艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用

薛　瑋，張力輝

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用

薛瑋，張力輝

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

為了為國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控系統(tǒng)的選配提供1種低成本、可靠、易用的解決方案，開(kāi)發(fā)了艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)。介紹了該通用控制系統(tǒng)的研制方法、應(yīng)用以及總體研制方案，列舉了各部件的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及技術(shù)性能指標(biāo)。艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)思想，EtherCA T實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊技術(shù)，3余度的設(shè)計(jì)架構(gòu)，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，在燃?xì)廨啓C(jī)控制領(lǐng)域具有非常廣的應(yīng)用前景。

控制系統(tǒng)；模塊化；通用化；EtherCA T；實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)

0　引言

燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)在軍民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其控制系統(tǒng)也從模擬式電子控制系統(tǒng)發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)［1］。早在20世紀(jì)70年代，GE公司的LM1500燃?xì)廨啓C(jī)就采用了由模擬式電子控制器實(shí)現(xiàn)邏輯時(shí)序控制、由液壓機(jī)械式控制器實(shí)現(xiàn)燃油控制的混合式控制系統(tǒng)。到90年代，燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。又經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)控制領(lǐng)域已有多種數(shù)字控制系統(tǒng)。近年來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的發(fā)展，硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化，并提供菜單式的控制軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)基本被國(guó)外公司壟斷，通常通過(guò)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外公司的模塊產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)集成與二次開(kāi)發(fā)，不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且以這種方式開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的電子控制柜在功能、性能以及環(huán)境等方面提出的苛刻要求［2-6］。

本文提出了1種艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并簡(jiǎn)要闡述了實(shí)現(xiàn)方案。

1　艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)控制對(duì)象的要求，艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)有下列功能：燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)前檢查；燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)控制（假起動(dòng)、冷吹、油封、啟封、正常起動(dòng)）；慢車(chē)轉(zhuǎn)速控制；加減速控制；動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速控制；燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率控制；停車(chē)控制；轉(zhuǎn)速限制和獨(dú)立保護(hù)；溫度限制（包括起動(dòng)過(guò)程）；扭矩限制；對(duì)各輔助系統(tǒng)的控制；燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)保護(hù)（降工況保護(hù)、停車(chē)保護(hù)、預(yù)警保護(hù)）；與燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)設(shè)備連鎖與匹配；燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)故障自檢與重構(gòu)、信息存儲(chǔ)能；與上級(jí)控制系統(tǒng)、機(jī)旁操縱系統(tǒng)通訊。

2　艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)的研制

航改燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控系統(tǒng)的電子控制器通過(guò)傳感器與艦船的通訊接口以及開(kāi)關(guān)量接口，接收來(lái)自艦船和燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)信號(hào)、指令，由電子控制器按照對(duì)應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)計(jì)劃和控制規(guī)律計(jì)算出不同狀態(tài)的燃油流量、可調(diào)葉片角度及相關(guān)的電磁閥等開(kāi)關(guān)量信號(hào)。電子控制器將輸出的控制信號(hào)送到燃油、導(dǎo)葉供油裝置，經(jīng)相應(yīng)裝置轉(zhuǎn)換和放大，給出相應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)燃油流量、可調(diào)葉片角度。同時(shí)通過(guò)位移傳感器反饋信號(hào)到電子控制器，構(gòu)成位置閉環(huán)控制。電子控制器開(kāi)關(guān)量通過(guò)電子控制器內(nèi)部的處理電路和外部的電氣轉(zhuǎn)換裝置放大后輸出，驅(qū)動(dòng)起動(dòng)、點(diǎn)火、停車(chē)等操作。同時(shí)通過(guò)通訊接口將燃?xì)廨啓C(jī)的重要參數(shù)傳遞到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能、壽命、振動(dòng)和滑油系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控，給出報(bào)警信號(hào)，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，記錄燃?xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)及工作時(shí)間。

