发动机数据实时监控设计与实现

2016-08-26李运华黎雯洋鑫LIYunhuaLIWenyangCHEXin中航商用航空发动机有限责任公司上海201108

制造业自动化 2016年6期

李运华，黎雯洋，车　鑫LI Yun-hua，　LI Wen-yang，　CHE Xin（中航商用航空发动机有限责任公司，上海 201108）

发动机数据实时监控设计与实现

李运华，黎雯洋，车鑫
LI Yun-hua，LI Wen-yang，CHE Xin
（中航商用航空发动机有限责任公司，上海 201108）

在民用航空发动机健康管理系统中，需要实时在线监测发动机工作参数、运行状态及故障情况，从而及时判断发动机内部关键部件的健康情况，提出了一种基于发动机监视装置实现发动机数据的在线监测方案，该方案包括上下位机系统，综合实时操作系统、虚拟仪器仪表、以及总线测试等技术。最后经实践验证了上述方案的可行性。

实时操作系统；虚拟仪器；实时监视；发动机健康系统

0　引言

近年来，航空发动机，特别是民用航空发动机普遍采用发动机健康管理系统（EHMS）监测发动机健康状态［1］。发动机健康管理系统在确保发动机和飞行安全的同时，可以快速准确地预测、定位和修复故障，减少发动机的维修保障费用。当前，主流的先进发动机都有发动机健康管理系统，其关键功能就是采用各种监控方法，实现测量发动机各个部件的工作状态和参数，完成在线的故障诊断、指示告警及数据记录等，从而达到有效及时的查看发动机关键性能参数，且为地面故障诊断提供大量的飞行数据。

随着航空发动机的智能化和信息化水平的提高，民用航空发动机均有独立于发动机控制系统的健康管理系统，如GE的GEnx，RR的Trent900等。EHMS通常由机载设备和地面设备两大部分构成［2］，机载设备负责发动机的压力传感器、加速度传感器等信号的采集处理、故障诊断、状态统计、并将以上结果实时发送至地面设备。地面设备负责接收机载设备的数据，并实时在线监测发动机的重要数据，以及进一步的历史数据分析为维修保障提供支持，如图1所示。

图1　通用发动机健康监视系统（以Trent900示例）

本文基于目前主流的发动机健康管理系统，提出了一种发动机数据实时监测系统的设计与实现。其中机载设备为发动机监视装置（EMU），地面设备为便携式维护终端（PMAT），共同实现发动机数据在线监视功能。本文分别介绍发动机数据监控方案设计；发动机数据监控方案的实现，以及关键部件的软件设计；经过对发动机监视系统的测试，验证了该设计方案的可行性。

1　总体及硬件方案

本文所设计的发动机健康管理系统方案如图1所示，该系统主要由安装在发动机上的EMU和监视用传感器，地面支持设备PMAT和地面站组成，其中EMU具有与电子控制器（EEC）和飞机的通讯功能。该系统运行原理如下：EMU主要负责采集和处理监视用传感器的数据，以及接收EEC提供的燃油控制系统的数据，完成发动机气路、燃/滑油、振动，以及燃油控制系统工作参数的收集，并据此进行发动机状态监测、异常判断、初步故障诊断和数据保存，最后通过总线通讯，将相关发动机监测数据发送给PMAT和面向飞机进行指示告警。地面站作为地面支持设备的一部分，采用基于历史数据的故障诊断域趋势预测等算法，离线分析存储于EMU的发动机数据，与此相关内容，本文不作讨论。

EMU作为机载设备，完成不同频率信号的数据采集处理，尤其是高频的振动、滑油金属屑信（采集频率达40kHz），对处理器性能要求较高，因此采用了PowerPC处理器，且利用VxWorks操作系统实现复杂的任务和数据管理功能。VxWorks支持优先级抢占和时间片轮询调度策略［3，4］，支持多任务操作和任务间通信，便于EMU的软件设计。

地面支持设备PMAT作为EMU设备的上位机硬件平台采用加固的便携式计算机，利用RS-422串口或以太网通讯，实时地接收EMU发送的发动机监控数据并通过界面显示出来。为获取更高效地界面设计和更美观的效果，上位机软件采用虚拟仪器仪表技术，利用DevExpress控件实现人机交互的界面，包括发动机曲线图，虚拟仪器仪表盘，显示更加直观，便于观测。

2　软件实现

图2　发动机健康监视系统方案

图3　机载健康管理软件任务分配

发动机健康监视功能包括两部分：机载监控软件和上位机监控软件［5］，前者运行于EMU中，其基于VxWorks Cert6.6操作系统实现发动机信号采集处理，以及监视输出。后者接收EMU实时传输的监控数据，利用数值、曲线或虚拟仪器仪表控件等多种形式显示，此外具有数据保存和回放功能，以支持地面的数据分析。

