孫鑒非　孫歡慶　喻文韜　李慶南　柴焱

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機(jī)機(jī)電綜合技術(shù)以及水廢水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，然后以某型號(hào)民用飛機(jī)為例，依據(jù)該型號(hào)飛機(jī)水廢水系統(tǒng)的系統(tǒng)功能需求，進(jìn)一步提取出一種基于機(jī)電綜合的水廢水系統(tǒng)電氣架構(gòu)，最后在MATLAB仿真軟件中，建立了基于機(jī)電綜合構(gòu)架的水廢水系統(tǒng)的初級(jí)電氣仿真模型，并初步論證了所搭建仿真模型的可行性。

【關(guān)鍵詞】水廢水；機(jī)電綜合；電氣架構(gòu)分析

0 引言

水廢水系統(tǒng)是民用飛機(jī)機(jī)電綜合構(gòu)架中的重要組成部分之一，其承擔(dān)著為數(shù)不多的，直接面相乘客的民用飛機(jī)級(jí)功能之一。整個(gè)水廢水系統(tǒng)構(gòu)架由水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，水系統(tǒng)的功能主要為利用氣源壓力或者電空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力，將機(jī)內(nèi)儲(chǔ)藏的引用水，通過(guò)壓力供水的方式，由相關(guān)管道分配至盥洗室以及前后廚房，從而完成民用飛機(jī)飲用水儲(chǔ)藏、檢測(cè)、供給分配的功能。廢水系統(tǒng)的功能主要為利用機(jī)內(nèi)外壓差或者真空發(fā)生器產(chǎn)生的壓力差，對(duì)機(jī)內(nèi)灰水包括廚房盥洗室灰水、馬桶廢水進(jìn)行機(jī)上再處理，并在航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)完畢后，在地面進(jìn)行廢水排放，從而完成民用飛機(jī)廢水處理、排放的功能，滿(mǎn)足航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)時(shí)，乘客與機(jī)組人員的生理需求[1]。

1 民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著民用飛機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，乘客對(duì)民用飛機(jī)舒適性的需求也與日俱增，水廢水系統(tǒng)的重要性也在不斷增加。水廢水系統(tǒng)構(gòu)架發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：人工機(jī)械操作構(gòu)架、分布操作分布控制構(gòu)架、機(jī)電綜合控制構(gòu)架[2]。

人工機(jī)械操作構(gòu)架的主要代表機(jī)型為空客A320和A319。主要工作模式為，通過(guò)人工拉動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手柄，從而控制開(kāi)水、閉水閥門(mén)開(kāi)斷，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)上飲用水與廢水的分配和排放。該系統(tǒng)構(gòu)架相對(duì)較為落后，隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐漸被更先進(jìn)的系統(tǒng)構(gòu)架所取代[3]。分布操作分布控制構(gòu)架是在人工機(jī)械操作架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備在機(jī)上的分布狀況[4]，就近設(shè)置相關(guān)水廢水閥門(mén)的電子電氣控制單元。該種控制架構(gòu)下，系統(tǒng)控制單元就近分散于所需控制設(shè)備，不僅控制單元數(shù)量多，而且各控制子系統(tǒng)之間綜合關(guān)系較弱，不利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體狀態(tài)反饋與監(jiān)控。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始基于機(jī)電綜合的民用飛機(jī)控制構(gòu)架，并且在A380、B787機(jī)型中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用[5]?；跈C(jī)電綜合控制的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架，其是一種基于ARINC429、A825等數(shù)據(jù)總線(xiàn)構(gòu)架，對(duì)分布式設(shè)備進(jìn)行集中式狀態(tài)反饋、系統(tǒng)控制的構(gòu)架，是目前最為先進(jìn)、高效的系統(tǒng)構(gòu)架。目前國(guó)內(nèi)在軍機(jī)領(lǐng)域，已經(jīng)有初步機(jī)電綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。本文以某民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)具體功能需求為基礎(chǔ)，以機(jī)電綜合技術(shù)為系統(tǒng)構(gòu)架方向，構(gòu)架出某型號(hào)民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)機(jī)電綜合仿真模型。

2 基于機(jī)電綜合構(gòu)架水廢水系統(tǒng)電氣建模初步分析

以150座級(jí)民用飛機(jī)為例，其對(duì)于水廢水系統(tǒng)的基本功能需求為：客艙前后各設(shè)置一個(gè)盥洗室和廚房，并在廚房和盥洗室中設(shè)置相應(yīng)的電子閥門(mén)、加熱器，從而進(jìn)行配合輸水管道飲用水、灰水廢水的分配、管理。水、廢水子系統(tǒng)共享VFMD變頻器，配合水系統(tǒng)的增壓發(fā)生器、廢水系統(tǒng)的壓差發(fā)生器和相關(guān)電子閥門(mén)，調(diào)節(jié)監(jiān)控輸水、配水管道的水壓。