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用系統(tǒng)在某型綜合電子控制柜研制的基礎(chǔ)上，緊隨國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)思想，采用Ethercat實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊技術(shù)提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.1通用控制系統(tǒng)方案

通用控制系統(tǒng)采用開(kāi)放性的模塊結(jié)構(gòu)。硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊，軟件設(shè)計(jì)成可選擇的標(biāo)準(zhǔn)控制模塊和接口，液壓機(jī)械裝置設(shè)計(jì)成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整。如硬件設(shè)計(jì)就是根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)信號(hào)通道數(shù)量和接口需求選擇合適的硬件模塊，按控制規(guī)律和要求選擇合適軟件模塊，根據(jù)燃油和導(dǎo)葉的控制要求選擇合適液壓機(jī)械裝置。采用成熟的模塊不僅使各系統(tǒng)的功能、性能都有保證，而且各部件僅需要進(jìn)行部分調(diào)整就能滿(mǎn)足要求，從而縮短研發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)費(fèi)用、提高系統(tǒng)的可靠性，也便于實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)和功能擴(kuò)展［7-8］。

通用控制系統(tǒng)的原理如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)接收來(lái)自控制室或監(jiān)控臺(tái)的控制信號(hào)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行以及停車(chē)和重要參數(shù)限制實(shí)施全面的自動(dòng)控制和安全保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)輔助系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制和對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存貯和通訊［9-11］。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)原理

2.2通用控制系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)

通用控制系統(tǒng)由電子控制器、控制軟件、液壓機(jī)械裝置這3個(gè)主要部件組成。

2.2.1電子控制柜設(shè)計(jì)

控制柜主要由3余度控制器、控制軟件、獨(dú)立超轉(zhuǎn)保護(hù)器、機(jī)柜、繼電器箱、電源等部件組成。控制柜底部和背部設(shè)計(jì)有鋼絲繩減振器，采用前開(kāi)門(mén)、頂部進(jìn)出線(xiàn)方式［12］。

控制器由主CPU、AD、DA、FI、IO等模塊組成，各模塊自帶CPU處理器，模塊之間通過(guò)Ethercat工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)連接，電子控制器原理如圖2所示。

圖2　3余度電子控制器原理

控制器的各種功能模塊之間用Ethercat連接并完成數(shù)據(jù)交換。各模塊既可以集中到一起也可以分散到燃?xì)廨啓C(jī)的各部分，通過(guò)Ethercat實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交流和控制。通訊帶寬可達(dá)到100M。

EtherCAT采用主、從站的方式，每個(gè)CPU模塊作為主站與各從站（I/O模塊）形成1個(gè)EtherCAT網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。CPU模塊可多個(gè)選擇，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。各主站（CPU模塊）間通過(guò)通訊模塊或普通以太網(wǎng)協(xié)議通訊軟件。

2.2.2控制軟件開(kāi)發(fā)

以往的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，一般針對(duì)實(shí)際控制器硬件平臺(tái)編制1套控制軟件，由于硬件相關(guān)軟件與頂層控制軟件界限不明，使得控制軟件移植到不同硬件平臺(tái)時(shí)工作量很大，且不利于維護(hù)。如果借鑒操作系統(tǒng)中對(duì)軟件層次的劃分原則，使得同一功能的外設(shè)均具有一致的驅(qū)動(dòng)程序接口，同一類(lèi)型的底層操作均具有一致的IO系統(tǒng)接口，可以極大提高控制軟件的可移植性和可維護(hù)性。

控制軟件由CPU模塊的控制應(yīng)用軟件和其它通用模塊底層軟件組成。

底層軟件與模塊一一對(duì)應(yīng)。模塊的底層軟件主要實(shí)現(xiàn)通用模塊采集、輸出或信息交互功能，并與其它模塊通訊、傳遞和接受信息，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能。CPU模塊的控制應(yīng)用軟件通過(guò)與底層軟件，根據(jù)模塊的特點(diǎn)進(jìn)行功能的初始選擇和配置，軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　軟件架構(gòu)

