數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)管理中的應(yīng)用

王清

摘 要：民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)作為承擔(dān)整機(jī)試驗(yàn)的主要設(shè)備，直接關(guān)乎于試驗(yàn)的效率、安全和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中作用舉足輕重。本文主要對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：民用航空發(fā)動(dòng)機(jī);試車臺(tái);數(shù)據(jù)采集;

0 引言

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制具有周期長、難度大、測(cè)試要求高、設(shè)計(jì)迭代頻繁等特點(diǎn)，因此對(duì)整機(jī)試驗(yàn)也提出了更高的要求。整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)作為承擔(dān)整機(jī)試驗(yàn)的主要設(shè)備，直接關(guān)乎于試驗(yàn)的效率、安全和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中作用舉足輕重。發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長這一特點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)試設(shè)備需頻繁地更新?lián)Q代，這對(duì)數(shù)采軟件的硬件兼容性、開發(fā)靈活性提出了更高的要求。

1 試車臺(tái)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)概述

試車臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)簡稱數(shù)采系統(tǒng)，用于采集、處理及顯示發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)及車臺(tái)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)測(cè)量、采集、處理、顯示、存儲(chǔ)單元組成。

2 系統(tǒng)軟件組成及其功能

試車臺(tái)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車需求為基本目的，專用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域。從大的功能模塊上主要分以下部分：

①發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿操縱系統(tǒng);

②數(shù)據(jù)采集硬件，用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)采集;

③試車臺(tái)設(shè)備控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)試車臺(tái)設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)試車的協(xié)同控制;

④控制與顯示終端，用于提供發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)備的控制和監(jiān)視功能。

整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)采系統(tǒng)軟件主要功能包括：數(shù)采軟硬件的配置及維護(hù);試車顯示界面的定義，數(shù)據(jù)記錄的定義，數(shù)據(jù)回放及后處理;試車控制、設(shè)備控制及試車過程中的報(bào)警監(jiān)視。主要包括：

①數(shù)據(jù)采集和管理;

②報(bào)警與監(jiān)視;

③與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的通信（FADEC、ECU、EDU）;

④發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)備的控制;

⑤油門桿集成;

⑥發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算;

⑦數(shù)據(jù)分析;

⑧試驗(yàn)報(bào)告生成;

⑨系統(tǒng)與試驗(yàn)配置;

⑩數(shù)據(jù)管理及后處理;

{11}操作日志管理。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)需求，本文提出民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案基于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，具有最佳性能、高可靠性，并提供可用的模塊化性能，其數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、用戶交互、可視化和控制均采用公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分布式架構(gòu)，由面向任務(wù)的專用計(jì)算機(jī)處理。系統(tǒng)采用分布式和模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)子模塊由專門的子系統(tǒng)管理，所有的子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)總線進(jìn)行通信。主要模塊功能如下：

①發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)采集裝置：負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)所需采集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)據(jù)總線上，供其它功能模塊使用和處理。

②設(shè)備控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成試車臺(tái)機(jī)電設(shè)備的電氣控制。該控制工作通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)，并可通過控制臺(tái)的FCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制。工藝系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、空氣起動(dòng)系統(tǒng)、推力臺(tái)架系統(tǒng)、上部運(yùn)輸系統(tǒng)、升降平臺(tái)系統(tǒng)、電機(jī)加載系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)等。

③油門桿操縱系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架供油操作。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的不同，油門桿系統(tǒng)通常配置有油門桿、Actuator，Resolver，以滿足機(jī)械電調(diào)和FADEC電調(diào)的油門控制需求。相應(yīng)地，數(shù)采軟件開發(fā)Resolver板卡的驅(qū)動(dòng)程序，以完成配置和數(shù)據(jù)通訊工作。

④發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架控制。當(dāng)前民機(jī)主流的FADEC系統(tǒng)主要采用ARINC 429，ARINC 664總線，數(shù)采軟件開發(fā)相應(yīng)板卡的驅(qū)動(dòng)程序，以完成配置和數(shù)據(jù)通訊工作。操作人員通過控制臺(tái)上的ECS計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制。

⑤采集工作站（Host Computer）：采集工作站接受各種信號(hào)，包括數(shù)字的、模擬的，并統(tǒng)一向數(shù)采總線發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)主要硬件配置

