坦克炮控系统综合检测平台设计

2021-01-12周建军周文彬李英顺耿思媛马景兰

北京石油化工学院学报 2020年4期

周建军，周文彬，盛沙，李英顺，耿思媛，马景兰

(北京石油化工学院信息工程学院，北京102617)

随着军事作战原则的发展和高新技术在军事装备中的广泛应用，装备的技术保障能力在部队的战斗力中占据了越来越重要的地位，已成为保证装备完好、运行安全可靠、形成作战能力的先决条件[1-3]。炮控系统是坦克火力控制主线末端的执行系统，承担着驱动和稳定坦克火炮炮塔的作用，是充分发挥火控系统性能，实现“先敌开火、首发命中”的重要保证。对于坦克炮控系统而言，其复杂度较高、故障排除周期较长[4-5]。一些坦克修理厂修理任务繁重，而炮控系统检测平台可快速完成检修工作、提高检修效率。为此，研制具有采集精度高、故障定位准确和体积小等优点的坦克炮控系统综合检测平台是十分必要的。

国内一些科研单位对坦克炮控系统检测设备方面进行了研究。朱斌等[6]研制了某型坦克炮控系统综合检测仪，能够实现对某型坦克炮控系统各部件与中修相应的性能工况检查，包括陀螺仪组、配电盒、操纵台和角度限制器等8个电气部件。张成名等[7]设计了一种基于PC104总线的便携式武器装备电子系统综合检测仪，满足了武器装备基层级可更换单元的检测诊断，该检测仪具有通用性，可以完成武器装备电子系统的现场测试。1个综合检测平台只检测1个型号坦克的几个部件，存在占用空间大、资源利用率不高等问题，所以笔者设计了一款可以检测5个型号坦克的炮控系统综合检测平台。

故障树分析法是一种知识组织方式，其打破了传统诊断方法的产生式规则，避免了故障分析数据快速膨胀，可以将系统复杂度大大降低，其优越性还在于逻辑推理严谨且数学计算严密，既可以分析系统故障性质类型，又可以分析顶事件受底事件的影响程度[8]。彭华亮等[9]利用故障树分析方法设计了一种发射车电气系统故障诊断系统，并验证了其系统的通用性和有效性。李贵虎等[10]提出并建立了机械击发机构的故障树，对可能击发机构故障起因进行故障分析，并应用于某火炮炮弹留膛故障，解决了传统诊断方法不能彻底排除全部故障的问题。因此，笔者采用故障树诊断方法与采集的设备状态数据相结合的方法实现炮控系统的故障诊断。

1 综合检测平台总体设计

坦克炮控系统综合检测平台主要由检测电缆、信号调理板、PCI数据采集卡、工控机和综合检测软件等几部分组成。该平台可完成5种型号坦克的炮控箱、电机放大机控制盒、线加速度计和陀螺仪组等部件的故障检测，达到系统级、部件级、板级3个层次的检测维修，具有通用化、模块化、信息化的特点。每种型号的坦克部件由一块信号调理电路板完成检测，这样5种型号坦克部件检测时相互独立、互不影响。

综合检测软件检测部件某一项功能时，通过软件控制开关量输出卡和信号调理板控制被测部件相应接触器或继电器开关，模拟被测试工况完成部件功能测试。软件记录PCI采集卡采集的检测部件被测信号的数据，并计算其与正常参考值的偏差，使用数据库存储采集的数据和检测结果。该检测平台工作原理如图1所示。

炮控系统被检测信号可由3种信号组合完成各项检测内容。这3种信号分别为模拟输入信号，信号调理到-10～10 V范围内；采集卡模拟输出信号，范围为-10～10 V，通过信号调理板可以调理到-10～135 V；开关量控制信号，可以通过控制继电器实现不同的功能，比如直接连接2个信号、信号供电或信号接地等。

数据采集卡选择：综合检测平台选用2块PCI-1713完成信号采集。PCI-1713是一款适用于PCI总线的隔离高速模拟量输入卡。其提供了32个模拟量输入通道。通道的采样速率高达100 kS/s，分辨率为12 bit且提供2500V DC的隔离保护。

检测平台模拟量输出卡选择研华PCI-1724U板卡，是一种适用于PCI总线带隔离的24通道模拟量输出卡。PCI-1724U的每个模拟量输出通道都配有1个14 bit的双缓存DAC。

检测平台开关量输出卡选择研华PCI-1751板卡，PCI-1751是一款适用于PCI总线的48 bit数字量I/O卡。其可提供48 bit并行数字输入/输出通道以及3个计时器。

综合检测平台控制信号由PCI-1724U和PCI-1751板卡经过信号转接板接入信号调理板，再给到被测部件。检测信号通过信号调理板，经过信号转接板接入PCI-1713，综合检测软件实现被测信号采集。

2 信号调理板设计

信号调理板的主要功能是调理被测部件的信号(一般是电压信号)，是整个平台设计的重要内容。测试过程中输入输出信号繁多，为适应多车型检测需求，采用模块化设计思想。部件被测信号范围很宽，直流信号最大可达135 V，需要调理到数据采集卡的量程内。