控制軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中1個(gè)十分重要的工作是Ethercat實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊軟件包的開(kāi)發(fā)。通訊軟件包需實(shí)現(xiàn)電子控制器各模塊的初始化、過(guò)程數(shù)據(jù)收發(fā)、通訊故障診斷等功能。

2.2.3液壓機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

液壓機(jī)械裝置采用分體式和模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)具體燃?xì)廨啓C(jī)的需要，對(duì)高壓燃油泵、燃油計(jì)量裝置、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置及燃油分布器等部件，自由組合液壓機(jī)械裝置配合使用。

液壓機(jī)械裝置具有完成系統(tǒng)的燃油計(jì)量、可調(diào)葉片角度控制、應(yīng)急放油等功能。各裝置的部件應(yīng)具有調(diào)整功能，可根據(jù)不同功率燃?xì)廨啓C(jī)需要通過(guò)適應(yīng)性調(diào)整或更換部件滿(mǎn)足要求。航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)樣機(jī)液壓機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　液壓機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)

2.3航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)采用開(kāi)放性的模塊結(jié)構(gòu)。硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊，軟件設(shè)計(jì)成可選擇的標(biāo)準(zhǔn)控制模塊和接口，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成通用的模塊化的部件和組件；

（2）控制柜采用3余度設(shè)計(jì)，基于對(duì)3冗余硬件平臺(tái)的故障重構(gòu)和表決技術(shù)的使用，極大地提高了控制柜的任務(wù)可靠性；

（3）采取了多重電磁兼容性設(shè)計(jì)措施，提高了產(chǎn)品抗干擾能力，適用于燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境；

（4）采用模塊差異的歸一化技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)模塊標(biāo)定信息存儲(chǔ)器消除每種類(lèi)型模塊間由于硬件特性帶來(lái)的差異；

（5）開(kāi)發(fā)了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的分布式智能模塊Bootloader軟件，使得智能模塊的軟件可遠(yuǎn)程升級(jí)，且升級(jí)效率大幅提高［13］；

（6）國(guó)內(nèi)首個(gè)采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊的艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，提高系統(tǒng)的通訊能力?？刂破鞯母鞣N功能模塊之間用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)交互。各模塊既可以集中到一起，也可以分散到燃?xì)廨啓C(jī)的各部分，為分布式設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)［14-15］。

3　通用控制系統(tǒng)在QC185燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制的樣機(jī)在QC185燃?xì)廨啓C(jī)上進(jìn)行了配機(jī)試驗(yàn)，滿(mǎn)足QC185燃?xì)廨啓C(jī)的控制要求。臺(tái)架試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖5所示，性能指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

圖5　臺(tái)架試車(chē)曲線(xiàn)

表1　主要技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際值的比較

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)的方案和設(shè)計(jì)思想，簡(jiǎn)要描述了電子控制器、控制軟件和液壓機(jī)械裝置3個(gè)主要部件的設(shè)計(jì)，并介紹了艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制樣機(jī)在QC185燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用。

艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)將為國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控系統(tǒng)的選配提供1種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本的、可靠的、易用的解決方案，從而打破國(guó)外產(chǎn)品在燃?xì)廨啓C(jī)控制領(lǐng)域的壟斷局面。

［1］薛銀春，孫建國(guó).燃?xì)廨啓C(jī)控制技術(shù)綜述［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20（6）：1066-1071. XUE Yinchun，SUN Jianguo.A survey of gas turbine control technique［J］.Journal of Aerospace Power，2005，20（6）：1066-1071.（in Chinese）

［2］李孝堂.燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展及中國(guó)的困局［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，37（3）：1-7. LI Xiaotang.Development of gas turbine and dilemma in China［J］. Aeroengine，2011，37（3）：1-7.（in Chinese）

［3］Johnson D，Miller R W.SPEEDTRONICTM Mark V turbine control system［R］.1996-GER-3658E.

［4］GE Energy.Mark VIe control system product description［R］.2007-GEI-100600C.

