基于数据库的新型航空发动机试验测控系统

2011-04-27陈震宇

航空发动机 2011年1期

陈震宇

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

1 引言

随着中国航空发动机研制进程的不断深入，以及电子、通信、计算机、控制、测试、总线和标准化等相关先进技术的不断发展，在试车台上构建基于发动机整机试验数据库的一体化、信息化、网络化和智能化、标准化的航空发动机整机试验测控系统正在成为发动机试验技术的重点发展方向之一。国外军工产品通用测控系统和平台正在向着标准化、通用化、开放式、可互连、可互操作的自动化平台方向发展[1]。

本文根据航空发动机整机试验数据库的一体化、信息化、网络化、智能化和标准化特点,对试车新型测控系统的特点进行研究。

2 航空发动机整机试验测控系统

基于试验数据库的航空发动机整机试验测控系统结构如图1所示。

航空发动机整机试验测控系统包括测试、控制和管理系统3大部分。其中,测试系统包括稳态测试系统和动态测试系统；控制系统包括发动机控制系统和试车台控制系统；管理系统包括试验管理系统、数据库管理系统和设备管理系统。

2.1 系统功能

新型测控系统应具有如下的功能特点：

（1）自动、连续监测全部试验参数和限制值；

（2）科研试车台常规测控通道约2000，通道可扩展；

（3）具有较高的测量和控制精度及扫描速率；

（4）基于 GPIB、VXI、PXI、LXI、LAN 和 USB 等多种通用标准接口兼容；

（5）利用公共核心软件独立进行通道计算；

（6）通过管理界面允许用户控制试验；

（7）自动执行试验程序和实时报警监视；

（8）以用户选择的模式图像化显示全部数据（数字、模拟仪表、图表、曲线等）；

（9）以用户选择的模式打印输出全部数据（记录单、图表等）；

（10）自动多通道检测和校准；

（11）基于PLC的控制系统；

（12）全程闭环PID逻辑控制；

（13）根据监控数据自动/手动控制动作；

（14）基于Windows的操作系统；

（15）自动、连续的全部试验信息的数据库存储；

（16）全系统电源冗余备份；

（17）一体化的多媒体显示和传输；

（18）ARINC429和MIL-STD-1553B用于发动机数字通信；

（19）通过内部局域网和调制解调器建立本地计算机、服务器间的通信。

2.2 软件设计

新型测控系统软件分为系统级应用、监视及处理和控制软件3部分，如图2所示。系统软件设计一般应从系统用途、功能、规模、软/硬件平台支持要求、实时性能、用户接口、扩展性、维护性、安全性、可靠性、文档完整性与经济性等多方面综合考虑[2]。

2.2.1 软件组成结构

应用软件包含系统配置、诊断、校准、数据采集、预处理、数据库和通讯等程序，完成系统管理、通讯、测试和试验准备等功能；监视及处理软件包括试验流程操作、监控报警、实时显示、试验报告生成和做图、参数与功能测试诊断、声像多媒体输入/输出、检索等功、故障分析及操作指南等程序，完成试验过程中的信息监视、操作指导和试验后的信息输出等功能；控制软件包括发动机健康管理、发动机控制、试车台设备控制、起动机控制、PLC控制中心和辅助试验设备控制等程序，根据各种控制算法完成试验相关的发动机、起动机及各种设备的控制功能。

2.2.2 数据处理功能

新型测控系统完成发动机试验全流程的管理、测试、控制和操作等比较复杂的功能，其中的数据处理、显示、报警和输出包括的功能如下。

（1）数据的预处理

a.粗大误差数据的剔除；

b.均值、方差和标准偏差计算；

c.曲线拟合；

d.数字滤波。

（2）数据计算处理

e.试验数据的回归分析；

f.发动机性能参数的计算处理；

g.动态参数的频率特性分析；

h.动机功能检查状态信息的处理。

（3）状态监视和报警

i.监视参数的名称、性质、测量范围、报警限设置；

j.监视参数的计算处理方法；

k.实时数字显示和图形显示的选择；

l.参数报警。

（4）试验数据和图形显示

m.显示页面位置与刷新率；

n.显示内容及图形种类；

o.多媒体信息的显示。

（5）数据回放

p.试验过程数据回放；

q.数据检索回放；

r.试验“黑匣子”功能。

（6）数据通讯

s.测试系统与数据库服务器通讯；

t.控制系统与数据库服务器通讯；

u.监视系统与数据库服务器通讯；

v.多媒体系统与数据库服务器通讯。

2.2.3 软件设计体系

现代软件设计采用所谓的“企业体系结构”,在这种体系结构下，独立的软件组件实现数据处理（或者其他专门的应用任务）、数据存储和用户接口功能。利用这种方法更换数据库引擎时，那些处理数据的软件组件和支持与用户交互软件组件可以不改动。多种用户接口模块，比如基于局域网部的接口模块可以用于同一应用中[3]。

