模
中板厂
块依次序安装在测试机箱D I N 导轨上，并通过背板 总线进行信号间传输m 。以搭积木的模块化方式组 成系统的方式，可给维修时更换模块和判断故障范 围都带来很多方便。
外围电路作为实现星地电气隔离、信号匹配及 配电控制的主要手段，同时也提高了以P L C 模块作 为系统的核心部件的供配电设备的可靠性。外围电 路主要由电磁继电器、隔离放大器、固态继电器、霍 尔器件、外置电源、应急开关等组成，用于完成信号 调理、信号控制及采集、控制电源输出、应急断电等 功能。接口信号中开人和模人信号经由固态继电 器、霍尔器件或隔离放大器进人D I 或A I 模块，开出 信号由D O 模块发出，并由电磁继电器控制输出,C P U 模块通过背板总线采集和控制其他各模块的状态L 4」。
测量接口的设计过程中，需要解决信号的匹配 性和安全性，同时兼顾测量的准确性、有效性。因 此，系统硬件设计思路是在P L C 设备的高测量精度 的基础上，利用合理可靠的外围电路，实现星地电气 的完全隔离以及对星上信号的调理和安全控制。1.3模拟量的输入
星上电压参数通过长电缆引至地面后，需经过 分压、隔离放大器、滤波和总线隔离等处理方式，以
实现测量范围匹配、消除长电缆传输造成的共模干 扰、星地电气隔离以及抑制杂散噪声的功能。对于 电压量参数采集,P L C 系统中模拟量输人模块自身 集成了总线隔离、滤波功能，因此外围电路增加了分 压和隔离放大的部分，使得信号转换为能与A I 模块 输人端匹配的电压信号。如图3所示，以蓄电
池电
围
理路
外调
超级兔子2008电
2016年第6期马楠，等：基于PLC的卫星地面供配电测试系统91
压采集为例，卫星蓄电池为星上母线提供电能，其电 压采样线经1k O保护电阻由脱落电连接器进入供 配电测试机箱，再经过外围分压和隔离放大电路后，送入P L C的A I模块。对于电流量参数，P L C系统 中的模拟量输入模块可进行直接采集，但由于采用 这种方式不易实现星地隔离，因此依然采用将电流 量通过霍尔器件转换为电压量进行采集、隔离的方 式。以负载电流采集为例，霍尔器件采集星上正母 线负载电流转换为电压量后，经射随电路由脱落电 连接器进入供配电测试机箱，再经过外围隔离放大 电路后进入P L C的A I模块，A I模块输出信号由背 板总线接口传输至C P U模块进行处理。
图3模拟量输入
Fig.3 Analog input
1.4状态量的输入
反映卫星设备状态的信息大体有两类：一类是 电平信号，或者是脉冲信号，如火工品线路测量信 号，遥控自检状态信号等；另一类是无源的触点信 号，如地面供电控制状态信号、蓄电池通断状态信 号、脱落电连接器通断状态信号等。目前P L C数字 量输入接口的形式是以识别高低电平为主，其输入 信号的可选范围很广，针对使用情况，采用10 V左 右的抗干扰能力，“1”信号范围是15〜30 V;“0”信 号范围是-3〜+5 V的模块。同时，为了保证星地电 气的有效隔离，在输入前级增加了一路采用光电隔 离的固态继电器来完成状态信号采集，有效地实现 了星地间的完全隔离，它不仅输入控制电流小，而且 与普通的电磁继电器和磁力开关相比，具有无机械 噪声、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可 靠等特点。在D I模块内部也设有光耦器件，从而进一步防止干扰信号串入总线。
1.5状态量的输出
状态量输出信息主要包括对卫星的供电控制以 及卫星的状态控制，在卫星测试过程中，可能需要改 变某些星上设备的工作状态，如分系统的加断电控 制、星上设备工作模式的切换控制等。不同之处在 于，有的末端执行继电器的激励电源是来自于地面，而有的是来自于卫星的电源母线。
设备的状态量输出设计中，星地间的电气隔离 依然是首要考虑的问题。P L C数字量输出模块自身 具备光电隔离功能和继电器输出功能，这样的模块 本身就能很好地解决电气隔离问题。为了做到更加 可靠，在该模块输出端再加一层继电器隔离，同时在 这个层次下实现对卫星状态的控制。设计时将这一 层继电器的触点两端接入星上末端执行继电器的控 制电源线和激励电源，这样可实现对状态的控制。
2软件
