張迪ZHANG Di；陳志龍CHEN Zhi-long；岳柳煦YUE Liu-xu

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海201306）

0 引言

高壓壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，由于其系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、加工、裝配等各環(huán)節(jié)都會(huì)影響其性能，目前還沒有計(jì)算方法能夠較為精確預(yù)估其氣動(dòng)性能和動(dòng)力特性，往往需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證是否已達(dá)到氣動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及不同的結(jié)構(gòu)因素對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，以便對(duì)設(shè)計(jì)或其他工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[1-2]。民用高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要就是為檢驗(yàn)壓氣機(jī)試驗(yàn)件不同的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能提供特定的工況狀態(tài)，并獲取不用工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。而試驗(yàn)技術(shù)的先進(jìn)水平很大程度取決于試驗(yàn)測(cè)控技術(shù)，需通過測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件參數(shù)的測(cè)量與存儲(chǔ)、試驗(yàn)臺(tái)工況的過程控制。且民用高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)具有測(cè)點(diǎn)多、單次試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、工藝控制參數(shù)多等特點(diǎn)，為試驗(yàn)臺(tái)建立一套高性能、高可靠運(yùn)行的測(cè)控系統(tǒng)是研制高性能民用高壓壓氣機(jī)部件的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

1 測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)概述

以實(shí)時(shí)測(cè)量、安全操作為原則，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行功能性分工，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)和閥門控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)壓氣機(jī)試驗(yàn)件溫度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示，與控制系統(tǒng)的通訊及全臺(tái)架試驗(yàn)的過渡態(tài)記錄，保證了各系統(tǒng)試驗(yàn)信號(hào)的實(shí)效性，利于排故過程進(jìn)行時(shí)序分析，加速了試驗(yàn)技術(shù)不斷完善的進(jìn)程。閥門控制子系統(tǒng)，主要是對(duì)進(jìn)排氣閥、引氣閥、軸向力閥等控制；額外的，在進(jìn)行各閥門特定調(diào)節(jié)規(guī)律控制試驗(yàn)時(shí)，一旦出現(xiàn)不可控因素，如喘振等，緊急操作處理中，轉(zhuǎn)速控制的響應(yīng)是極為關(guān)鍵的，因此轉(zhuǎn)速信號(hào)也由此系統(tǒng)進(jìn)行控制。試驗(yàn)臺(tái)為滿足試驗(yàn)工況的控制，配備了監(jiān)控設(shè)備設(shè)施安全運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)間相互獨(dú)立又存在制約互鎖關(guān)系，大部分?jǐn)?shù)據(jù)的交互由網(wǎng)絡(luò)通訊完成，個(gè)別關(guān)鍵信號(hào)則由硬線輸入輸出通道進(jìn)行測(cè)試與控制。如圖1 所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于民用高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的復(fù)雜性，工藝系統(tǒng)設(shè)備分布廣、種類多、安全性要求高等特點(diǎn)，在測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，優(yōu)先采用網(wǎng)絡(luò)化、智能型儀器儀表，化繁為簡(jiǎn)的同時(shí)保障了信號(hào)的采集與控制精度。系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞均采用以太網(wǎng)通訊方式：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間采用Modbus協(xié)議傳輸需要記錄與觸發(fā)的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)間采用高速的EDG 通訊[4]以實(shí)現(xiàn)快速交互保障控制安全；控制系統(tǒng)內(nèi)部，包括主從站、控制器與HMI，則采用profibus 總線組成局域網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的集中管理與安全監(jiān)控。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1.1 軟件功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有管理、實(shí)時(shí)采集/計(jì)算/報(bào)警/顯示/通訊、存儲(chǔ)和后處理功能，同時(shí)支持時(shí)鐘同步、系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)歸檔、用戶權(quán)限管理、在線計(jì)量、計(jì)時(shí)/定時(shí)等其他輔助功能。主要地：

①管理分為配置管理和試驗(yàn)管理：配置管理令每個(gè)試驗(yàn)的配置具有唯一標(biāo)識(shí)，溯源清晰；試驗(yàn)管理支持掃描采集和數(shù)據(jù)回放兩種模式；

②采集功能支持氣體壓力掃描閥、溫度掃描閥、VXI板卡等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓力、溫度、電流/電壓、直流應(yīng)變、交流電壓、頻率、數(shù)字量等信號(hào)的采集；

