李正榮

(中國燃氣渦輪研究院，成都 621703)

基于LXI總線的壓氣機試驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

李正榮

(中國燃氣渦輪研究院，成都 621703)

基于LXI總線的壓氣機測試系統(tǒng)，在試驗中對電壓、壓力、溫度、流量和頻率等參數(shù)進行采集和記錄，然后通過系統(tǒng)軟件性能分析端提供專業(yè)的算法分析接口，接入壓氣機性能分析計算鏈以及其他用戶自定義的算法進行實時性能分析，從而實現(xiàn)壓力機性能的測試及判斷；經(jīng)過試驗驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，基于LXI總線的儀器和基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)布方式既能滿足試驗數(shù)據(jù)實時采集、現(xiàn)場監(jiān)視，多專業(yè)靈活分析等功能，提供靈活的接口形式滿足不同專業(yè)的實時分析，實現(xiàn)了壓氣機性能的測試和試驗風(fēng)險的掌控。

LXI總線;算法分析接口;性能分析

0 引言

壓氣機是燃氣渦輪發(fā)動機中利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機由渦輪驅(qū)動，其主要性能參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、流量、空氣流量、增壓比和效率等。對壓氣機進行測試及性能分析，以對壓氣機的性能進行判斷，對壓氣機的研制和改進至關(guān)重要。在精心設(shè)計的基礎(chǔ)上通過反復(fù)調(diào)試與修改設(shè)計最后達到性能要求的發(fā)展研制過程，不僅僅過去是這樣，現(xiàn)在仍是這樣，從這個意義上講，壓氣機不是計算出來的，而是試驗出來的，因此，自航空燃氣渦輪發(fā)動機發(fā)展以來，各國對壓氣機的試驗和測量給予了高度的重視，壓氣機測試系統(tǒng)也越來越重要。

1 壓氣機測試的需求

1.1 測試參數(shù)、精度和實時性的要求

壓氣機組成復(fù)雜、涉及專業(yè)多[1]，當(dāng)前企業(yè)在發(fā)動機研發(fā)設(shè)計驗證過程中，測試內(nèi)容較多(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、性能等)、測試參數(shù)種類多(電壓、壓力、溫度、流量和頻率等參數(shù))、測量通道數(shù)量多、測試精度要求高、測試數(shù)據(jù)量大、測試實時性要求也高。

1.2 分布式網(wǎng)絡(luò)測控的要求

壓氣機測試參數(shù)種類較多[2]，而且測點分散，因此對測試系統(tǒng)的要求較高。分布式網(wǎng)絡(luò)測試可保證信號的質(zhì)量，使測試系統(tǒng)具有較好的管理性，可提高試驗效率，但同時各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步和整也是至關(guān)重要的問題。

1.3 縮短設(shè)計驗證周期的需要

目前的設(shè)計驗證工作均是在試驗完成后人工利用試驗數(shù)據(jù)進行分析和驗證，這種事后驗證方式不僅效率低下，而且由于人為原因出錯的幾率也較大，因此需要采用專業(yè)的臺架實時性能分析工具，通過實時數(shù)據(jù)記錄和分析，可以提高試驗分析效率，同時也有助于提高產(chǎn)品設(shè)計的驗證能力，進而縮短設(shè)計驗證周期。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

本文主要介紹了基于LXI總線[3]的壓氣機測試系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包含壓力采集系統(tǒng)、綜合參數(shù)測量系統(tǒng)以及各種處理計算機。綜合參數(shù)測量系統(tǒng)測量所有可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膮?shù)(壓力、溫度、頻率、壓差、角度)，壓力采集系統(tǒng)測量所有通過氣路接到壓力掃描閥的測點。兩套采集系統(tǒng)通過交換機與采集計算機連接，采集計算機將采集的參數(shù)處理，打包發(fā)送到圖形處理計算機、畸變試驗處理計算機進行相應(yīng)的計算處理。系統(tǒng)硬件采用PSI掃描閥及美國VTI公司的EX10XXA系列產(chǎn)品，軟件采用瑞風(fēng)協(xié)同公司研發(fā)的FIDAS——發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)進行架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計遵循系統(tǒng)完整性、高可靠性、操作簡捷、模塊化設(shè)計、可方便擴展等原則，同時論證了性能分析在壓氣機測試系統(tǒng)中的重要性。系統(tǒng)組成見圖1所示。

