| 标题 | 民用航空发动机试车台数据采集与控制系统设计初探 |
| 范文 | 陈志龙 摘要：民用航空发动机整机试验台作为承担整机试验的主要设备，直接关乎于试验的效率、安全和质量。数据采集与控制系统是整机试验台的关键系统之一，在发动机整机试验中作用举足轻重。本文主要对民用航空发动机试车台数据采集与控制系统设计进行分析探讨。 Abstract： The civil aviation engine test bench as the main equipment for the whole test is directly related to the efficiency， safety and quality of the test. The data acquisition and control system is one of the key systems of the whole machine test bench and it plays a decisive role in the engine test. This article mainly analyzes the data acquisition and control system design of civil aviation engine test bench. 关键词：民用航空发动机；试车台；数据采集与控制系统；设计 Key words： civil aviation engine；test bench；data acquisition and control system；design 中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0175-03 0 引言 民用航空发动机研制具有周期长、难度大、测试要求高、设计迭代频繁等特点，因此对整机试验也提出了更高的要求。整机试验台作为承担整机试验的主要设备，直接关乎于试验的效率、安全和质量。数据采集与控制系统是整机试验台的关键系统之一，在发动机整机试验中作用舉足轻重。发动机研制周期长这一特点，导致测试设备需频繁地更新换代，这对数采软件的硬件兼容性、开发灵活性提出了更高的要求；发动机测试要求高这一特点，主要体现在测试通道多、同步性要求高，这对软件的多通道采集、运行稳定性以及同步处理机制提出了更高的要求。 1 试车台数据采集与控制系统概述 试车台数据测量与数据采集与控制系统简称数采系统，用于采集、处理及显示发动机试车数据及车台设备的相关数据，由数据测量、采集、处理、显示、存储单元组成。数据采集与控制系统需完成燃油系统、起动空气系统、推力台架系统等近十套复杂机电系统的数据采集与控制，数据同步性、实时性要求高，且需完成复杂的实时气动运算和控制逻辑。 2 系统软件组成及其功能 试车台数据采集与控制系统软件以满足航空发动机试车需求为基本目的，专用于航空发动机试验领域。从大的功能模块上主要分为四部分： ①发动机油门杆操纵系统； ②数据采集硬件，用于完成发动机试车数据采集； ③试车台设备控制系统，用于实现试车台设备与发动机试车的协同控制； ④控制与显示终端，用于提供发动机及设备的控制和监视功能。 整机试验台数采系统软件主要功能包括：数采软硬件的配置及维护；试车显示界面的定义，数据记录的定义，数据回放及后处理；试车控制、设备控制及试车过程中的报警监视。主要包括： ①数据采集和管理； ②报警与监视； ③与发动机控制单元的通信（FADEC、ECU、EDU）； ④发动机及设备的控制； ⑤油门杆集成； ⑥发动机性能计算； ⑦数据分析； ⑧试验报告生成； ⑨系统与试验配置； ⑩数据管理及后处理； {11}操作日志管理。 3 系统硬件架构设计 为满足民用航空发动机整机试验需求，本文提出民用航空发动机试车台数据测量与采集系统架构设计方案，该方案基于网络化架构，具有最佳性能、高可靠性，并提供可用的模块化性能，其数据采集、数据处理、用户交互、可视化和控制均采用公认的行业标准分布式架构，由面向任务的专用计算机处理。系统采用分布式和模块化设计，每个子模块由专门的子系统管理，所有的子系统通过网络总线进行通信。主要模块功能如下： ①发动机试车数据采集装置：负责将发动机所需采集的物理信号转化为电信号，并将数据发布到数据总线上，供其它功能模块使用和处理。数采软件开发有各种采集硬件的驱动程序，可完成各采集硬件的配置和数据交互。采集硬件包括温度测量装置、压力测量装置、振动测量装置、大气参数测量装置、模拟量电压电流测量装置等。 ②设备控制系统：负责完成试车台机电设备的电气控制。该控制工作通过PLC控制器实现，并可通过控制台的FCS计算机进行集中控制。工艺系统包括燃油系统、空气起动系统、推力台架系统、上部运输系统、升降平台系统、电机加载系统、液压加载系统等。 ③油门杆操纵系统：负责完成发动机的台架供油操作。根据发动机ECU的不同，油门杆系统通常配置有油门杆、Actuator，Resolver，以满足机械电调和FADEC电调的油门控制需求。相应地，数采软件开发Resolver板卡的驱动程序，以完成配置和数据通讯工作。 ④发动机控制系统：负责完成发动机的台架控制。当前民机主流的FADEC系统主要采用ARINC 429，ARINC 664总线，数采软件开发相应板卡的驱动程序，以完成配置和数据通讯工作。操作人员通过控制台上的ECS计算机进行集中控制。 ⑤采集工作站（Host Computer）：采集工作站接受各种信号，包括数字的、模拟的，并统一向数采总线发送数字数据。 ⑥存储服务器：本单元安全存储所有信息，如发动机配置信息，试验数据信息。 ⑦操作人员工作站：本单元运行试验控制界面、人机交互界面和自动试车程序。 ⑧可视化工作站：可随意增加其它的人机交互界面，它们经配置后都可接受采集设备的公共数据流并显示结果。 ⑨时钟服务器：为整个系统提供授时时钟，以实现各模块的时钟同步。 