③實(shí)時(shí)計(jì)算功能支持常規(guī)運(yùn)算（數(shù)學(xué)運(yùn)算、查表插值運(yùn)算、多項(xiàng)式運(yùn)算、條件判斷運(yùn)算等）、通道實(shí)時(shí)賦予強(qiáng)制仿真值功能；

④實(shí)時(shí)報(bào)警功能支持多類型報(bào)警（包括低極限值、低報(bào)警值、高報(bào)警值、高極限值、變化速率）及多類型動(dòng)作觸發(fā)；

⑤實(shí)時(shí)顯示功能支持自定義界面圖形化顯示、彈窗顯示、表格化顯示，支持報(bào)警提示顯示及系統(tǒng)信息狀態(tài)監(jiān)視顯示；

⑥存儲(chǔ)功能包括歷程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)信息的存儲(chǔ)；

⑦后處理功能支持歷史數(shù)據(jù)的查詢顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出；數(shù)據(jù)導(dǎo)出包括歷程數(shù)據(jù)導(dǎo)出、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出與二次生成、自定義報(bào)告等。

2.1.2 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、硬件子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)、配置數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件、實(shí)時(shí)采集軟件、輔助功能子系統(tǒng)組成。具體地：

①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理主機(jī)、管理計(jì)算機(jī)、顯示計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)處理主機(jī)具有多網(wǎng)口，以便分別與硬件子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、NDDS 動(dòng)態(tài)通訊系統(tǒng)等交互數(shù)據(jù)。

②硬件子系統(tǒng)由壓力采集子系統(tǒng)、溫度采集子系統(tǒng)、模擬量/數(shù)字量輸入輸出子系統(tǒng)、Modbus 通訊子系統(tǒng)組成。硬件子系統(tǒng)的每個(gè)通道，均在離試驗(yàn)件最近的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置一接線轉(zhuǎn)接面板，以便于與試驗(yàn)件的連接拆卸、排故等操作。

其中，壓力采集子系統(tǒng)由壓力掃描閥、交換機(jī)、網(wǎng)線、各種規(guī)格型號(hào)的尼龍引壓管/管路/轉(zhuǎn)接件/線纜、泄壓閥、壓力信號(hào)開關(guān)、手閥、電磁閥、電氣柜等組成；壓力掃描閥盡可能近的靠近試驗(yàn)件測(cè)點(diǎn)，以減少采集時(shí)的容腔效應(yīng)[1]，并利于系統(tǒng)的反吹操作將氣壓管線內(nèi)的灰塵等雜質(zhì)吹出。

溫度采集子系統(tǒng)由溫度掃描閥、交換機(jī)、各種規(guī)格類型的熱電偶延長(zhǎng)線/轉(zhuǎn)接件/線纜、恒溫空調(diào)柜等組成；溫度掃描閥采用VTI EX1048A 模塊熱電偶通道內(nèi)置冷端補(bǔ)償，可通過軟件選擇自校準(zhǔn)操作，簡(jiǎn)化了外部線纜連接[5]，且為進(jìn)一步保障其測(cè)量精度特性，將其布置在恒溫空調(diào)柜中，并由設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視空調(diào)報(bào)警信號(hào)。

③軟件子系統(tǒng)由計(jì)算通道、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)服務(wù)、限制值與動(dòng)作響應(yīng)等組成，布置于數(shù)據(jù)處理主機(jī)。

④數(shù)據(jù)庫：配置數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)，布置于管理計(jì)算機(jī)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，是一個(gè)用于存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的ORACLE 數(shù)據(jù)庫，布置于數(shù)據(jù)處理主機(jī)。

⑤應(yīng)用軟件，由配置軟件、常用工具軟件、系統(tǒng)備份軟件、殺毒軟件等組成，布置于管理計(jì)算機(jī)和顯示計(jì)算機(jī)。

2.2 設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

支撐試驗(yàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備設(shè)施有：支撐液壓閥門作動(dòng)的液壓系統(tǒng)，提供冷卻氣、儀表氣、封嚴(yán)氣等的壓縮空氣系統(tǒng)，為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組件提供滑油的動(dòng)力滑油系統(tǒng)，為變頻器、引氣熱交換、電機(jī)等設(shè)備提供冷卻循環(huán)水的冷卻水系統(tǒng)，提供試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力源的傳動(dòng)、變頻系統(tǒng)，支撐試驗(yàn)件等人物運(yùn)輸、火警監(jiān)控以及允許人物穿行且保障氣流品質(zhì)、隔絕噪聲的聲鎖門等構(gòu)成的土建系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行的電源系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)緊急情況安全運(yùn)行的急停/鎖定系統(tǒng)。以各設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)作為系統(tǒng)功能分解要素，主要地：