圖1 壓氣機試驗臺測試系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣體壓力采用美國PSI公司的9816系列氣體壓力掃描閥， 9816 智能壓力掃描器模塊是高性能的氣體壓力測量裝置，用于多通道干燥無腐蝕性氣體的壓力測量，掃描器內(nèi)部集成了16個各種量程的硅壓阻傳感器、16個溫度傳感器和一個32位微處理器，安裝在一個架裝機箱內(nèi)。每個傳感器組件還包含一個溫度傳感器和一個EEPROM電路，組件可整體更換。組件自帶的EEPROM電路用于記憶傳感器相關(guān)的信息諸如校準系數(shù)、傳感器編號ID、量程、出廠校準日期，以及用戶管理的最新校準日期和下次校準日期等。傳感器內(nèi)部集成EEPROM電路的優(yōu)點是可以在現(xiàn)場簡單地更換傳感器組件，在上電時將自動加載傳感器自帶的校準信息，可以立刻投入測量應(yīng)用。

綜合參數(shù)測量系統(tǒng)采用美國VTI公司的EX10XXA系列產(chǎn)品進行架構(gòu)，EX10XXA是高性能的遠端熱電偶和電壓測量儀，遵從LXI A類規(guī)范，這款EX10XXA可升級的獨立模塊憑借完整的內(nèi)置信號調(diào)理，增強的冷端補償和完全的端對端自校準，為用戶提供卓越的測量精度和可重復(fù)性。EX10XXA一站式滿足用戶的分布式測量應(yīng)用，并具有良好的易用性。同時配置EX10SC信號調(diào)理平臺，可用于系統(tǒng)中頻率，熱電阻，電流等參數(shù)的采集和測量。

EX10XXA系列產(chǎn)品在熱電偶測量方面具有獨特的設(shè)計：

(1)熱電偶通道內(nèi)置冷端補償(CJC)：冷端補償(CJC)為任何真實熱電偶測量系統(tǒng)的關(guān)鍵。EX10XXA整合了多個精密熱電阻，提供高精度的參考端，通過軟件進行選擇，簡化了外部線纜連接，并且顯著提供測量精度。

(2)具有熱電偶傳感器開路監(jiān)測每個通道配備熱電偶開路監(jiān)測功能，可獨立配置開啟，連續(xù)給出通道狀態(tài)指示。

并且，EX10XXA為每個信號通路提供完全的端對端自校準。儀器內(nèi)置的高精度校準源提供參考信號，在模擬濾波和增益電路之前對漂移、老化和溫升進行補償。自校準簡單快捷，用戶可以根據(jù)需要隨時進行。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件選用北京瑞風(fēng)協(xié)同科技股份有限公司開發(fā)的FIDAS——發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件包含采集端，總控端及性能分析端，可對試驗數(shù)據(jù)進行實時采集及顯示，并可實時將試驗數(shù)據(jù)發(fā)布到總控端，對試驗數(shù)據(jù)進行管理和回放，性能分析端提供專業(yè)的算法分析接口，提供完整的性能分析功能。

采集端可對系統(tǒng)所有硬件進行控制和配置，可控制采集設(shè)備的啟動和停止，采集端內(nèi)置幾個功能齊全傳感器庫管理溫度、壓力、應(yīng)變、位移、流量等各種傳感器。

