航空發(fā)動(dòng)機(jī)單管燃燒室試驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 毫，王日先，熊進(jìn)星

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)單管燃燒室試驗(yàn)是對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)、性能、火焰燃燒、流場(chǎng)分布等進(jìn)行系統(tǒng)研究的手段，試驗(yàn)成果對(duì)燃燒室的研發(fā)、定型產(chǎn)品的派生研制和改造等具有較高的參考價(jià)值[1-2]。該試驗(yàn)器承擔(dān)的試驗(yàn)項(xiàng)目種類較多，試驗(yàn)任務(wù)重、難度高、測(cè)試需求彈性大。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中還具有工作環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性較高、狀態(tài)調(diào)節(jié)復(fù)雜、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

針對(duì)單管試驗(yàn)器的試驗(yàn)需求及特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)集中測(cè)控方式搭建的測(cè)控系統(tǒng)雖然具有可靠性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)，但其通道成本較高、靈活性有限，不符合單管燃燒室試驗(yàn)器試驗(yàn)任務(wù)開展的需求。隨著各類結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性更高、可直接應(yīng)用于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的分布式測(cè)控產(chǎn)品不斷問(wèn)世及成功應(yīng)用[3]，給試驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更多選擇。

為滿足新型燃燒試驗(yàn)需求，本文提出1種基于LXI總線的以太網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)原則，搭建測(cè)控系統(tǒng)，可以有效控制研制、使用和維護(hù)成本，使測(cè)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)配置靈活、功能可拓展性和兼容能力強(qiáng)、開發(fā)周期短等特點(diǎn)[4-10]。

1 試驗(yàn)器測(cè)試需求

試驗(yàn)器測(cè)試參數(shù)數(shù)量大、類型多，包括電壓、頻率、壓力和溫度等，通道總數(shù)不少于350個(gè)，單通道采樣率不低于100 Hz，同時(shí)為了確保得到可靠精確的數(shù)據(jù)，用于后續(xù)分析和處理，要求具有較高的測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表1。

表1 主要測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)要求

不同類型的試驗(yàn)任務(wù)要求測(cè)控系統(tǒng)能夠覆蓋各種試驗(yàn)，保證測(cè)試系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)控軟件要滿足各型試驗(yàn)任務(wù)需求，具有通用性好、功能完備、操作簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)記錄和保存測(cè)試數(shù)據(jù)，并按需求生成試驗(yàn)報(bào)表等。

2 測(cè)控系統(tǒng)總體方案

測(cè)控系統(tǒng)是單管燃燒室試驗(yàn)器重要組成系統(tǒng)。該系統(tǒng)按實(shí)現(xiàn)功能由數(shù)據(jù)服務(wù)器、測(cè)試系統(tǒng)、空氣控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、冷卻水控制系統(tǒng)和加溫系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)燃燒室試驗(yàn)件性能參數(shù)和試驗(yàn)器狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析、處理并生成試驗(yàn)報(bào)告；空氣、燃油和冷卻水控制系統(tǒng)用來(lái)對(duì)空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和加溫系統(tǒng)進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)，保證試驗(yàn)器在給定工作狀態(tài)下完成試驗(yàn)任務(wù)內(nèi)容；數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流，保障各系統(tǒng)之間信息共享，數(shù)據(jù)同步。各子系統(tǒng)由以太網(wǎng)連接，組建試驗(yàn)器局域網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)按照試驗(yàn)設(shè)備特性分布式放置，測(cè)試設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，控制設(shè)備與控制計(jì)算機(jī)通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行通信。測(cè)控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)總體方案

2.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

測(cè)控設(shè)備選用基于以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備，以利于構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)，為滿足測(cè)量精度的要求，測(cè)試儀器不確定度需小于標(biāo)準(zhǔn)需求的1/3～1/5，該系統(tǒng)選用儀器精度均小于0.05%，可以滿足需求。測(cè)控設(shè)備安裝在測(cè)控機(jī)柜內(nèi)，測(cè)控機(jī)柜要符合現(xiàn)場(chǎng)高溫、震動(dòng)、灰塵等惡劣工況環(huán)境要求。測(cè)控機(jī)柜分布式放置在集中測(cè)點(diǎn)部位旁邊，有效減少測(cè)試線纜長(zhǎng)度，減小信號(hào)傳輸過(guò)程中引起的誤差，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和測(cè)量精度。

