陳志龍

摘要：民用航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺作為承擔(dān)整機(jī)試驗(yàn)的主要設(shè)備，直接關(guān)乎于試驗(yàn)的效率、安全和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是整機(jī)試驗(yàn)臺的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中作用舉足輕重。本文主要對民用航空發(fā)動機(jī)試車臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

Abstract： The civil aviation engine test bench as the main equipment for the whole test is directly related to the efficiency， safety and quality of the test. The data acquisition and control system is one of the key systems of the whole machine test bench and it plays a decisive role in the engine test. This article mainly analyzes the data acquisition and control system design of civil aviation engine test bench.

關(guān)鍵詞：民用航空發(fā)動機(jī)；試車臺；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

Key words： civil aviation engine；test bench；data acquisition and control system；design

中圖分類號：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0175-03

0 引言

民用航空發(fā)動機(jī)研制具有周期長、難度大、測試要求高、設(shè)計(jì)迭代頻繁等特點(diǎn)，因此對整機(jī)試驗(yàn)也提出了更高的要求。整機(jī)試驗(yàn)臺作為承擔(dān)整機(jī)試驗(yàn)的主要設(shè)備，直接關(guān)乎于試驗(yàn)的效率、安全和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是整機(jī)試驗(yàn)臺的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中作用舉足輕重。發(fā)動機(jī)研制周期長這一特點(diǎn)，導(dǎo)致測試設(shè)備需頻繁地更新?lián)Q代，這對數(shù)采軟件的硬件兼容性、開發(fā)靈活性提出了更高的要求；發(fā)動機(jī)測試要求高這一特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在測試通道多、同步性要求高，這對軟件的多通道采集、運(yùn)行穩(wěn)定性以及同步處理機(jī)制提出了更高的要求。

1 試車臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)概述

試車臺數(shù)據(jù)測量與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)簡稱數(shù)采系統(tǒng)，用于采集、處理及顯示發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)及車臺設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)測量、采集、處理、顯示、存儲單元組成。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)需完成燃油系統(tǒng)、起動空氣系統(tǒng)、推力臺架系統(tǒng)等近十套復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)同步性、實(shí)時性要求高，且需完成復(fù)雜的實(shí)時氣動運(yùn)算和控制邏輯。

2 系統(tǒng)軟件組成及其功能

試車臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件以滿足航空發(fā)動機(jī)試車需求為基本目的，專用于航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域。從大的功能模塊上主要分為四部分：

①發(fā)動機(jī)油門桿操縱系統(tǒng)；

②數(shù)據(jù)采集硬件，用于完成發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)采集；

③試車臺設(shè)備控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)試車臺設(shè)備與發(fā)動機(jī)試車的協(xié)同控制；

④控制與顯示終端，用于提供發(fā)動機(jī)及設(shè)備的控制和監(jiān)視功能。

整機(jī)試驗(yàn)臺數(shù)采系統(tǒng)軟件主要功能包括：數(shù)采軟硬件的配置及維護(hù)；試車顯示界面的定義，數(shù)據(jù)記錄的定義，數(shù)據(jù)回放及后處理；試車控制、設(shè)備控制及試車過程中的報警監(jiān)視。主要包括：

①數(shù)據(jù)采集和管理；

②報警與監(jiān)視；

③與發(fā)動機(jī)控制單元的通信（FADEC、ECU、EDU）；

④發(fā)動機(jī)及設(shè)備的控制；

⑤油門桿集成；

⑥發(fā)動機(jī)性能計(jì)算；

⑦數(shù)據(jù)分析；

⑧試驗(yàn)報告生成；

⑨系統(tǒng)與試驗(yàn)配置；

⑩數(shù)據(jù)管理及后處理；

{11}操作日志管理。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足民用航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)需求，本文提出民用航空發(fā)動機(jī)試車臺數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案基于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，具有最佳性能、高可靠性，并提供可用的模塊化性能，其數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、用戶交互、可視化和控制均采用公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分布式架構(gòu)，由面向任務(wù)的專用計(jì)算機(jī)處理。系統(tǒng)采用分布式和模塊化設(shè)計(jì)，每個子模塊由專門的子系統(tǒng)管理，所有的子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)總線進(jìn)行通信。主要模塊功能如下：

①發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)采集裝置：負(fù)責(zé)將發(fā)動機(jī)所需采集的物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)據(jù)總線上，供其它功能模塊使用和處理。數(shù)采軟件開發(fā)有各種采集硬件的驅(qū)動程序，可完成各采集硬件的配置和數(shù)據(jù)交互。采集硬件包括溫度測量裝置、壓力測量裝置、振動測量裝置、大氣參數(shù)測量裝置、模擬量電壓電流測量裝置等。

