胡寶權(quán)，許 悅2，劉振濤，李繼華

(1.西安翔迅科技有限責任公司，西安 710068； 2.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072)

0 引言

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，其性能的優(yōu)劣直接影響到飛機的飛行安全[1-2]。因此，航空發(fā)動機在交付之前需要反復(fù)進行大量運行試驗，以驗證其性能的優(yōu)劣。在試驗過程中，需要監(jiān)測的各種指標多達200多項，其中一些關(guān)鍵指標對航空發(fā)動機的工作具有重要的影響，如IPU轉(zhuǎn)速、燃油流量、引氣溫度、滑油流量、液壓泵進口溫度等，對這些指標實驗數(shù)據(jù)的精確測量、記錄保存、回放分析、分類管理等是航空發(fā)動機運行試驗的核心任務(wù)[3-5]。

由于受研制條件限制，某型航空發(fā)動機在前期試驗時，使用的是第一代模擬式檢測儀表，主要存在以下不足[6-8]：

1)采用指針式儀表，受操作人員主觀影響大，精度低；

2)試驗數(shù)據(jù)缺乏有效管理；

3)檢測流程復(fù)雜，且系統(tǒng)維護性差，功能不易擴展。

針對上述情況，開發(fā)了一套先進的航空發(fā)動機多功能試驗監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)模式，將三個下位機部署于航空發(fā)動機的試驗現(xiàn)場，以采集轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、流量、電壓、電流等各種信號，并通過TCP協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳給部署于控制室的三個上位機。同時，上位機也可以下發(fā)指令給下位機，從而控制試驗現(xiàn)場的各種設(shè)備，如燃油供給設(shè)備、輔助液壓泵、直流發(fā)電機、燃氣發(fā)生器等。從而很好地實現(xiàn)了在監(jiān)測航空發(fā)動機各項指標的同時，還能控制各種設(shè)備的工作，為試驗過程的順利開展提供了很好的技術(shù)支持。

1 環(huán)境介紹

1.1 TCP協(xié)議

TCP(transmission control protocol，傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，是為廣域網(wǎng)(WAN)設(shè)計的專用協(xié)議。它允許來自某一計算機的字節(jié)流傳輸?shù)絀nternet上的任何其他計算機。TCP為基于兩個網(wǎng)絡(luò)主機之間的點對點通信。在上位機和下位機交換數(shù)據(jù)之前，其相互間必須建立會話。TCP通信的兩端分別是服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端監(jiān)聽指定的端口并確定客戶端是否有連接請求，當客戶端向服務(wù)器端發(fā)送該請求時，服務(wù)器端接收請求命令并在客戶端和服務(wù)器端之間建立用于數(shù)據(jù)交互的連接，數(shù)據(jù)通道由此建立[9]?？蛻舳藢⒁?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流發(fā)送到TCP層以進行網(wǎng)絡(luò)間傳輸。TCP將數(shù)據(jù)流劃分為適當長度的消息段，最大傳輸段大小(MSS)通常受計算機連接的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的最大傳輸單元(MTU)的限制。然后，TCP將數(shù)據(jù)包傳遞給IP層，IP層通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包傳輸給接收端實體的TCP層。

1.2 FTP協(xié)議

FTP(File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議)是網(wǎng)絡(luò)上文件傳輸?shù)臉藴蕝f(xié)議，是TCP/IP協(xié)議組中的協(xié)議之一，使用兩種傳輸方式：ASCII碼模式和二進制數(shù)據(jù)模式。FTP協(xié)議由兩部分組成，一部分是FTP服務(wù)器，另一部分是FTP客戶端。其中FTP服務(wù)器用于存儲文件，用戶可以使用FTP客戶端訪問位于FTP服務(wù)器上的資源。例如，客戶端發(fā)送一條命令，請求服務(wù)器將某份文件傳輸給用戶。服務(wù)器便會響應(yīng)此命令，并將指定的文件發(fā)送到用戶的計算機。客戶端接收到文件后，將它存儲在程序指定的目錄中。FTP協(xié)議傳輸文件，與這兩臺計算機所處的位置、聯(lián)接的方式、甚至是否使用相同的操作系統(tǒng)無關(guān)。由于FTP的傳輸效率極高，因此，本系統(tǒng)在上下位機之間傳輸大文件時通過該協(xié)議來完成相應(yīng)的操作。

1.3 TDMS

TDMS(Technical Data Management Streaming，高速數(shù)據(jù)流文件)是一種二進制記錄文件，具有高速、易存取和方便等特點。TDMS文件格式可以稱為NI虛擬儀器平臺在測試測量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，它不僅能夠與各種數(shù)據(jù)分析或數(shù)據(jù)存儲軟件交互，如LabVIEW、LabWindows/CVI、Signal Express、DIAdem、Excel、MatLab等，而且還可以為其他應(yīng)用程序提供一系列可供調(diào)用的API函數(shù)。在LabVIEW中操作TDMS文件時，有專門的TDMS面板，提供了豐富的TDMS操作函數(shù)，用戶在使用時，可以直接調(diào)用相關(guān)的函數(shù)即可完成對應(yīng)的功能設(shè)計。