4 系统主要硬件配置 4.1 数采柜 数采柜安置在设备间内，并且包含了很多用来测量和控制的电气设备。数采系统仪表柜中的各种测量设备可以不间断地扫描来自发动机和车台的温度、压力、推力、转速及振动等测试参数的信号。信号通过数采主机处理并显示在控制间的控制台上。 数采柜是主机和其他各种控制和测量设备连接的载体，这些设备包括控制间的控制面板、试车间的传感器和控制设备、推力测量系统，以及各种通过耦合板到发动机的电路。 4.2 控制台 控制台包含有油门杆控制面板、ETF站、四台CCTV显示器、5台试车控制电脑、对讲机基站，CCTV控制键盘。 4.3 28VDC电源配电箱 28VDC电源配电箱通过28V直流电源获取电源，并通过断路器给各个系统和设备供电。FCS（设备控制系统）会监视除30A主断路器以外的每一个断路器。断路器CB1-CB16若打开将报告电源丢失。配电箱中含有4路直流电流传感器，用于测量供向发动机的电流，例如点火电流。 4.4 400Hz电源配电箱 400Hz电源配电箱通过28VDC电源配电模块获取电源，并给发动机点火系统、ARINC SYR和RVDT面板供电。到推力台架的独立电路是由PLC控制的，并且FCS系统监视每一个断路器。 4.5 UPS电源配电模块 UPS电源配电模块是将UPS电源供电通过断路器分配到各个系统和设备，FCS会监视每一个断路器。 4.6 PLC模块 PLC模块是PLC系统的主控部分。该模块由数据采集计算机通过整机台局域网进行控制，将数据信号传输给PLC2至PLC5模块。 4.7 测量系统 测量系统里面有溫度热电偶测量模块（EX1000A-TC）、温度热电阻测量模块（Gantner）、气体压力测量模块（9116 Scanner）、液体压力测量模块（Honeywell Wet Transducer）、模拟量测量模块（EX1000A）、频率量测量模块、大气参数测量系统、推力测量系统、振动测量系统。 ①热电偶测量模块：EX-1000扫描阀用于热电偶温度测量，每个模块有48个可配置偶型的通道，共9个模块。热电偶通道的检查校验使用多功能校验仪；在通道检查端插座处输入相应偶型的信号，同时在数采界面上检查通道及显示值是否正确。 ②热电阻测量模块：Gantner扫描阀用于热电阻温度测量，每个模块有4个通道，共13个模块。热电阻通道的检查校验使用精密电阻箱，在通道检查端正确连接电阻箱，并按照电阻类型设置相应温度对应的阻值，同时在数采界面上检查通道及显示值是否正确。 ③气体压力测量模块：9116气压扫描阀用于气体压力测量，每个模块有16个通道，共24个模块。气体压力通道的检查校验使用压力校验仪，在通道检查端按照量程输入相应的气体压力，同时在数采界面上检查通道及显示值是否正确。 ④液体压力测量模块：FP2000液体压力变送器用于液体压力测量，共39个液压传感器，液压测量箱位于发动机同一水平线上的试车间墙面上。另外燃油计量系统及推力校准系统各有一个液压传感器装置。同气压通道的检查一样，液压测量通道的检查校验也是使用压力校验仪，在通道检查端按照量程输入相应的压力，同时在数采界面上检查通道及显示值是否正确。 ⑤模拟量测量模块：EX1000A扫描阀用于模拟量测量，每个模块有48通道，共3个模块。模拟量测量通道的检查使用Fluke709，分别检查校验电流和电压测量通道。 ⑥频率量测量模块：频率量测量板卡用于频率量的测量，每个模块8个通道，共3个模块。频率信号发生器用于频率测量通道的检查，在通道检查端按照量程输入相应的频率，同时在数采界面上检查通道及显示值是否正确。 ⑦大气参数测量：气象站、大气压力引气端及大气压力计组成了大气参数测量系统。 ⑧推力测量模块：包含显示器和三个输入模块：其中两个是给测量传感器的，一个是给校准传感器。 ⑨VXI系统：VXI是一个工业标准的架构，是给测试和测量设备设计的。系统架构为开放架构，允许OEM针对该架构设计板卡。VXI系统的模块包括零槽控制器、A/D板卡、万用表、通讯板卡、油门杆角度解算板卡、频率量测量板卡。 ⑩燃油计量模块：燃油件计量模块用于燃油温度、密度、温度及供油压力的测量，包括铂电阻温度计、燃油流量计、燃油密度计、供油压力传感器、应急油罐液位计、本地表。 5 结束语 数据采集与控制系统承担着试车控制及数据采集、分发、分析、存储等任务，是所有机电设备设施的“灵魂”。航空发动机试验测试通道数高达上千个，信号类型囊括压力、温度、转速、流量、应力、振动等多种信号。国外的典型航空发动机整机试验台数据采集与控制系统的开发均起源于GE、RR、普惠等航空发动机OEM的产品研制试验需求，如比利时Safran Test cells公司的CYRES软件、加拿大MDS公司的proDAS软件。它们的成功源于将计算机技术、仪器仪表技术、控制技术与航空发动机试验这一专业领域相结合。通过深入分析和契合航空发动机试验领域的特殊需求，并将信息化技术和理念（网络化、模块化、集散控制）融入其中，来保持其专业性、成熟性及领先性。随着航空发动机产业的蓬勃发展，行业对一款成熟、稳定的整机试验台数据采集与控制系统的需求将越来越迫切。而国外软件的高昂价格及开放性限制，导致其不具有可持续性。因此，依托民用航空发动机研制这一契机，吸收国外的先进设计理念，开发一款紧密结合民机航空发动机整机试验需求的数据采集与控制软件符合当前的产业发展趋势。 参考文献： [1]李宝安，邓大伟，张帆.航空发动机数据采集与监控系统设计[J].制造业自动化，2014（16）. [2]吴旭亮，岳惠峰，余晓舟，雷战克，张明.航空发动机数据采集系统设计[J].电子世界，2018（07）. [3]雷利，马昌.基于PXI的航空发动机数据采集与处理系统[J].工程与试验，2015（02）. |
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