②設(shè)備控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成試車臺機(jī)電設(shè)備的電氣控制。該控制工作通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)，并可通過控制臺的FCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制。工藝系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、空氣起動系統(tǒng)、推力臺架系統(tǒng)、上部運(yùn)輸系統(tǒng)、升降平臺系統(tǒng)、電機(jī)加載系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)等。

③油門桿操縱系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成發(fā)動機(jī)的臺架供油操作。根據(jù)發(fā)動機(jī)ECU的不同，油門桿系統(tǒng)通常配置有油門桿、Actuator，Resolver，以滿足機(jī)械電調(diào)和FADEC電調(diào)的油門控制需求。相應(yīng)地，數(shù)采軟件開發(fā)Resolver板卡的驅(qū)動程序，以完成配置和數(shù)據(jù)通訊工作。

④發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成發(fā)動機(jī)的臺架控制。當(dāng)前民機(jī)主流的FADEC系統(tǒng)主要采用ARINC 429，ARINC 664總線，數(shù)采軟件開發(fā)相應(yīng)板卡的驅(qū)動程序，以完成配置和數(shù)據(jù)通訊工作。操作人員通過控制臺上的ECS計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制。

⑤采集工作站（Host Computer）：采集工作站接受各種信號，包括數(shù)字的、模擬的，并統(tǒng)一向數(shù)采總線發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

⑥存儲服務(wù)器：本單元安全存儲所有信息，如發(fā)動機(jī)配置信息，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。

⑦操作人員工作站：本單元運(yùn)行試驗(yàn)控制界面、人機(jī)交互界面和自動試車程序。

⑧可視化工作站：可隨意增加其它的人機(jī)交互界面，它們經(jīng)配置后都可接受采集設(shè)備的公共數(shù)據(jù)流并顯示結(jié)果。

⑨時鐘服務(wù)器：為整個系統(tǒng)提供授時時鐘，以實(shí)現(xiàn)各模塊的時鐘同步。

4 系統(tǒng)主要硬件配置

4.1 數(shù)采柜

數(shù)采柜安置在設(shè)備間內(nèi)，并且包含了很多用來測量和控制的電氣設(shè)備。數(shù)采系統(tǒng)儀表柜中的各種測量設(shè)備可以不間斷地掃描來自發(fā)動機(jī)和車臺的溫度、壓力、推力、轉(zhuǎn)速及振動等測試參數(shù)的信號。信號通過數(shù)采主機(jī)處理并顯示在控制間的控制臺上。

數(shù)采柜是主機(jī)和其他各種控制和測量設(shè)備連接的載體，這些設(shè)備包括控制間的控制面板、試車間的傳感器和控制設(shè)備、推力測量系統(tǒng)，以及各種通過耦合板到發(fā)動機(jī)的電路。

4.2 控制臺

控制臺包含有油門桿控制面板、ETF站、四臺CCTV顯示器、5臺試車控制電腦、對講機(jī)基站，CCTV控制鍵盤。

4.3 28VDC電源配電箱

28VDC電源配電箱通過28V直流電源獲取電源，并通過斷路器給各個系統(tǒng)和設(shè)備供電。FCS（設(shè)備控制系統(tǒng)）會監(jiān)視除30A主斷路器以外的每一個斷路器。斷路器CB1-CB16若打開將報告電源丟失。配電箱中含有4路直流電流傳感器，用于測量供向發(fā)動機(jī)的電流，例如點(diǎn)火電流。

4.4 400Hz電源配電箱

400Hz電源配電箱通過28VDC電源配電模塊獲取電源，并給發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、ARINC SYR和RVDT面板供電。到推力臺架的獨(dú)立電路是由PLC控制的，并且FCS系統(tǒng)監(jiān)視每一個斷路器。

4.5 UPS電源配電模塊

UPS電源配電模塊是將UPS電源供電通過斷路器分配到各個系統(tǒng)和設(shè)備，F(xiàn)CS會監(jiān)視每一個斷路器。

4.6 PLC模塊

PLC模塊是PLC系統(tǒng)的主控部分。該模塊由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通過整機(jī)臺局域網(wǎng)進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)信號傳輸給PLC2至PLC5模塊。

