基于LabVIEW的飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

馮志剛，張百川

(沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110136)

0 引言

飛機(jī)供電系統(tǒng)是飛機(jī)上電能產(chǎn)生、調(diào)理、運(yùn)輸和分配的總稱，是現(xiàn)代飛機(jī)的重要構(gòu)成部分[1]。飛機(jī)被投入生產(chǎn)和使用之前，對其進(jìn)行仿真測試是飛機(jī)供電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性的重要評估方法[2]。隨著供電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的提升，對于飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定性及其他各項(xiàng)參數(shù)的的監(jiān)測需求在不斷增加[3-6]。傳統(tǒng)的飛機(jī)供電系統(tǒng)的測試方法由于處理的數(shù)據(jù)量小、功能單一等問題已無法滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)需求。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，基于虛擬儀器的監(jiān)測系統(tǒng)具備靈活度高、兼容性強(qiáng)、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，具有極強(qiáng)的工程實(shí)用性。

該監(jiān)控系統(tǒng)通過借助NI PXI平臺(tái)建立有效的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)[9]，具體包括電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、供電匯流條及發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，對供電系統(tǒng)輸出控制信號(hào)以及對飛行管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，最終實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)的地面模擬試驗(yàn)。通過該方法，基于合適的硬件及拓展性強(qiáng)的軟件，搭建監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)約開發(fā)與維護(hù)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高效的監(jiān)控效果。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2部分組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中硬件系統(tǒng)主要分為三大模塊：信號(hào)采集卡構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊；與采集卡對應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理模塊；信號(hào)輸出卡構(gòu)成的控制模塊。軟件系統(tǒng)由完成各自功能的數(shù)據(jù)處理子模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)供電系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)信息的處理、顯示、存儲(chǔ)及通過控制指令實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)的控制功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

對于信號(hào)調(diào)理模塊，需要將飛機(jī)供電系統(tǒng)傳輸?shù)墓╇娤到y(tǒng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其滿足信號(hào)采集模塊的采集范圍，確保信號(hào)采集卡能夠精準(zhǔn)采集到電壓、電流等信號(hào)；對于信號(hào)采集模塊，作為軟件與硬件之間的重要橋梁，將采集的電壓、電流等信號(hào)傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理模塊；對于數(shù)據(jù)處理模塊，即LabVIEW上位機(jī)程序，需要根據(jù)實(shí)際情況將采集的信息進(jìn)行解析，并對結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)；對于控制模塊，需要將上位機(jī)界面采集的控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送至供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)狀態(tài)的控制。

本系統(tǒng)通過將采集的飛機(jī)供電系統(tǒng)的狀態(tài)信息調(diào)理后傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)處理并顯示在人機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；同時(shí)，使用者可以通過操作人機(jī)界面產(chǎn)生控制指令，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)的控制。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)基于PXIe總線技術(shù)搭建，借助PXI Express高數(shù)據(jù)吞吐量、靈活、模塊化儀器集成等技術(shù)優(yōu)勢[10]，采用PXI工控機(jī)搭載DAQ板卡及調(diào)理電路搭建監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)部分；主控機(jī)是監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)測試與控制的核心，采用IPC-610L系列工控機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控軟件運(yùn)行在主控工控機(jī)中，作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)顯示部分。上位機(jī)通過與工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)信息的采集與狀態(tài)的控制。硬件系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)整體方案圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

通過對供電系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集需求進(jìn)行分析，確定所需采集的信號(hào)的類型及數(shù)量。在確保留有余量的前提下，對工控機(jī)箱及DAQ板卡進(jìn)行選型，該模塊采用的工控機(jī)箱及板卡信息如下：

(1)17混合槽、1PXIe槽、4 GB帶寬的PXIe-1084工控機(jī)機(jī)箱；

(2)具備838 MB/s數(shù)據(jù)處理能力、最大通訊距離可達(dá)100 m，實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對PXI系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和操作的PXIe-PCIe 8375光纖通訊套件；

(3)具備8通道同步采集、250 kSPS采樣頻率，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)115 V三相交流電壓和各直流匯流條電壓信號(hào)進(jìn)行采集的PXIe-4300高電壓采集卡；