系统控制采用下位机软件包ste P7完成，运用梯 形逻辑编程语言L A D对P L C进行组态[5]，组态成功 后，将设计并调试完成的测试程序下装到P L C的C P U模块中；上位机运用W i n C C完成软件界面设 计、变量连接、数据实时归档、变量报警、用户权限访 问的功能操作[6]，并根据卫星有线测试的高可靠性 要求，加入软件使能按钮、指令发送提示框等细节设 计。利用0P C对象链接和嵌入过程控制协议作为 异构通讯的桥梁，通过单独的数据采集软件，实现远 程监控及供配电信号的广播功能的目的。本地测控 计算机利用T C P/I P协议判断并执行本地测控计算 机的指令数据，并通过U D P协议广播供配电数据并 将数据传至数据库服务器进行归档。
测试系统软件工作过程如图4所示，通过W i n C C主界面可分别进入测试主界面和归档界面, Ste P7用于完成对硬件系统组态及下位机软件程序 编制，并通过P R0F I B U S现场总线将L A D程序下装 至硬
件系统的C P U模块，并由C P U模块反馈参数信 息并执行控制指令。测试界面主要完成Ste P7中定 义变量如对模拟量、数字量的调用，并连接各变量，实现对测试模拟量、数字量的监视，以及对控制量进 行状态控制；在测试界面中可随时切换至归档界面 及远程通讯软件界面；归档界面用于查询测试数据 及状态信息，
并实现了测试数据的实时归档及模拟
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量的趋势分析。远程通讯软件利用O P C工业标准 来实现与W i n C C测试界面的通信，远程控制计算机 通过T C P/I P协议对远程通讯软件发送控制指令，同时远程通讯软件也将测试数据通过U D P协议广 播至测试网络数据库，实现异构网络的远程通信控 制m。
图4软件系统工作示意图
Fig.4 Working diagram of software system
3系统应用
目前，基于P L C的卫星地面供配电测试系统不 仅已成功应用于 C A S T 968、C A S T 2000、C A S T 3000等多个小卫星平台的在研及发射型号的测试工作 中，且仍将在后续的多个改进型小卫星型号中继续 沿用，具有良好的应用前景。
未来的小卫星测试技术将会逐步向智能化、“云 测试”系统以及适应批产化要求的自动化测试流水 线等方向发展[8]。
4结束语
作为集成化、通用化、模块化及高可靠性地面测 试系统的代表，基于P L C的卫星地面供配电测试系 统已全面替代已往设备，成为小卫星型号地面供配 电测试的主要系统。该系统具有如下特点：
(1) 可编程控制器的使用将以往设备的30U 柜减小为高度仅为11U的标准尺寸机柜，大大减小 了设备的体积，提高了测试系统的集成度；
(2) 通用的模块化设计理念的引入，在降低设备操作难度的同时，也大大缩短了系统构建及应 急处置时间；
(3) 通过增加外围调理电路，提高了测试系的可靠性；
(4) 统一了地面供配电测试系统的接口，降了测试系统成本，缩短了测试周期；
(5) 通过现场总线技术和网络通信技术，实了对测试系统的远端监控和测试现场无人值守。
在此基础上，该系统将运用并结合先进的自动 化技术及理念，进一步提升并扩展可编程逻辑控制 器的领域，使得小卫星测试技术不断向全面自动化 的目标迈进。
参考文献：
[1]王庆成.航天器电测技术[M].北京：中国科学技术出
版社，2007.
[2]章雷，马楠，姬云龙，等.一种卫星地面供配电测试系
统[P].中国：CN201110880Y，2008.09.03.
[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业
出版社，2012.
[4]李立，郝东卿.卫星供配电测试设备信号调理技术[J].
测控技术，2015,34(7): 55-58.
[5]郑亚红.图解PLC梯形图[M].辽宁：辽宁科学技术出
版社，2013.
[6]刘华波.组态软件WINCC及其应用[M].北京：机械工
业出版社，2009.
[7]陆会明.控制装置标准化通信—0P C服务器开发设
计与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
[8]戴涧峰，袁媛，冯孝辉.基于工作流的小卫星自动化测
试系统设计方法研究[J].计算机测量与控制，2011，
19(12) :2912-2915.
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