1)用戶可以編輯、存儲和調(diào)用傳感器的參數(shù)信息，并對線性傳感器進行標定，標定后直接用于臺架測試。

2)采集端能將系統(tǒng)中所有傳感器手動輸入并分類管理，也能將總控端傳感器庫已有的傳感器及其類型下載保存到本地。

總控端實現(xiàn)試驗過程的控制[4]，控制采集狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)布及數(shù)據(jù)實時入庫，并可將所有采集端的通道配置、狀態(tài)等進行同步。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)布原理圖

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)布示意圖

性能分析端提供實時性能分析，展現(xiàn)測試進展情況，可將預(yù)估點曲線作為背景參考，與實時計算的性能數(shù)據(jù)進行比較，實時體現(xiàn)發(fā)動機性能與預(yù)估值之間的關(guān)系?？筛鶕?jù)受感部安裝布局圖所設(shè)置的測點分布類型和角度顯示測點分布位置，如圖4所示。

圖4 特性圖示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全系統(tǒng)精密同步，分系統(tǒng)數(shù)據(jù)合成(具體系統(tǒng)同步原理說明)

由于系統(tǒng)中包含PSI系統(tǒng)及EX10XXA系統(tǒng)，因此不同子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的整合及同步至關(guān)重要。系統(tǒng)總控端將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行合成，針對不同采樣率的通道數(shù)據(jù)將通過GPS時鐘同步技術(shù)進行數(shù)據(jù)對齊后合并，是全系統(tǒng)實現(xiàn)精密同步[5]。

系統(tǒng)中添加了GPS時鐘源HJ210 NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器，可以用此時鐘同步EX10XXA設(shè)備時鐘。同時，EX10XXA設(shè)備會有一個通道來記錄每遍數(shù)據(jù)采集的時間，這個時間是UTC時間，精度能達到μs級別，非常精確，這就為各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步提供了同步的基礎(chǔ)，各個子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)同步采用數(shù)據(jù)采集點所對應(yīng)的采集時間來對齊。

綜合參數(shù)測量系統(tǒng)，OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，壓力測量系統(tǒng)可以全部掛接在一個采集端程序中，這樣可以提高各系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的精度，圖5是采用此方案下的數(shù)據(jù)同步示意圖。

圖5 數(shù)據(jù)同步示意圖

3.2 專業(yè)性能分析算法

系統(tǒng)提供通用的發(fā)動機整機和部件部分性能參數(shù)計算算法，如高度、馬赫數(shù)、壓比、流量、效率等，方便客戶在性能計算鏈中進行調(diào)用；

根據(jù)臺架測試需要，自定義判據(jù)，在數(shù)據(jù)采集過程中自動完成數(shù)據(jù)判讀功能，對于大數(shù)據(jù)量的臺架測試，提供發(fā)動機性能計算功能[6]，如試驗件性能計算鏈,包括壓氣機效率、燃燒效率、渦輪效率。

開放的計算鏈編寫接口，允許客戶針對不同試驗件編寫不同的性能分析計算鏈，編寫語言為C++。

這里應(yīng)該講接口的設(shè)計如何的便利和獨立，用戶使用不影響其他系統(tǒng)的正常運行。

3.3 壞點剔除功能

試驗過程中，處在高溫高壓環(huán)境中的測點容易發(fā)生故障，為了不影響性能分析算法計算精度，需要及時剔除壞點，系統(tǒng)提供了簡便易用的壞點剔除功能，方便用戶及時剔除壞點，并會把剔點信息及時傳遞到性能分析計算鏈中[7]。

通過日常積累的試驗經(jīng)驗，試驗人員對每類傳感器甚至每個測點的范圍都有清晰的了解。通過添加判據(jù)，軟件可以自動識別測點的狀態(tài)。如果產(chǎn)生壞點，軟件可選自動剔除或手動剔除，使其數(shù)值不參與性能計算，從而保證計算結(jié)果的有效性。

