某發(fā)控系統(tǒng)故障診斷的方案研究

李勇 糜杰 施浩琴

摘要：針對某項目軟件開發(fā)過程中出現(xiàn)的故障類型繁多，故障申報規(guī)模龐大的問題，設(shè)計了一種采用實時故障與非實時維護(hù)故障分類處理的方法。該方法首先通過對航空發(fā)動機控制軟件中常見申報故障進(jìn)行分類處理，其次針對不同類型的故障設(shè)計不同故障碼，最后針對軟件內(nèi)部運行異常專門設(shè)計了軟件的異常捕獲記錄功能。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的故障分類方法具有良好的故障申報效果，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷檢測。

關(guān)鍵詞：故障診斷；故障申報；實時故障碼；維護(hù)故障碼；軟件異常捕獲與記錄

1 引言

隨著航空發(fā)動機控制功能越來越復(fù)雜，對發(fā)動機運行過程中的故障監(jiān)控要求也越來越精細(xì)。控制軟件作為控制核心，負(fù)責(zé)接收外部指令并執(zhí)行運算給出輸出指令，它的核心作用也愈發(fā)凸顯，軟件的復(fù)雜度也越來越高，軟件失效的隱患也越來越多。

本文針對故障診斷要求越來越高的需求，聚焦系統(tǒng)與軟件專業(yè)故障，實現(xiàn)故障異常的識別和檢測算法設(shè)計。在研究過程中，通過梳理系統(tǒng)層面與軟件層面故障，設(shè)計實時故障碼以及維護(hù)故障碼，最后針對軟件運行異常設(shè)計異常捕獲記錄功能。最終，解決了軟件監(jiān)控過程中出現(xiàn)的故障申報問題。

2 系統(tǒng)層面實時故障診斷

系統(tǒng)層面的故障診斷，主要是系統(tǒng)架構(gòu)層面的故障診斷，取決于系統(tǒng)余度的構(gòu)型。針對系統(tǒng)層面的故障診斷，設(shè)計了實時故障的診斷與申報機制。檢測的目的是為了將系統(tǒng)層面的故障信息提供給飛行員或維護(hù)人員，為下一步的操作處理提供參考。

目前本文這方面主要考慮的是設(shè)備/功能的BIT檢測。該檢測一般指的是外部關(guān)鍵設(shè)備功能的檢測，比如FMV輸出閥、VSV輸出閥、開入信號（例如KI_Start起動按鈕）等。

檢測的一般原理檢查期望與實際是否一致。若一致，通過，若不一致，不通過。

檢測的常用方法有奇偶校驗不一致、校驗和不一致、輸出給定與反饋不一致、多余度不一致、范圍超限等。

故障申報方法：采用實時故障碼，定義16個16位整型數(shù)，每個bit位代表一個故障狀態(tài)。總共可以表征256個故障信息。

3 軟件層面故障診斷

從軟件專業(yè)角度，故障診斷更加關(guān)注的是在既定系統(tǒng)架構(gòu)、硬件資源確定的情況下，如何使用軟件的手段增加故障＼異常的檢出；因此針對軟件更關(guān)注的內(nèi)部運行異常，設(shè)計了維護(hù)故障的捕獲、記錄、申報功能；站在軟件層面，維護(hù)故障可以記錄更詳細(xì)和更廣泛的故障異常信息。該部分檢測的目的是為了監(jiān)視軟件內(nèi)部異常及細(xì)節(jié)的故障信息。

軟件內(nèi)部異常檢測，一般指的是軟件運行異常狀態(tài)的檢測。檢測的一般原理：若期望與實際不一致，則軟件異常。

故障申報：采用維護(hù)故障碼的形式，捕獲故障時刻的特征參數(shù)，并記錄故障碼。

4 實時故障和維護(hù)故障申報

實時故障碼，以固定實時周期將故障信息通訊給飛機，更注重是外部接口，信息精煉，用于飛機顯示、告警、記錄。

維護(hù)故障碼，按照已記錄故障碼，非實時地循環(huán)發(fā)送給飛機，一次發(fā)一個故障碼信息。維護(hù)故障碼，是記錄內(nèi)部異常信息，強調(diào)信息量大，實時性偏弱，用于設(shè)計人員分析監(jiān)測運行。

5 軟件異常運行監(jiān)控記錄功能

為了彌補實時故障碼信息的局限性，同時為了更全面的捕獲記錄異常信息（方便設(shè)計和排故分析），專門設(shè)計了軟件的異常捕獲記錄功能。給每個軟件異常分配一個唯一的故障碼標(biāo)識；在軟件程序中常駐異常檢測代碼；當(dāng)異常觸發(fā)時刻，記錄該異常的故障碼、發(fā)生時刻及特征參數(shù)信息。該故障信息作為一條記錄，存儲到NVRAM中。

a）設(shè)計假設(shè)