根據(jù)該型號(hào)民用飛機(jī)的基本功能需求，本文提出的一種基于機(jī)電綜合控制的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示?；谒崛〉南到y(tǒng)構(gòu)架，在MATLAB仿真軟件中搭建的水廢水電氣仿真系統(tǒng)模型如圖2所示。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部控制器與設(shè)備之間的控制邏輯與軟硬件接口規(guī)劃如下。整個(gè)水廢水系統(tǒng)共用一套機(jī)電綜合控制硬件、軟件模塊，該模塊可以根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)集成度，單獨(dú)在電子設(shè)備艙規(guī)劃LRU實(shí)現(xiàn)，也可以嵌套在航電核心控制器內(nèi)部。根據(jù)水廢水系統(tǒng)設(shè)備在機(jī)艙內(nèi)部分散分布的特點(diǎn)，控制模塊與系統(tǒng)設(shè)備之間，采用ARINC429總線(xiàn)，利用民用飛機(jī)航電系統(tǒng)分布在客艙各處的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，完成控制信號(hào)傳輸，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)控制器的反饋。由于水廢水系統(tǒng)的設(shè)備均為電子閥門(mén)，加熱器等簡(jiǎn)單電子硬件設(shè)備，對(duì)控制精度要求低，對(duì)系統(tǒng)控制信號(hào)的實(shí)時(shí)度也沒(méi)有太多限制，并且控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)大，因此數(shù)字總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)于硬線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的信號(hào)延遲、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性等問(wèn)題對(duì)水廢水系統(tǒng)不存在影響。相應(yīng)的，由于數(shù)據(jù)總線(xiàn)信號(hào)傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，單個(gè)條數(shù)據(jù)總線(xiàn)中可以分時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)，以ARINC429總線(xiàn)為例，單條A429總線(xiàn)可以高頻分時(shí)傳輸高達(dá)255條不同類(lèi)別的信號(hào)內(nèi)容，因此，采用數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以大大減少由于硬線(xiàn)信號(hào)傳輸帶來(lái)的系統(tǒng)線(xiàn)纜敷設(shè)數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)數(shù)量和復(fù)雜度，從根本上提高了系統(tǒng)硬件架構(gòu)集成度，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

另一方面，對(duì)于系統(tǒng)與民用飛機(jī)其他系統(tǒng)的交聯(lián)接口規(guī)劃構(gòu)架如下。因主流飛機(jī)航電系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架以及由A825進(jìn)化為更為先進(jìn)高效的A664總線(xiàn)技術(shù)。因此，在設(shè)計(jì)水廢水系統(tǒng)與中央維護(hù)系統(tǒng)，客艙顯示系統(tǒng)等民用飛機(jī)航電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口時(shí)，直接采用A664總線(xiàn)規(guī)范，從而完成水廢水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)在客艙顯示系統(tǒng)的顯示，便于機(jī)組乘務(wù)員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控與故障反饋，同時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)A664總線(xiàn)傳輸至OMS中央維護(hù)系統(tǒng)，為線(xiàn)下地面排故、飛機(jī)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。直接采用A664進(jìn)行水廢水系統(tǒng)與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，規(guī)避了各自信號(hào)規(guī)范數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)造成數(shù)據(jù)有效性和可用性的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，避免了各自信號(hào)規(guī)范兼容性差異，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)民用飛機(jī)電氣系統(tǒng)的可靠性也有進(jìn)一步提升。

3 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)性能指標(biāo)以及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效率，是未來(lái)民用飛機(jī)研究的兩大重點(diǎn)。其中，機(jī)電綜合技術(shù)正是優(yōu)化上述兩大目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。由于我國(guó)民用飛機(jī)研究發(fā)展較晚，研究基礎(chǔ)也較為薄弱，在民用飛機(jī)機(jī)電綜合設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前處于相對(duì)落后的位置，因此研究基于機(jī)電綜合技術(shù)的民用飛機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均具有非常重要的戰(zhàn)略意義。本文在綜合國(guó)內(nèi)外機(jī)電綜合技術(shù)以及水廢水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，初步提出了一種基于機(jī)電綜合技術(shù)的水廢水系統(tǒng)構(gòu)架，并初步建立了MATLAB仿真模型，后續(xù)可以針對(duì)仿真模型進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)、進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)交叉驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：王偉平]