TDMS的邏輯結(jié)構(gòu)分為三層：文件層(File)、通道組層(Channel Groups)和通道層(Channels)，每個層次上都可以附加特定的屬性(Properties)。程序員可以輕松地使用這三個邏輯層次來定義測試數(shù)據(jù)，并且還可以任意檢索各個邏輯層次的數(shù)據(jù)[10]。因此，TDMS被廣泛用于存儲實驗過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

1.4 XControl

XControl是LabVIEW8新增的功能，它類似于自定義控件，用戶可以根據(jù)自己的需要更改該控件的相關(guān)功能。但是，XControl控件與普通控件需要通過屬性節(jié)點和事件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)變化的方式有著本質(zhì)區(qū)別。主要體現(xiàn)在XControl的控制完全在內(nèi)部編程實現(xiàn)，這樣便有效完成了相關(guān)功能的封裝?？梢院唵卫斫鉃槔^承了一個基本控件，因此可以被無限次重用，對基于組件設(shè)計的編程能力有了極大提高。

在本系統(tǒng)中根據(jù)客戶的需求，需要設(shè)計這樣一種XControl控件，該控件需要對每一路采集的信號值與數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)進行對比，然后根據(jù)采集信號的不同顯示不同的背景顏色。當采集的信號意味著設(shè)備安全時背景顯示為綠色，報警時背景顯示為黃色，危險時背景顯示為紅色。通過使用XControl控件，客戶可以更好地對整個試驗過程進行監(jiān)測，一旦數(shù)據(jù)異常時，XControl背景會變成紅色，向試驗人員發(fā)出報警，嚴重時甚至觸發(fā)急停按鈕，停止整個系統(tǒng)工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)硬件由多種傳感器、調(diào)理箱、數(shù)據(jù)采集器、控制柜和工控機等設(shè)備組成，如圖1所示。傳感器安裝于航空發(fā)動機的各個需要被監(jiān)測的參數(shù)位置處，獲取的信號進入下位機的三個工控機中，在工控機中配套有NI公司的20多張板卡，用來采集各種物理量。采集的信號通過TCP協(xié)議上傳給三個上位機進行顯示、分析、處理、存儲等相關(guān)操作。

圖1 系統(tǒng)總體組成原理圖

根據(jù)產(chǎn)品測試和運行要求，將采集和運行控制功能分離：將產(chǎn)品測量參數(shù)和測試設(shè)備測量參數(shù)引入數(shù)據(jù)采集PXI計算機，實現(xiàn)所有參數(shù)的高速同步采集；同時，采用以太網(wǎng)(TCP/IP協(xié)議)連接設(shè)備運轉(zhuǎn)測控計算機、試驗管理計算機和產(chǎn)品運轉(zhuǎn)測控計算機，試驗管理計算機分別將相關(guān)數(shù)據(jù)共享給產(chǎn)品運轉(zhuǎn)測控計算機及設(shè)備運轉(zhuǎn)測控計算機，二者分別用來進行產(chǎn)品運轉(zhuǎn)測控及設(shè)備運轉(zhuǎn)測控。利用開放式網(wǎng)絡(luò)通信接口(UDP協(xié)議)將外部設(shè)備的采集參數(shù)輸入試驗管理計算機中，實現(xiàn)測控設(shè)備的可擴展性。通過將參數(shù)采集數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給試驗管理計算機，實現(xiàn)對所有測試數(shù)據(jù)的集中采集和管理，同時，系統(tǒng)間的相關(guān)數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)共享給各個系統(tǒng)。

2.2 軟件流程設(shè)計

軟件流程如圖2所示，軟件啟動后，下位機進行板卡初始化操作和板卡自檢，并將自檢信息存儲在功能全局變量中。當上位機軟件啟動時，會向下位機詢問板卡自檢狀態(tài)，此時下位機將存儲的自檢信息通過TCP協(xié)議上傳給上位機。當上位機檢測到板卡自檢成功的信息之后，會自動進入到主程序。此時，再次檢測三個下位機的工作狀態(tài)，如均工作正常，會在界面上點亮綠色的指示燈，告訴用戶下位機工作正常。如下位機工作異常，指示燈會自動變?yōu)榧t色。進入主界面之后，用戶根據(jù)自己的需要進行操作。當所有準備工作就緒之后，可以點擊開始按鈕，此時，主控計算機會向其他兩臺工控機發(fā)送試驗開始的命令，三臺上位機同時開始試驗。試驗結(jié)束時，主控計算機向其他兩臺上位機發(fā)送停止試驗的命令，此時，試驗停止，并開始上傳數(shù)據(jù)，下位機通過FTP協(xié)議將采集的所有數(shù)據(jù)上傳給主控計算機。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3 程控電源控制模塊