4.7 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)里面有溫度熱電偶測量模塊（EX1000A-TC）、溫度熱電阻測量模塊（Gantner）、氣體壓力測量模塊（9116 Scanner）、液體壓力測量模塊（Honeywell Wet Transducer）、模擬量測量模塊（EX1000A）、頻率量測量模塊、大氣參數(shù)測量系統(tǒng)、推力測量系統(tǒng)、振動測量系統(tǒng)。

①熱電偶測量模塊：EX-1000掃描閥用于熱電偶溫度測量，每個模塊有48個可配置偶型的通道，共9個模塊。熱電偶通道的檢查校驗(yàn)使用多功能校驗(yàn)儀；在通道檢查端插座處輸入相應(yīng)偶型的信號，同時在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

②熱電阻測量模塊：Gantner掃描閥用于熱電阻溫度測量，每個模塊有4個通道，共13個模塊。熱電阻通道的檢查校驗(yàn)使用精密電阻箱，在通道檢查端正確連接電阻箱，并按照電阻類型設(shè)置相應(yīng)溫度對應(yīng)的阻值，同時在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

③氣體壓力測量模塊：9116氣壓掃描閥用于氣體壓力測量，每個模塊有16個通道，共24個模塊。氣體壓力通道的檢查校驗(yàn)使用壓力校驗(yàn)儀，在通道檢查端按照量程輸入相應(yīng)的氣體壓力，同時在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

④液體壓力測量模塊：FP2000液體壓力變送器用于液體壓力測量，共39個液壓傳感器，液壓測量箱位于發(fā)動機(jī)同一水平線上的試車間墻面上。另外燃油計(jì)量系統(tǒng)及推力校準(zhǔn)系統(tǒng)各有一個液壓傳感器裝置。同氣壓通道的檢查一樣，液壓測量通道的檢查校驗(yàn)也是使用壓力校驗(yàn)儀，在通道檢查端按照量程輸入相應(yīng)的壓力，同時在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

⑤模擬量測量模塊：EX1000A掃描閥用于模擬量測量，每個模塊有48通道，共3個模塊。模擬量測量通道的檢查使用Fluke709，分別檢查校驗(yàn)電流和電壓測量通道。

⑥頻率量測量模塊：頻率量測量板卡用于頻率量的測量，每個模塊8個通道，共3個模塊。頻率信號發(fā)生器用于頻率測量通道的檢查，在通道檢查端按照量程輸入相應(yīng)的頻率，同時在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

⑦大氣參數(shù)測量：氣象站、大氣壓力引氣端及大氣壓力計(jì)組成了大氣參數(shù)測量系統(tǒng)。

⑧推力測量模塊：包含顯示器和三個輸入模塊：其中兩個是給測量傳感器的，一個是給校準(zhǔn)傳感器。

⑨VXI系統(tǒng)：VXI是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，是給測試和測量設(shè)備設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)架構(gòu)為開放架構(gòu)，允許OEM針對該架構(gòu)設(shè)計(jì)板卡。VXI系統(tǒng)的模塊包括零槽控制器、A/D板卡、萬用表、通訊板卡、油門桿角度解算板卡、頻率量測量板卡。

⑩燃油計(jì)量模塊：燃油件計(jì)量模塊用于燃油溫度、密度、溫度及供油壓力的測量，包括鉑電阻溫度計(jì)、燃油流量計(jì)、燃油密度計(jì)、供油壓力傳感器、應(yīng)急油罐液位計(jì)、本地表。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)承擔(dān)著試車控制及數(shù)據(jù)采集、分發(fā)、分析、存儲等任務(wù)，是所有機(jī)電設(shè)備設(shè)施的“靈魂”。航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測試通道數(shù)高達(dá)上千個，信號類型囊括壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、應(yīng)力、振動等多種信號。國外的典型航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的開發(fā)均起源于GE、RR、普惠等航空發(fā)動機(jī)OEM的產(chǎn)品研制試驗(yàn)需求，如比利時Safran Test cells公司的CYRES軟件、加拿大MDS公司的proDAS軟件。它們的成功源于將計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、控制技術(shù)與航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)這一專業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合。通過深入分析和契合航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的特殊需求，并將信息化技術(shù)和理念（網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、集散控制）融入其中，來保持其專業(yè)性、成熟性及領(lǐng)先性。隨著航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，行業(yè)對一款成熟、穩(wěn)定的整機(jī)試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的需求將越來越迫切。而國外軟件的高昂價格及開放性限制，導(dǎo)致其不具有可持續(xù)性。因此，依托民用航空發(fā)動機(jī)研制這一契機(jī)，吸收國外的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，開發(fā)一款緊密結(jié)合民機(jī)航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)需求的數(shù)據(jù)采集與控制軟件符合當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

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