(4)具備40通道差分采集、500 kSPS采樣頻率、實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)電流信號(hào)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換的低電壓信號(hào)進(jìn)行采集的PXIe-6345低電壓采集卡；

(5)具備48通道采集，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)各開關(guān)量的地/開和27 V/開離散量信號(hào)采集的PXI-6529離散量采集卡；

(6)具備隔離4通道、通訊速率最大3 Mbps,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)采集的RS422/RS485通訊的PXI-8433/4通訊卡。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊是監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的關(guān)鍵模塊，系統(tǒng)所需的信號(hào)調(diào)理功能主要表現(xiàn)為對采集的信號(hào)進(jìn)行匹配、濾波及轉(zhuǎn)換。

信號(hào)匹配用以確保供電系統(tǒng)離散量信號(hào)可以被PXI-6529采集卡采集，本系統(tǒng)中離散量信號(hào)為地/開信號(hào)和27 V/開信號(hào)，其中27 V/開信號(hào)可以被采集卡直接采集，地/開信號(hào)的采集則需添加上拉電阻后進(jìn)行精準(zhǔn)采集。地/開信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 地/開信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)濾波通過采用與PXIe-4300高電壓采集卡相匹配的TB-4300B衰減端子，確保供電系統(tǒng)中電源系統(tǒng)的三相交流電壓信號(hào)及匯流條的直流電壓信號(hào)在滿足PXIe-4300采集卡的采集要求的同時(shí)可以被穩(wěn)定采集，并通過采集多板卡多通道數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對多采樣點(diǎn)高電壓信號(hào)的采集。

信號(hào)轉(zhuǎn)換由頻率-轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換和電流-電壓轉(zhuǎn)換2部分構(gòu)成。頻率-轉(zhuǎn)速部分通過借助PXI-6345采集卡采集交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信息對應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)，上位機(jī)程序?qū)⒉杉念l率數(shù)據(jù)帶入轉(zhuǎn)換公式，最終實(shí)現(xiàn)頻率-轉(zhuǎn)速的信息轉(zhuǎn)換；電流-電壓轉(zhuǎn)換部分通過將供電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的電流信號(hào)經(jīng)過LEM傳感器轉(zhuǎn)換為-100～100 mA電流信號(hào),轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0.55～4.55 V電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)滿足PXIe-6345采集卡的采集范圍。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

2.3 控制模塊

控制模塊安裝在PXIe工控機(jī)中，通過光纖通訊套件與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息通訊，可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)控制指令及飛行管理系統(tǒng)仿真指令的輸出，該模塊所采用板卡信息如下：

(1)具備16通道SPDT輸出、實(shí)現(xiàn)對27 V/開離散量信號(hào)輸出的PXI-2566離散量輸出卡；

(2)具備隔離4通道、通訊速率最大3 Mbps,實(shí)現(xiàn)RS422/RS485通訊的PXI-8433/4通訊卡。

3 監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)使用NI LabVIEW編寫上位機(jī)程序，借助LabVIEW中的DAQmx數(shù)據(jù)采集功能[11-12]，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、處理，并最終顯示在前面板。同時(shí)，根據(jù)對具體功能的實(shí)時(shí)性需求的分析，將任務(wù)模塊分為實(shí)時(shí)性與非實(shí)時(shí)性任務(wù)，通過建立多線程確保實(shí)時(shí)性任務(wù)的優(yōu)先級。

3.1 軟件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。該軟件系統(tǒng)采取模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，將軟件功能劃分為初始化模塊、系統(tǒng)監(jiān)測模塊和系統(tǒng)控制模塊及對應(yīng)的子功能模塊。這種分層次功能模塊的劃分降低了編程與維護(hù)難度的同時(shí)提高了軟件的可讀性，使程序更加簡潔清晰。供電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控軟件部分功能框圖如圖5所示。

圖5 供電系統(tǒng)監(jiān)控軟件功能框圖

初始化模塊通過運(yùn)用LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問工具包的ADO接口調(diào)取SQL Server數(shù)據(jù)庫預(yù)存信息[13-14]，實(shí)現(xiàn)對用戶權(quán)限的判斷以及系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置，用戶登錄子模塊的程序如圖6(a)所示。通過調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的用戶信息與實(shí)際輸入信息進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對用戶使用權(quán)限的判別。