1）異常的類型較多，因此用一個16位整數(shù)對異常進(jìn)行編碼；

2）異常的類型雖然多，但同一時刻不會大量爆發(fā)；

3）異常的發(fā)生屬于偶發(fā)性質(zhì)，不會長時間持續(xù)。

b）設(shè)計思路

1）建立一個基于NVRAM的緩存池，可以存放多個異常記錄信息（32個）；

2）異常信息已記錄的格式，在觸發(fā)的時刻被軟件監(jiān)視捕獲，并寫入緩存池，異常記錄以故障碼為索引；

3）異常捕獲后，如果緩存池已經(jīng)記錄過該故障碼，則在該故障碼的存儲位置更新最新的異常信息；如果緩存池中沒有該故障碼信息，則從緩存池中找一個空白記錄位置進(jìn)行信息記錄；

4）如果緩存池已經(jīng)全部用滿，且新捕獲的故障碼沒有出現(xiàn)在緩存池中，則覆蓋最舊的記錄，用于存儲新發(fā)生的異常；

5）通過用戶上位機串口和數(shù)據(jù)記錄儀串口，采用異常記錄循環(huán)的方式（間隔3s），進(jìn)行對外顯示記錄。

c）異常發(fā)生時間算法

1）定義異常信息結(jié)構(gòu)：

包含故障碼、控制器絕對時間、Arinc429飛機授時（日、時、分）、記錄次數(shù)、故障特征參數(shù)1、故障特征參數(shù)2；

2）由于記錄存儲空間受限以及同時有效利用飛機授時和EEC時間，優(yōu)化設(shè)計了時間換算算法。

控制器絕對時間，使用軟件的5ms中斷計數(shù)（除以200），換算為秒；

飛機授時，使用飛機Arinc429授時的年、月、日、時、分、秒；取其中的日、時、分，換算為單位是分的一個整形數(shù)；

這樣，即使飛機授時無效的情況下，也能夠反應(yīng)出故障發(fā)生時刻的基本時間信息；

3）特征參數(shù)根據(jù)故障類別進(jìn)行設(shè)置，目的是根據(jù)此參數(shù)快速識別故障類別，及時定位到該故障。

d）異常記錄方式及優(yōu)點

由于記錄存儲NVRAM空間有限，設(shè)計了循環(huán)存儲方式：

1）新發(fā)生的異常（之前未記錄過的），占用一條空白記錄位置；

2）已發(fā)生記錄的異常，在原有位置更新信息；

3）如果循環(huán)存儲空間已滿，新發(fā)生的異常覆蓋最舊的故障記錄信息。

通訊顯示方式：每次通訊顯示一條記錄（占用6個16位通訊位置），對已記錄故障進(jìn)行循環(huán)顯示。

循環(huán)存儲以及循環(huán)顯示優(yōu)點如下：

1）記錄的異常信息沒有限制（只要分析識別到的異常，設(shè)計了異常捕獲方法的都可以記錄）；很靈活，可以不斷增加；

2）記錄的故障信息更全面，涵蓋了發(fā)生時刻、發(fā)生次數(shù)、故障特征參數(shù)；

3）記錄的故障信息定位更準(zhǔn)確，更利于故障排查；

4）通過該內(nèi)部監(jiān)視功能，可以把軟件派生的異常處理進(jìn)行顯形設(shè)計；

6 實例

1、定義如下故障碼結(jié)構(gòu)：

typedef struct tagFAULTINFO

{

INT16U FaultCode； /* Fault Code*/

INT16U EecTime； /* 控制器絕對時間（s），最大表示18小時*/

INT16U AcTime； /* Arinc429飛機授時（日、時、分）*/

INT16U RecordCnt； /* 記錄次數(shù)*/

INT16S FaultPara1； /* 故障特征參數(shù)1*/

INT16S FaultPara2； /* 故障特征參數(shù)2*/

}FAULTINFOSTRU；

2、對故障進(jìn)行分類：

#define EXC_INPUT_SIGNAL （0xFF<<8）

#define EXC_ABNORM_BRANCH （0xFE<<8）

#define EXC_TIMEOUT （0xFD<<8）

#define EXC_SOFT_RUNNING （0xFC<<8）

#define EXC_EXTERN （0xFB<<8）

#define EXC_EEC （0xFA<<8）

#define EXC_ENGINE （0xFB<<8）

3、建立函數(shù)FaultSnapshot（INT16U faultcode，INT16S para_1， INT16S para_2）。

形參faultcode表示故障碼、形參para_1、para_2分別表示故障特征參數(shù)1、故障特征參數(shù)2；其中故障碼faultcode根據(jù)已分類的故障進(jìn)行設(shè)置。

在需要異常監(jiān)測中調(diào)用FaultSnapshot，進(jìn)行故障碼的獲取。例如為了檢測N1轉(zhuǎn)速選擇分支異常。在異常發(fā)生處，調(diào)用FaultSnapshot函數(shù)，故障碼設(shè)置為（EXC_INPUT_SIGNAL|EM_N1）。

7 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計了一種瞬態(tài)異常的實時捕獲記錄方法。該方法使得異常記錄范圍不再受限，從而可以把焦點轉(zhuǎn)移到異常的識別和檢測方法設(shè)計本身。結(jié)合故障碼的設(shè)計，更有利于軟件的維護(hù)。

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