本系統(tǒng)所采用的程控電源為Keysight公司的N6700C。通過該程控電源，實現(xiàn)了在控制室來完成整個系統(tǒng)的上下電工作，從而既實現(xiàn)了試驗人員操作的方便，又保證了現(xiàn)場設(shè)備的運行安全。程控電源控制程序如圖3所示，實現(xiàn)步驟為：軟件啟動時，程控電源自動上電，并給試驗現(xiàn)場的所有傳感器供電；程序退出時，程控電源自動下電，并給試驗現(xiàn)場的所有傳感器斷電，以保護現(xiàn)場傳感器的安全。同時，在軟件主界面增加了程控電源控制功能。在試驗過程中，如需排查某只傳感器是否存在故障，可點擊該按鈕給程控電源下電，此時傳感器斷電；排查結(jié)束，如需繼續(xù)進行試驗，再次點擊該按鈕，程控電源上電，所有傳感器再次開始工作。此外，在程控電源的控制功能中，還增加了過壓保護和過流保護功能，根據(jù)試驗現(xiàn)場實際情況，對整個系統(tǒng)的供電電壓和供電電流進行了限制，在試驗過程中，當出現(xiàn)短路等意外情況導(dǎo)致供電電壓或供電電流超過了設(shè)定值時，程控電源會自動下電，從而保證了試驗過程中相關(guān)設(shè)備的安全。

圖3 程控電源控制程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

本系統(tǒng)是基于PXI計算機平臺的高度集成嵌入式測控系統(tǒng)，可將試驗臺的響應(yīng)周期縮短到20 ms，可采集和記錄發(fā)動機運行控制參數(shù)及其它設(shè)備子系統(tǒng)的變化，實現(xiàn)高時間分辨率的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)回放功能。本系統(tǒng)下位機包括三個NI公司的PXI工控機，分別負責執(zhí)行不同的任務(wù)。通過下位機的20多張NI公司板卡對采集的模擬量輸入、離散量輸入信號通過TCP協(xié)議周期性地發(fā)給上位機，上位機對獲取的信號解包后進行分析、顯示與存儲。其中，下位機完成所有硬件到軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，上位機操作數(shù)據(jù)包，不直接訪問硬件接口；下位機完成所有數(shù)據(jù)包封裝工作，其接口按服務(wù)器模式編寫，因此下位機的數(shù)據(jù)包可以同時被多臺上層計算機使用，需要的多通信端口可以動態(tài)建立，無需嚴格的客戶端連接順序，某個上位機的通信端口斷開，不會影響下位機與其他上位機間的通信；同時，下位機可以在不與上位機交互的情況下完成計算工作，保證了參數(shù)采集與計算為同一時間點，以保證數(shù)據(jù)同步性，并完成對自身實時狀態(tài)測試數(shù)據(jù)和測試控制記錄的整體存儲。

上位機主要通過TCP協(xié)議給下位機發(fā)送模擬量輸出、離散量輸出信號，用來控制試驗現(xiàn)場的各種閥門、電機等設(shè)備以進行有效調(diào)節(jié)。由于航空發(fā)動機試驗現(xiàn)場存在大量的噪音及電磁干擾，因此，系統(tǒng)也設(shè)計了濾波模塊對采集的信號進行濾波處理。在過程控制模式下，試驗管理計算機可以連接下位機來控制過程操作；同時，下位機可以監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，獨立控制下位機在故障發(fā)生時停機。

2.5 校準模塊

系統(tǒng)設(shè)計有校準模塊，用于對采集精度、傳感器值換算等進行維護，并在每次年檢時保存參數(shù)的校準和驗收記錄，并記錄驗收時間。設(shè)計原理為：未啟動校準模塊時，下位機首先讀取數(shù)據(jù)庫中的K、B系數(shù)然后乘以采集的原始值。當該值存在較大偏差，需要進行校準時，下位機不讀取數(shù)據(jù)庫中的校準系數(shù)，將采集的原始值通過TCP發(fā)給上位機，上位機校準之后，將新的校準系統(tǒng)保存到數(shù)據(jù)庫中。

2.6 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊將采集的數(shù)據(jù)保存在三個下位機的工控機中。試驗完畢，下位機將保存的數(shù)據(jù)通過FTP協(xié)議上傳給上位機中的主控工控機，以便試驗人員進行數(shù)據(jù)查看，以及后期的數(shù)據(jù)回放與分析。基于LabVIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)回放與分析功能，主要實現(xiàn)了TDMS文件數(shù)據(jù)的回放功能，包括文件的列表顯示，文件的加載，信號波形及數(shù)據(jù)的回放顯示，以及波形的控制刷新等。上位機根據(jù)試驗時輸入的試驗名稱及試驗日期建立相應(yīng)的文件夾，并保存對應(yīng)的TDMS試驗數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)保存的試驗數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