系統(tǒng)監(jiān)測模塊借助DAQmx數(shù)據(jù)采集功能與ADO接口實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集、處理、顯示、存儲(chǔ)與回放功能，多板卡采集子模塊的程序如圖6(b)所示。通過對不同DAQ板卡共享參考時(shí)鐘和參考速率的方法，實(shí)現(xiàn)高電壓采集、低電壓采集、離散量采集板卡間時(shí)鐘的一致性，借助數(shù)字邊沿觸發(fā)的方式確保同步啟動(dòng)[15]，實(shí)現(xiàn)多板卡數(shù)據(jù)的同步采集效果。

系統(tǒng)控制模塊通過借助DAQmx實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)控制指令的輸出以及對飛行管理仿真系統(tǒng)指令的通訊，供電系統(tǒng)狀態(tài)控制子模塊如圖6(c)所示。通過DAQmx將打包好的控制指令送至輸出板卡，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)狀態(tài)的控制。

(a)用戶登錄子模塊

軟件系統(tǒng)設(shè)有權(quán)限，用戶需登錄后進(jìn)入系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)初始化后進(jìn)入人機(jī)界面，人機(jī)界面包含多個(gè)不同的功能界面，可實(shí)現(xiàn)不同功能界面的切換。其中軟件系統(tǒng)主界面程序主要負(fù)責(zé)完成對硬件部分采集的供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)和回放的功能。軟件系統(tǒng)主控程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)主控程序流程圖

3.2 軟件系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)要求簡潔易懂的同時(shí)還需滿足顯示需求，故對主界面內(nèi)容進(jìn)行雙屏顯示，分別為供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面與發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)監(jiān)測和飛行管理系統(tǒng)仿真界面。

供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面由供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊構(gòu)成。供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊以數(shù)字顯示、小燈亮滅的方式實(shí)時(shí)顯示各成品件和匯流條的電壓、電流值和工作狀態(tài)，并以鈕子開關(guān)狀態(tài)表示配電系統(tǒng)中各成品件之間的連接狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)信息、工作狀態(tài)信息及供電系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面如圖8所示。

圖8 供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面

發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)監(jiān)測和飛行管理系統(tǒng)仿真界面主要由交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊、飛行管理系統(tǒng)功能仿真模塊及供電系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊構(gòu)成。交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊以表頭形式實(shí)時(shí)顯示交流發(fā)動(dòng)機(jī)1、2的轉(zhuǎn)速信號(hào)以及發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力、溫度等參數(shù)信息；供電系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊通過鈕子開關(guān)實(shí)現(xiàn)對過壓檢測指令、軟復(fù)位指令等信號(hào)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)的控制，同時(shí)該分頁還包含部分離散量采集，通過小燈亮滅實(shí)現(xiàn)對匯流條短路等狀態(tài)進(jìn)行顯示；飛行管理系統(tǒng)功能仿真模塊根據(jù)飛行管理系統(tǒng)的通訊協(xié)議，以選項(xiàng)卡功能為飛行管理系統(tǒng)提供操作界面，實(shí)現(xiàn)與交流發(fā)電機(jī)的通訊。發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)監(jiān)測和飛行管理系統(tǒng)仿真界面如圖9所示。

圖9 發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)監(jiān)測和飛行管理系統(tǒng)仿真界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于飛機(jī)供電系統(tǒng)地面監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測，得到供電系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，驗(yàn)證該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與精準(zhǔn)度。部分監(jiān)測參數(shù)如表1所示。

對比表1中理論值與實(shí)測值可知，該監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度較高，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的精度要求，可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)組成上分析了飛機(jī)供電系統(tǒng)地面試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，該監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)供電系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)和工作狀態(tài)信息的同時(shí)可以對供電系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行控制，從而檢驗(yàn)供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)能否滿足實(shí)際工作需求。實(shí)際應(yīng)用顯示，飛機(jī)供電系統(tǒng)地面試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、功能可行，人機(jī)界面直觀明了、便于操作，顯示內(nèi)容完善，滿足設(shè)計(jì)需求。