①系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。包括匯總以下所有子系統(tǒng)就緒狀態(tài)以及設(shè)施溫度監(jiān)視（測(cè)控電氣柜超溫報(bào)警信息、壓氣機(jī)試驗(yàn)間溫度）。試驗(yàn)前，操作人員通過此界面，即可清晰知曉各子系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)，快速跟進(jìn)未就緒設(shè)備信息。②液壓系統(tǒng)監(jiān)控。液壓系統(tǒng)監(jiān)控分為本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本地監(jiān)控具備系統(tǒng)上下電監(jiān)控、主油泵本地監(jiān)控、超溫冷卻設(shè)置等功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控具備監(jiān)視系統(tǒng)主油箱液位限位、油箱溫度、主供油管路壓力、壓氣機(jī)支路供回油手閥狀態(tài)、壓氣機(jī)各液壓閥支路供油壓力/供油過濾壓差。③壓縮空氣系統(tǒng)監(jiān)控。FCS 系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)視其壓縮空氣站穩(wěn)壓罐壓力、主路壓力、儀表氣支路、輔助供氣支路溫度壓力等參數(shù)，監(jiān)控輔助供氣支路主閥，監(jiān)控輔助供氣支路試驗(yàn)件各分支閥前流量、壓力調(diào)節(jié)閥（自動(dòng)PID/手動(dòng)控制切換），監(jiān)控輔助供氣支路壓氣機(jī)軸冷卻氣支路、傳動(dòng)系統(tǒng)封嚴(yán)用氣壓力、流量等信號(hào)。④土建系統(tǒng)監(jiān)控。包括對(duì)暖通系統(tǒng)、試驗(yàn)間吊車、聲鎖門的遠(yuǎn)程監(jiān)控。⑤動(dòng)力滑油系統(tǒng)監(jiān)控。動(dòng)力滑油系統(tǒng)監(jiān)控分為本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本地監(jiān)控具備油箱溫度加熱、獨(dú)立泵的啟停、供電顯示等操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控模式具備遠(yuǎn)程監(jiān)視油箱液位限位，監(jiān)控油箱溫度、主泵啟動(dòng)/停止及其運(yùn)行狀態(tài)和其過濾壓差高限位，監(jiān)控主供油管路溫度（冷卻水閥）及壓力PID 自動(dòng)/手動(dòng)，監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、齒輪箱、測(cè)扭器各支路流量、壓力、壓力低限位及電磁閥開關(guān)、高壓泵啟動(dòng)/停止等信號(hào)。⑥冷卻水系統(tǒng)監(jiān)視。具備對(duì)冷卻水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能，包括對(duì)進(jìn)水主路、引氣熱交換器、變頻器、電機(jī)進(jìn)水壓力、溫度、流量監(jiān)視。⑦通訊系統(tǒng)監(jiān)視。具備對(duì)冗余PLC 環(huán)狀通訊狀態(tài)監(jiān)視、外圍設(shè)備通訊監(jiān)視的功能。⑧急停/鎖定系統(tǒng)監(jiān)視。包括對(duì)液壓鎖定、急停、電氣鎖定的監(jiān)視。⑨控制系統(tǒng)典型功能。包括權(quán)限登錄、報(bào)警、模擬量校準(zhǔn)、計(jì)時(shí)等。

2.2.2 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)由HMI 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)組成，以GE RX3i 系列PLC 為核心，采用主機(jī)雙冗余設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)端子站通過profinet 與主機(jī)形成一個(gè)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣可以有效較少因關(guān)鍵電子元器件損壞對(duì)試驗(yàn)帶來的影響。具體地：

①HMI 系統(tǒng)由HMI 硬件子系統(tǒng)和HMI 軟件子系統(tǒng)組成。其中，HMI 硬件子系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、鼠標(biāo)/鍵盤、顯示器、硬盤組成；HMI 軟件子系統(tǒng)由Office 辦公軟件、備份還原軟件、Wonderware InTouch 界面開發(fā)自軟件、Proficy Machine Edition 可編程邏輯控制器開發(fā)軟件組成。