2.1机载监控软件

EMU需要对气路、燃油系统、滑油系统的温度、压力、转速、振动等信号的采集处理、并完成对发动机的状态统计和故障诊断，并将结果发送至PMAT及飞机。由于不同信号的采样频率、信号处理周期及算法不同，因此发动机监视装置机载软件首先要解决如何采集和处理信号、诊断故障、统计状态的问题。

针对不同信号采样频率、信号处理周期、故障诊断周期、通信周期等时间性能的要求，发动机监控任务的设计分为周期任务和非周期任务两大类。如图2所示，周期任务根据信号不同的采集处理周期和不同功能模块的处理时间要求，如发动机的温度、压力、转速处理时间周期要求不高于20ms，振动信号和金属屑信号数据获取时间要求不高于100ms，监控时间要求不高于200ms等，因此分别设计了20msTask，100msTask、200msTask等多个周期任务，各周期任务的基本功能如表1所示。而非周期任务用于完成由外部控制指令触发的EMU设备维护功能，如EMU当检测到外部发送的单机维护指令而须运行EMU单机维护软件。

周期任务本质上由同一时钟源控制，每个任务绑定一个二值信号量，通过计数器来控制信号量的状态，实现周期任务的调度。在任务并发运行过程中，采用优先级抢占机制进行任务间的切换，设计原则为周期任务优先级高非周期任务，而周期任务中截止时间越短的任务优先级越高，具体优先级设置如表1所示。

表1　所分配任务情况

由于在线监视数据是给飞行员或者试验人员观测的，根据人机工程学的研究成果表明200ms的周期刷新数据是较为适合人眼观察的，数据刷新周期太快，人眼无法分辨，达不到有效监视的效果。因此，在线监视数据的通信周期设置为200ms。为了方便数据组包，数据缓存设计根据不同信号周期分为20ms周期数据缓存队列、100ms周期数据缓存队列，在通信数据组包时分别选取20ms数据缓存队列和100ms周期数据缓存队列的最新数据。

2.2上位机监控软件

上位机监控软件功能和处理流程参如图3所示，分为UI人机界面和后台处理业务两部分，两者相结合完成接口配置、协议配置、数据监控、故障注入/激励、以及数据回放等功能，其在满足对EMU数据实时监控的同时，还兼顾支持系统或软件测试要求。

图4　上位机监控软件功能和处理流程

与EMU通讯接口可以配置成以太网或RS-422串口。以太网配置参数包括IP地址和端口号；RS-422串口配置参数包括端口号、波特率、停止位和校验位等。以太网/RS-422协议包都由用户定义。接口属性和数据协议包都可定制，满足系统移植性和适应性要求。

上位机监控软件采用多种监测方法，当前数值、历史数值表、波形图、以及仪器仪表等形式，其中，波形图和仪器仪表采用DevExpress控件实现［6］，开发快捷，且界面友好，部分仪器仪表盘效果图如图5所示。

图5　仪器仪表效果图

3　系统应用

为了最大程度上模拟真实的发动机管理系统的真实工况，本文开发了EMU调试装置和振动信号发生器给EMU提供传感器信号和通信输入，EMU完成信号采集处理、通信接收、在线故障诊断后，将结果通过RS422或者以太网发送至PMAT，PMAT将结果通过界面显示出来，以便于观测，发动机健康管理监视系统环境图如图6所示。

图6　发动机健康监视系统环境图

其中，EMU调试装置包括飞机模拟单元、发动机及其接口模拟单元和电子控制器模拟单元三部分组成，其中飞机模拟单元主要模拟飞机与EMU的通信接口，暂时采用RS-422串口；发动机及其接口主要模拟传感器接口，为EMU提供模拟量输入；而电子控制器模拟单元主要采用两路RS-422串口分别模拟两路EEC的通信接口。并利用振动信号发生器专门模拟振动信号输入，用于验证系统的振动信号采集和处理功能。

在上述的发动机监视系统平台上，发动机依次经过地面起动、慢车、最大起飞，巡航等状态，监视曲线如图7所示。此外，可以利用数据回放，查看整个试验过程的数据，供离线分析。结果表明，整个系统和数据传输通道能够保证信号采集、传输的一致性。

4　结论

目前，发动机数据实时监视已成为航空发动机健康管理系统的基本功能，也是发动机故障诊断最直观最有效的手段。根据发动机机载健康管理系统的要求，本文基于机载设备+地面系统的健康管理构架实现了发动机数据实时监视功能，机载设备采用VxWorks操作系统，合理创建任务，保证软件的实时性；地面设备采用虚拟仪器仪表控件，界面友好，且配置便捷，能够有效支持机载设备的软件研制。本文提出的发动机监视系统方案，经过验证合理可行；为发动机健康管理系统的设计提供了一种可行的方案和技术路线，并可进一步丰富机载或地面的发动机故障诊断算法，使发动机健康管理系统功能更具有针对性和实用性。