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采集參數(shù)按采集信號(hào)類型分為壓力、溫度、流量、電壓等；按測(cè)點(diǎn)數(shù)量、位置類型需求以及測(cè)控性能指標(biāo)要求綜合考量，選取適合的測(cè)控儀器。VTI公司EX1000A-TC測(cè)試儀器作為當(dāng)前市場(chǎng)上最高級(jí)的熱電偶和電壓測(cè)量解決方案，具備上述考量指標(biāo)。該儀器具有48通道對(duì)電壓信號(hào)/熱電偶信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量能力，儀器本身還帶有端對(duì)端自校準(zhǔn)、內(nèi)置冷端補(bǔ)償和開路監(jiān)測(cè)功能，可用于惡劣的試驗(yàn)環(huán)境，使用局域網(wǎng)連接方式，方便快捷搭建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試平臺(tái)。電偶信號(hào)、變送器信號(hào)和流量信號(hào)通過(guò)EX1000A-TC進(jìn)行采集，并通過(guò)IEEE1588協(xié)議進(jìn)行時(shí)間精準(zhǔn)同步[11-13]。其中流量信號(hào)需利用F/V轉(zhuǎn)換裝置將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量；另外，空氣壓力信號(hào)采用美國(guó)掃描閥公司的DSA3217進(jìn)行采集，具有16個(gè)壓力輸入通道，零點(diǎn)校驗(yàn)采用內(nèi)置的電磁閥配置，每秒每通道采樣為500次，每通道16 Bit A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)具有集成度高、體積小、通道掃描和計(jì)算速度快、采集精度穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。并且具有以太網(wǎng)接口，能直接將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成工程化數(shù)據(jù)。測(cè)試設(shè)備通過(guò)交換機(jī)與測(cè)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)依照各自子系統(tǒng)技術(shù)功能要求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，必須具有良好的兼容性，能在不同試驗(yàn)任務(wù)中重復(fù)使用。采用OMRON PLC作為控制單元，控制電氣設(shè)備及監(jiān)控試驗(yàn)設(shè)備工作狀態(tài)?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)PLC發(fā)出控制指令，PLC完成對(duì)控制器件（閥門、點(diǎn)火器等）的信號(hào)輸入，實(shí)現(xiàn)控制功能，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。閥門位置反饋和極限位置信號(hào)由PLC采集并反饋給上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示。PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)的周期大為縮減。更重要的是針對(duì)特殊電氣系統(tǒng)功能要求只需要修改軟件程序即可適應(yīng)不同任務(wù)的需求。同時(shí)為了保證試驗(yàn)過(guò)程中突發(fā)情況下設(shè)備安全，在操作臺(tái)上設(shè)計(jì)了應(yīng)急按鈕，可快速切斷燃油供應(yīng)。接庫(kù)格式，程序直接調(diào)用即可。DSA3217驅(qū)動(dòng)程序按產(chǎn)品說(shuō)明書提供的通信指令自行開發(fā)。

圖2 控制原理

軟件開發(fā)時(shí)還采用了多線程設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流模式采集、多儀器時(shí)間同步等多項(xiàng)技術(shù)，確保軟件整體最佳性能。測(cè)試軟件具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示以及生成試驗(yàn)報(bào)表等功能，能夠滿足試驗(yàn)器開展不同試驗(yàn)任務(wù)需求。軟件流程如圖3所示，軟件主界面如圖4所示。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

測(cè)控系統(tǒng)軟件由測(cè)試軟件、控制軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件3部分組成。測(cè)試軟件采用VC6.0開發(fā)，模塊化設(shè)計(jì)；控制軟件又分上位機(jī)控制軟件和嵌入PLC軟件，其上位機(jī)控制軟件采用組態(tài)王6.55軟件開發(fā)，按各崗位功能分別設(shè)計(jì)；嵌入PLC軟件采用CX-ONE軟件開發(fā)，并植入到PLC內(nèi)部。數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件作為測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互媒介，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)發(fā)放。測(cè)試軟件和控制軟件數(shù)據(jù)交互采用通信方式為OPC協(xié)議[14-15]。