4 試驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)根據(jù)試驗參數(shù)的不同，選用不同的硬件設(shè)備，滿足系統(tǒng)參數(shù)類型較多的需求，并且實現(xiàn)了高精度、可靠的數(shù)據(jù)采集及記錄，同時配置功能齊全的發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)規(guī)范試驗數(shù)據(jù)標準與數(shù)據(jù)處理效率，并保證了數(shù)據(jù)傳輸和管理過程的可靠性，大幅提高試驗工作效率，降低出錯概率。

試驗效果分析：

1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件可以覆蓋所有信號類型。

2)采用基于GPS的時鐘同步技術(shù)，解決了因采樣率不同而造成的數(shù)據(jù)不同步問題，保證了數(shù)據(jù)入庫的高效性和有效性。

3)系統(tǒng)軟件前端設(shè)備接入的可伸縮性和通道配置的靈活性，極大的縮短了試驗前準備時間，大幅減少試驗人員的工作量，同時減少了人為操作的出錯幾率。

4)采用的分布式測控策略，實現(xiàn)了不同設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)測試，提高了測試效率及設(shè)備利用率，很好的滿足了數(shù)據(jù)采集的實時性要求。

5)將前端各分系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)合并后入庫，不僅解決了因不同設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式不同的問題，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)格式，為后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析帶來了可能；同時也解決了因設(shè)備分散造成的數(shù)據(jù)孤島問題。

6)提供的狀態(tài)采集，很好的保證了狀態(tài)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為后續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析奠定了基礎(chǔ)。

7)特性圖，可以讓實時試驗數(shù)據(jù)與預(yù)估曲線對比，實時了解當(dāng)前發(fā)動機性能是否符合設(shè)計要求。

8)數(shù)據(jù)的實時分析能力，不僅提高了試驗分析效率，同時也提高了產(chǎn)品設(shè)計的驗證能力。

9)壞點剔除功能，保證了入庫數(shù)據(jù)的有效性，同時也保證了計算結(jié)果的正確性。

10)測點布局圖，讓試驗設(shè)計人員可以直觀的了解測點的布局情況，及了解受感部在試驗過程中是否有效，避免了設(shè)計人員數(shù)據(jù)分析時的偏差。

11)受感部使用時數(shù)統(tǒng)計，保證了試驗的順利進行，提高了試驗的成功率。

5 結(jié)束語

本文敘述了基于LXI總線硬件設(shè)備及專業(yè)分析軟件建立的壓氣機測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，表明基于LXI總線建立的這套系統(tǒng)，具有靈活的系統(tǒng)架構(gòu)、先進的測量設(shè)備、專業(yè)的系統(tǒng)分析軟件等優(yōu)勢，完全滿足壓氣機測試系統(tǒng)的要求，同時專業(yè)的性能分析功能，算法分析接口及壞點剔除功能均為壓氣機測試提供了專業(yè)高效的分析工具，有效地提高了試驗的效率和成功率。隨著壓氣機測試的要求越來越高，基于LXI總線的專業(yè)的軟硬件測試系統(tǒng)分析系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。

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Studies about Aompressor Surge Test System Based on LXI Bus

Li Zhengrong

(China Gas Turbine Establishment,Chengdu 621703,China)

This article introduced a compressor test system based on LXI bus, and describes the main features and advantages of this system. In the test, acquired and recorded the voltage, pressure , temperature, flow and frequency signals, then provide analysis of algorithms interface via the system performance analysis software side, access compressor performance analysis and other user-defined algorithms for real-time performance analysis, in order to achieve the compressor performance testing and judgment. This system runs stably and it has been verified by test. Base on LXI bus instruments and data deliver by LAN, this system can meet the test requirements of real-time data acquisition, field monitoring, flexible analysis, and it provides a flexible interface to meet different professional real-time analysis, to achieve the control of the compressor performance tests.

LXI bus; algorithms analysis interface; performance analysis

2015-11-16；

2016-02-15。

李正榮(1964-)，男，四川大英人，主要從事試驗研究、試驗?zāi)芰ㄔO(shè)工作方向的研究。

1671-4598(2016)07-0039-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.011

TP3 文獻標識碼：A