②PLC 系統(tǒng)由1 組冗余主從站、4 個(gè)遠(yuǎn)端子站、輔助硬件系統(tǒng)組件組成。其中主從站由PLC 機(jī)架、PLC 電源模塊、CPU 模塊、冗余模塊、主站掃描模塊、通訊模塊、擬量/數(shù)字量輸入輸出模塊、頻率輸入模塊等組成。輔助硬件系統(tǒng)包括信號(hào)轉(zhuǎn)化電路板、接線端子排、保險(xiǎn)絲、各型號(hào)電纜、交換機(jī)、電氣柜、24V DC 電源等組成。

2.3 閥門控制系統(tǒng)

2.3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中需要控制的關(guān)鍵參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、節(jié)流比、壓比、VSV 角度、引氣率、軸向力。具體地：

①轉(zhuǎn)速系統(tǒng)監(jiān)控。轉(zhuǎn)速的控制方式分為機(jī)械物理轉(zhuǎn)速控制和相對(duì)換算轉(zhuǎn)速控制模式，同時(shí)具備啟動(dòng)/停止電機(jī)、轉(zhuǎn)速目標(biāo)值/升降轉(zhuǎn)速率/限制值配置等功能。

②進(jìn)氣系統(tǒng)監(jiān)控。具備監(jiān)測(cè)進(jìn)氣塔門限位、過濾壓差、進(jìn)氣流量、穩(wěn)壓箱壓力溫度等信號(hào)功能，進(jìn)氣液壓閥門的控制方式分為閥位手動(dòng)控制、進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制及一鍵全開控制模式，同時(shí)具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

③排氣系統(tǒng)監(jiān)控。排氣液壓閥門的控制方式分為閥位手動(dòng)控制、壓比自動(dòng)控制及換算流量自動(dòng)控制模式，同時(shí)具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

④VSV 系統(tǒng)監(jiān)控。具備監(jiān)控VSV 功能，控制方式分為手動(dòng)目標(biāo)值控制、自動(dòng)隨轉(zhuǎn)控制、一鍵聯(lián)動(dòng)控制、機(jī)械全開/全關(guān)控制，同時(shí)具備按鍵最小輸出間隔、控制模式切換限制條件、PID 參數(shù)配置等功能。

⑤引氣系統(tǒng)監(jiān)控。無論是正壓引氣還是負(fù)壓引氣，均具有閥位手動(dòng)控制、引氣率自動(dòng)控制、隨轉(zhuǎn)自動(dòng)控制模式。同時(shí)具備按鍵最小輸出間隔、限位值、PID 參數(shù)配置等功能。

⑥軸向力系統(tǒng)監(jiān)控。具備氣動(dòng)軸向力閥位目標(biāo)值錄入等功能。

2.3.2 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

閥門控制系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)原理與設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)相同，同樣由HMI 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)組成。特別地：

①HMI 系統(tǒng)：VSV HMI 控制獨(dú)立于閥門控制系統(tǒng)HMI 控制。

②PLC 系統(tǒng)：由于閥門控制系統(tǒng)控制模式及被控設(shè)備的多樣性，配備了以GE RX3i 系列PLC 為核心的三組冗余主從站。

3 結(jié)論

硬件的合理選擇與布局、軟件的聯(lián)鎖邏輯與自動(dòng)功能設(shè)計(jì)，充分響應(yīng)了試驗(yàn)臺(tái)功能與系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)需求的同時(shí)。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)相比：

①在物理架構(gòu)方面，增強(qiáng)了測(cè)控系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性、拓展性；②在試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理方面，設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)與閥門控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊子系統(tǒng)，將控制參數(shù)與試驗(yàn)件參數(shù)存儲(chǔ)一體化，便于數(shù)據(jù)分析與排故；③在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，集成覆蓋了各閥門系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的常用關(guān)鍵設(shè)備，大大降低試驗(yàn)人員試驗(yàn)準(zhǔn)備期間的工作強(qiáng)度；④在安全操作方面，三個(gè)系統(tǒng)間的互鎖監(jiān)控設(shè)計(jì)，相互獨(dú)立又協(xié)調(diào)，避免了誤操作，提高了試驗(yàn)的安全性；⑤在自動(dòng)試驗(yàn)方面，設(shè)計(jì)了包括自動(dòng)控制功能在內(nèi)的多種控制模式，提高了試驗(yàn)效率與操控的靈活性。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，此系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定，對(duì)于高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)而言，整體提高了試驗(yàn)的交付質(zhì)量。