2.2.1 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)成熟的軟件架構(gòu)并結(jié)合單管燃燒室試驗(yàn)器特點(diǎn)，測(cè)試軟件采用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，遵循面向接口的設(shè)計(jì)理念，軟件形成各層次結(jié)構(gòu)間低耦合、高內(nèi)聚的組織關(guān)系。方便軟件維護(hù)和擴(kuò)展，最大程度增加軟件通用性。測(cè)試軟件架構(gòu)分為4層。

（1）界面層：提供人機(jī)交互接口，完成對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的管理和調(diào)度。

（2）數(shù)據(jù)處理和功能實(shí)現(xiàn)層：向界面層提供訪問(wèn)接口，將處理結(jié)果返回界面層，完成與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。

（3）數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：為業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，業(yè)務(wù)層通過(guò)本次與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)庫(kù)基于Access2003開發(fā)。用于試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)管理。

（4）儀器驅(qū)動(dòng)層：是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的途徑。其中LXI測(cè)試儀器驅(qū)動(dòng)程序封裝成DLL動(dòng)態(tài)鏈

圖3 軟件流程

2.2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件主界面

控制上位機(jī)軟件采用組態(tài)王6.55版本開發(fā)，主要基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)，構(gòu)建虛擬儀表、按鈕開關(guān)、指示燈、閥門開度等控制組件。操作顯示軟件主要包括操作崗位監(jiān)控，調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、狀態(tài)報(bào)警、閥門等電氣操作以及數(shù)據(jù)發(fā)布等功能?？刂粕衔粰C(jī)軟件與PLC之間通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。控制上位機(jī)軟件通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器與測(cè)試軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，方便操作人員監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)。各子系統(tǒng)控制軟件單獨(dú)開發(fā)，控制軟件界面為相應(yīng)系統(tǒng)管路示意流程圖。嵌入PLC軟件采用CX-ONE軟件用梯形圖進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)軟件界面直觀友好，方便操作人員進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)崗位狀態(tài)參數(shù)，有效保證試驗(yàn)安全有序進(jìn)行。以空氣控制系統(tǒng)為例，界面如圖5所示。

3 性能驗(yàn)證與調(diào)試

圖5 空氣控制系統(tǒng)軟件主界面

該測(cè)控系統(tǒng)建成后，進(jìn)行了充分的調(diào)試驗(yàn)證工作。首先進(jìn)行單元調(diào)試，采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)測(cè)試系統(tǒng)輸入信號(hào)通道進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，并利用測(cè)量不確定度方法對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析。計(jì)算方法如下：

計(jì)算

式中為N次測(cè)量的平均值；N為測(cè)量次數(shù)；Xi為第i次測(cè)量的結(jié)果。

計(jì)算A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

計(jì)算B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

式中：A為儀器誤差限。

計(jì)算合成不確定度

計(jì)算擴(kuò)展不確定度

一般取置信概率P=95%時(shí)，k=2。

計(jì)算相對(duì)擴(kuò)展不確定度

各主要測(cè)量參數(shù)測(cè)量不確定度指標(biāo)見表2，表明測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)滿足指標(biāo)要求。

其次在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管道未通氣情況下，進(jìn)行各電氣控制回路調(diào)試，確保開關(guān)動(dòng)作符合控制要求；單元調(diào)試無(wú)誤后，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)以及試驗(yàn)器設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合熱態(tài)調(diào)試，保證各設(shè)備之間運(yùn)行正常，相互間無(wú)干擾。

表2 主要測(cè)量參數(shù)較驗(yàn)結(jié)果

最后，開展某型單管燃燒室性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：測(cè)控系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足試驗(yàn)器測(cè)試需求，運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

單管燃燒室試驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)建成以后，已經(jīng)過(guò)1年多的試驗(yàn)考核并完成多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。運(yùn)行結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)具有建設(shè)周期短，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用維護(hù)方便，擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。測(cè)試系統(tǒng)滿足試驗(yàn)器開展各類科研試驗(yàn)任務(wù)的測(cè)試要求。

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