4.1 數(shù)采柜

數(shù)采柜安置在設(shè)備間內(nèi)，并且包含了很多用來測(cè)量和控制的電氣設(shè)備。數(shù)采系統(tǒng)儀表柜中的各種測(cè)量設(shè)備可以不間斷地掃描來自發(fā)動(dòng)機(jī)和車臺(tái)的溫度、壓力、推力、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)等測(cè)試參數(shù)的信號(hào)。信號(hào)通過數(shù)采主機(jī)處理并顯示在控制間的控制臺(tái)上。

4.2 控制臺(tái)

控制臺(tái)包含有油門桿控制面板、ETF站、四臺(tái)CCTV顯示器、5臺(tái)試車控制電腦、對(duì)講機(jī)基站，CCTV控制鍵盤。

4.3 28VDC電源配電箱

28VDC電源配電箱通過28V直流電源獲取電源，并通過斷路器給各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備供電。FCS（設(shè)備控制系統(tǒng)）會(huì)監(jiān)視除30A主斷路器以外的每一個(gè)斷路器。斷路器CB1-CB16若打開將報(bào)告電源丟失。配電箱中含有4路直流電流傳感器，用于測(cè)量供向發(fā)動(dòng)機(jī)的電流，例如點(diǎn)火電流。

4.4 400Hz電源配電箱

400Hz電源配電箱通過28VDC電源配電模塊獲取電源，并給發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、ARINC SYR和RVDT面板供電。到推力臺(tái)架的獨(dú)立電路是由PLC控制的，并且FCS系統(tǒng)監(jiān)視每一個(gè)斷路器。

4.5 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)里面有溫度熱電偶測(cè)量模塊（EX1000A-TC）、溫度熱電阻測(cè)量模塊（Gantner）、氣體壓力測(cè)量模塊（9116 Scanner）、液體壓力測(cè)量模塊（Honeywell Wet Transducer）。

①熱電偶測(cè)量模塊：EX-1000掃描閥用于熱電偶溫度測(cè)量，每個(gè)模塊有48個(gè)可配置偶型的通道，共9個(gè)模塊。熱電偶通道的檢查校驗(yàn)使用多功能校驗(yàn)儀;在通道檢查端插座處輸入相應(yīng)偶型的信號(hào)，同時(shí)在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

②熱電阻測(cè)量模塊：Gantner掃描閥用于熱電阻溫度測(cè)量，每個(gè)模塊有4個(gè)通道，共13個(gè)模塊。熱電阻通道的檢查校驗(yàn)使用精密電阻箱，在通道檢查端正確連接電阻箱，并按照電阻類型設(shè)置相應(yīng)溫度對(duì)應(yīng)的阻值，同時(shí)在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

③氣體壓力測(cè)量模塊：9116氣壓掃描閥用于氣體壓力測(cè)量，每個(gè)模塊有16個(gè)通道，共24個(gè)模塊。氣體壓力通道的檢查校驗(yàn)使用壓力校驗(yàn)儀，在通道檢查端按照量程輸入相應(yīng)的氣體壓力，同時(shí)在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

④液體壓力測(cè)量模塊：FP2000液體壓力變送器用于液體壓力測(cè)量，共39個(gè)液壓傳感器，液壓測(cè)量箱位于發(fā)動(dòng)機(jī)同一水平線上的試車間墻面上。另外燃油計(jì)量系統(tǒng)及推力校準(zhǔn)系統(tǒng)各有一個(gè)液壓傳感器裝置。同氣壓通道的檢查一樣，液壓測(cè)量通道的檢查校驗(yàn)也是使用壓力校驗(yàn)儀，在通道檢查端按照量程輸入相應(yīng)的壓力，同時(shí)在數(shù)采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)承擔(dān)著試車控制及數(shù)據(jù)采集、分發(fā)、分析、存儲(chǔ)等任務(wù)，是所有機(jī)電設(shè)備設(shè)施的“靈魂”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試通道數(shù)高達(dá)上千個(gè)，信號(hào)類型囊括壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、應(yīng)力、振動(dòng)等多種信號(hào)。因此，依托民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制這一契機(jī)，吸收國外的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，開發(fā)一款緊密結(jié)合民機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)需求的數(shù)據(jù)采集與控制軟件符合當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷利，馬昌.基于PXI的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].工程與試驗(yàn)，2015（02）.