系统软件设计平台应该通过选择COTS（Commercialofftheshelf，商用或商业货架）软件设计降低系统软件全寿命费用。新型系统软件设计平台包括：

（1）数据库主要基于Oracle、SQL软件设计；

（2）控制软件由PLC的ST语言进行控制程序设计；

（3）控制采用OPC（过程控制中的对象链接和嵌入技术）技术；

（4）系统管理软件基于.net语言；

（5）测试软件基于.net语言、C++、VC、VB、LabView等语言；

（6）商用TDM试验数据管理平台。

2.3 硬件设计

2.3.1 系统的硬件组成

系统硬件由测试硬件、计算机硬件、多媒体硬件、控制硬件和辅助硬件组成，如图3所示。其中，测试硬件包括传感器、变送器、采用 GPIB、VXI、PXI、LXI、USB和LAN总线的数据采集设备、温度扫描阀、压力扫描阀、各种仪表等。计算机硬件包括计算机、打印机、服务器、交换机、集线器、触摸屏和指纹识别器等；控制硬件包括PLC工作站、电动油门杆、发动机的数字电子控制器和控制执行机构等；多媒体硬件包括摄像头、云台镜头控制器、硬盘录像机、监视器、投影仪和麦克风等；辅助硬件包括测控管线、各种电源、控制按钮开关和指示灯、测试控制柜、试车操纵台等。

2.3.2 硬件体系设计

测试系统主要将发动机被测信号通过传感器、变送器和仪器仪表进入数采系统设备测量；温度、压力也可以直接采用压力和温度扫描阀测量；测试数据通过总线进入测试计算机集中计算处理，处理后的数据再进入数据库服务器与其他相关信息统一管理和应用。

控制系统主要由PLC和数字电子控制器控制运行。PLC主要控制发动机及各种辅助试验设备；数字电子控制器主要控制发动机试验状态；控制系统的PLC和数字电子控制器通过控制计算机完成运行维护、信息反馈监视和管理，并将相关数据和信息与数据库服务器进行通讯。

多媒体信息通过摄像头、麦克风等设备收集进入监视器显示，并进入硬盘录像机记录，还可以在投影仪上信息，多媒体信息通过硬盘录像机输出到数据库服务器。

全部的试车数据和信息集中在试车数据库进行管理，其他子系统依托试车数据库运行，实现诸如试车状态实时监视、试验流程管理、试车历程跟踪、远程试车状态传输监视、试验数据库管理和试验操作控制等功能。系统的硬件体系结构如图4所示。

3 其他设计

3.1 设计相关问题

对于科研型试车台的测控系统设计需要考虑的问题如下：

（1）多种发动机试验的系统适应性；

（2）系统灵活的可扩展能力；

（3）发动机特种试验的系统配置；

（4）多个子系统的时基同步性；

（5）数据处理的算法估算和准确性判别；

（6）发动机健康管理系统（EHM）的应用；

（7）人素工程[4]（HFE）在系统设计中的应用。

3.2 新技术应用

随着发动机研制的不断发展，新测试技术也在发动机试验中逐渐应用，新型试车台测控系统要具有应对这些新技术的试验应用能力。这些技术包括[5]：

（1）高温燃气参数测试技术；

（2）高温薄膜热电偶技术；

（3）流场和油雾浓度场测试技术；

（4）小尺寸通道中的气动参数的测量技术；

（5）非定常流气流参数测试技术；

（6）高精度、耐高温非接触式温度、位移测试和振动技术；

（7）发动机空气系统全流程腔温、腔压测量及分析技术；

（8）发动机全流程壁温测量及分析技术；

（9）整机全流程的流场、应力场和温度场的测量及分析技术。

4 新型试车测控系统发展趋势

基于航空发动机试验数据库的新型测控系统正在向一体化、信息化、网络化和智能化、标准化的方向发展。一体化就是将发动机控制系统、试车台设备控制系统、稳态测试系统、动态测试系统和试车管理系统等独立的分系统、有机地结合在一起，形成对航空发动机试验全面、全方位、全流程地控制、测试和管理。“测、控、处”向一体化方向发展，是适应试验研究发展的需要[6]。

信息化就是将航空发动机试验从发动机上台到下台的全过程所产生的全部信息统一收集和管理，并存储在试验数据库中，用于对发动机性能全面综合地研究和分析。整机试验全过程所产生的信息包括：试验文件、试验准备信息、发动机相关信息、试验测试数据、试验控制数据、试验多媒体信息、试验分析数据和试验报告等。

网络化就是以整机试验数据库服务器为中心，通过网线、测试和控制总线将计算机、PLC、电子控制器、测试设备、控制设备、电气设备和多媒体设备等连接成星型的局域网测控系统。实现航空发动机整机试验的实时、远程/近程、有线/无线等多种方式的试验信息通讯和共享，为不同层次的试验用户提供所需的试验信息，对发动机试验形成多维度的高效测量、监视、控制和管理。

智能化就是基于整机试验数据库，运用试验管理系统平台，完成对发动机从试验任务下达到试验结果上报全过程的信息化管理。运用健康管理系统平台，完成对发动机试验安全和性能的控制和评估；运用智能控制系统平台，完成对起动机、发动机、试验设备等的自动控制和调节；运用试验模拟仿真平台，完成发动机整机试验的模拟和仿真，实现数字化试验研究，并依据物理试验的整机试验数据库对其进行修正。

标准化就是将测控系统按功能进行分类，对输入输出接口进行标准化统一，确认系统标准配置功能模块。数据结构统一，便于在行业内对于相同的发动机试验的数据分析和比较，以及数据交流。接口统一标准便于硬件扩充和扩展。功能的标准化统一便于提高操作使用效率、规范系统。标准化工作在航空工业产品研制、生产、使用中起着无可替代的指导、规范作用[7]。