［5］Simens Energy，Inc.Siemens gas turbine package SGT5-PAC 4000F［R］.Germany：Siemens Energy，Inc.，2009.

［6］李孝堂.現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2006：1-5. LI Xiaotang.Modern gas turbine technology［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2006：1-5.（in Chinese）

［7］劉尚明，何皚.重型燃?xì)廨啓C(jī)控制發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)關(guān)機(jī)技術(shù)［J］.熱力透平，2013，42（4）：217-224. LIU Shangming，HE Ai.Development trend of heavy-duty gas turbine control technology［J］.Thermal Turbine，2013，42（4）：217-224.（in Chinese）

［8］姚華.未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：1-6. YAO Hua.Development trend of aircraft engine control technology［J］. Aeronautical Science Technology，2012（6）：1-6.（in Chinese）

［9］張建生，呂欣榮.淺談燃?xì)廨啓C(jī)的控制［J］.節(jié)能，2000（3）：9-12. ZHANG Jiansheng，LYU Xinrong.Primary analysis on gas turbine control［J］.Energy Conservation，2000（3）：9-12.（in Chinese）

［10］吳石賢.燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)概況［J］.發(fā)電設(shè)備，2003（2）：56-58. WU Shixian.Control systems of gas turbine［J］.Power Equipment，2003（2）：56-58.（in Chinese）

［11］薛銀春，孫建國(guó).燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20（6）：1072-1077. XUE Yinchun，SUN Jianguo.Development of field-bus technique in gas turbine generator sets control［J］.Journal of Aerospace Power，2005，20（6）：1072-1077.（in Chinese）

［12］張仁興.艦船燃?xì)廨啓C(jī)電子控制柜設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析［J］.熱能動(dòng)力工程，2001，16（2）：165-167. ZHANG Renxing.An analysis of the design features of an electronic control console fora navalgasturbine［J］.ThermalPower Engineering，2001，16（2）：165-167.（in Chinese）

［13］單春榮，劉艷強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)EtherCAT及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2007，29（11）：79-82. SHAN Chunrong，LIU Yanqiang.EtherCAT-industrial ethernet field bus and its driver design［J］.Manufacturing Automation，2007，29（11）：79-82.（in Chinese）

［14］喬玄，孫志巖.燃?xì)廨啓C(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2006，32（1）：49-52. QIAO Xuan，SUN Zhiyan.Design of gas turbine distributed control system［J］.Aeroengine，2006，32（1）：49-52.（in Chinese）

［15］黃金泉，徐科.航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18（5）：698-704. HUANG Jinquan，XU Ke.Distributed control systems for aeroengines：a survey［J］Journal of Aerospace Power，2003，18（5）：698-704.（in Chinese）

（編輯：栗樞）

Development and Application of General Control System for Aeroderivative Gas Turbine Used in Ship

XUE Wei，ZHANG Li-hui
（AVIC Aviation Motor Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

In order to provide a low-cost，reliable and easy to use solution for domestic gas turbine control system.Development and application of general control system for aeroderivative gas turbine used in ship was described in this paper.The development of the whole scheme and the design principle，structure diagram，design features，technical specifications of each part were introduced.Modular and general design ideas were adopted，the real-time Ethernet communication technology and triplex structure design were applied，which improve the efficiency of design，shorten the design cycle，reduce the cost，and improve the reliability of the system.It has a wide range of application in gas turbine control filed.

control system；modularization，；generalization；EtherCAT，；real-time network；aeroderivative gas turbine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.002

2016-03-01基金項(xiàng)目：燃?xì)廨啓C(jī)工程研究項(xiàng)目資助

薛瑋（1979），男，高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的研究工作；E-mail：wx614d@vip.163.com。

引用格式：薛瑋，張力輝.艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（4）：8-11.XUEWei，ZHANGLihui.Developmentandapplicationofgeneralcontrolsystemforaeroderivativegasturbineusedinship［J］.Aeroengine，2016，42（4）：8-11.