圖5為系統(tǒng)的主界面，圖中，左上角的XY圖實時顯示采集的圖形曲線，最多可以顯示10條最核心的圖形曲線，當用戶只需要顯示某一條或幾條曲線時，通過在XY圖的右方進行勾選，選擇想顯示的曲線即可。主界面的下方是1.4節(jié)所述的XControl控件，該處用來顯示其他的一些核心參數(shù)。XControl控件會自動對每一路采集的信號值與數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)進行對比，并根據(jù)對比結(jié)果顯示不同的背景顏色。當背景為黃色時，表示該路信號已經(jīng)超越了告警界限，需要引起用戶的注意；當背景為紅色時，表示該路信號已經(jīng)超越了危險界限，為了保證航空發(fā)動機和試驗設(shè)備的安全，會觸發(fā)急停，整個系統(tǒng)會停止工作。

圖5 系統(tǒng)主界面

在主界面的左右兩邊共有4個向左或者向右的箭頭，當用戶點擊該箭頭時會彈出相應(yīng)的子面板，如圖6所示。

圖6 輔助發(fā)電機負載子面板界面

子面板共4個，通過這4個子面板來完成對航空發(fā)動機試驗過程中的關(guān)鍵設(shè)備(如輔助發(fā)電機負載、燃油供給設(shè)備、直流發(fā)電機設(shè)備和輔助液壓泵設(shè)備)的監(jiān)測與控制。

本系統(tǒng)上位機一共包含3個工控機，5個顯示器。圖7為其中一個顯示器顯示的界面。該界面為自定義的一些控件，主要用來顯示部分核心參數(shù)，采用了指針和數(shù)值兩種顯示方式，方便試驗人員進行監(jiān)測。在下方的兩個儀表可以同時監(jiān)測兩種參數(shù)，如滑油的壓力和流量，以便試驗人員對重要參數(shù)進行對比查看。同時，根據(jù)每一種核心參數(shù)，都在指針指示的位置配置好了對應(yīng)的顏色，其中灰色代表默認色，綠色代表安全，黃色代表告警，紅色代表危險。因此，在試驗過程中，試驗監(jiān)測人員通過指針所指示的位置能夠快速觀察核心參數(shù)的安全狀況。

圖7 儀表顯示界面

3.2 討論與分析

參考圖1和圖2的系統(tǒng)開發(fā)模式，選用NI公司的6251、6733和6515等類型數(shù)據(jù)采集卡，本研究開發(fā)出了一套專用于某型航空發(fā)動機的試驗監(jiān)測系統(tǒng)。圖5～7的程序運行結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)具有航空發(fā)動機的實時動態(tài)曲線顯示、核心參數(shù)監(jiān)視、危險狀態(tài)信息報警等功能。并可以通過設(shè)計的4個子面板，對航空發(fā)動機試驗過程中的關(guān)鍵設(shè)備(如輔助發(fā)電機負載、燃油供給設(shè)備、直流發(fā)電機和輔助液壓泵)進行有效的管理，不僅實現(xiàn)了在試驗過程中遠程控制這些設(shè)備的功能，而且還可以對這些設(shè)備的重要參數(shù)進行監(jiān)視。

圖5～7所示的監(jiān)測系統(tǒng)其應(yīng)用情況表明，本系統(tǒng)滿足用戶進行航空發(fā)動機的試驗監(jiān)測需求，其實現(xiàn)過程具有快速便捷的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文針對某型航空發(fā)動機的試驗監(jiān)測，開發(fā)出了一套先進的多功能試驗監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下一些特點：

1)系統(tǒng)功能復(fù)雜，由三個工控機組成的下位機和三個工控機組成的上位機構(gòu)成，對航空發(fā)動機的230多種信號進行采集與控制，這些信號包括轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、流量、電壓、電流等，如IPU轉(zhuǎn)速、燃油壓力、排氣溫度、滑油流量、環(huán)境溫度等；

2)根據(jù)試驗需求，設(shè)計了XControl控件，通過與數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)采集信號的不同顯示不同的背景顏色，安全時背景為綠色，報警時背景為黃色，危險時背景為紅色，便于客戶更好地監(jiān)測重要的參數(shù)；

3)系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進行了有效管理，將采集的所有數(shù)據(jù)都保存在TDMS文件中，便于客戶隨時查看、回放與分析；

4)系統(tǒng)具有很好的移植性，可以用于其他廠家的航空發(fā)動機試驗監(jiān)測過程。