被检测部件通过电缆连接检测平台相应的航空插头，检测电缆将部件输出信号首先发送给信号调理板，信号调理板通过信号调理模块将信号调理到PCI数据采集卡允许的信号范围内后，工控机操作数据采集卡完成数据采集，其结构图如图2所示。工控机实时显示被测部件的功能情况，发送控制与激励信号，并实现数据汇总、显示和存储。

信号调理板设计及信号流向图如图2所示。

2.1 开关量控制电路

为了测试被测部件的工作性能，需要切换被测部件内部不同的继电器或接触器开关，使部件工作于不同工况。开关量控制电路控制继电器实现部件内不同工况的切换。如其中部分开关电路如图3所示，PC04是数字量输出卡PCI-1751的1个引脚。当PC04输出高电平时，固体继电器G25工作，被测部件X2_16接口接入+26 V电压。

2.2 电压预处理电路

被测部件输出信号大于10 V时，采用分压电阻进行分压，通过计算选择合适阻值的分压电阻，将部件输出的电压信号调理到数据采集卡接受的范围内。炮控箱的1个信号处理电路如图4所示。XS的G2_1、G4_20信号电压为15 V左右。选用2个62 kΩ和30 kΩ分压电阻进行分压，分得的电压应为5 V左右，在数据采集卡接受范围之内，再由数据采集卡将该信号引至模拟量输入卡PCI-1713的AI11、AI12管脚进行测量。

2.3 交流预处理电路

交流信号处理电路原理图如图5所示，选用SPT204A电流型电压互感器进行交流电压采集，此型号电压互感器精度高、无漂移、可有效进行电磁隔离，可以将三路交流信号调理到采集卡可接受的范围。

2.4 信号放大电路

炮控系统中有一些微小的信号需要进行放大后才能由数据采集卡进行采集。因此，选用LM358双运算放大器，其内部含有2个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，可适合于宽电源电压范围的单电源工作模式使用及双电源工作模式。信号放大电路如图6所示，放大器接正负15 V电源并附加电容C1、C2，信号输入端接2个二极管及1个电容起保护和滤波作用，电阻R50、R54和运算放大器构成一路正相比例运算放大器，电阻R53、R55和运算放大器构成另一路放大电路。同相比例放大倍数为：

输出信号接入PCI-1713的通道实现电压采集。

1个型号坦克部件检测的信号调理板的印刷线路板实物图如图7所示。信号调理板尺寸为30 cm×140 cm。该型号坦克的信号调理板制作加工实物图如图8所示。

3 综合检测软件设计

3.1 故障树故障诊断方法应用

炮控装置综合控制箱(炮控箱)是炮控系统的综合控制部件，是炮控系统的心脏，几乎与炮控系统的各个部件都有关系，其可靠性直接关系到坦克武器性能。因此，选择硬件系统中的炮控箱进行主要的研究和分析，并对其建立故障树。

步骤1：确定顶事件。建立炮控箱故障树是为了对炮控箱进行有效的故障诊断，不论系统何处发生故障均可认为是炮控箱发生故障，故顶事件选取为炮控箱故障，对应事件代码为T，如表1所示。

表1 故障事件编码

步骤2：确定中间事件。对应表1中的事件代码M1～M5。

步骤2：确定底事件。对应表1中事件代码x1～x22。

所建立的故障树如图9所示。

故障树定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的全部可能原因及其组合，识别导致顶事件发生的故障模式和分析系统潜在的故障[10]。故障树中可以引起顶层事件发生的底事件合集称为1个割集，最小割集是那些属于去掉其中任何1个底事件就不再成为割集的底事件集合，仅当最小割集所包含的底事件同时存在时，顶事件才发生。使用上行法进行计算，计算过程如下：

M5=x21+x22

(1)

M4=x15+x16+x17+x18+x19+x20

(2)

M3=x10+x11+x12+x13+x14

(3)

M2=x6+x7+x8+x9

(4)

M1=x1+x2+x3+x4+x5

(5)

T=M1+M2+M3+M4+M5

(6)

故得：T=x1+x2+x3+x4+…+x22

(7)

所以炮控箱故障的最小割集为：

{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，…，{x22}

由以上分析可得炮控箱故障树的22个最小割集，表示炮控箱发生故障的22种模式，由于最小割集均为1个基本事件组成的一阶割集，因此每一基本事件的发生都会导致顶事件的发生。

3.2 检测软件设计

利用visual C#.net语言和SQL Server数据库编写综合检测软件，软件应用程序安装于工控机上[11]。软件在设计过程中采用模块化、层次化的设计方法，综合检测软件主要包括部件检测模块、数据查询模块、故障分析模块和系统维护模块。部件检测模块完成被测试部件的功能检测，并完成一键检测。数据查询模块进行测试数据的按日期查询和数据统计功能。故障分析模块根据检测数据分析故障可能发生的位置。系统维护模块实现用户和密码管理功能。软件的工作流程图如图10所示。综合检测软件炮控箱性能检测界面如图11所示，用户可以从下拉列表框中选择检测项完成单项检测，测试值显示在表格中，也可以以曲线形式显示，通过不同的给定条件观察测试项的输出信号变化。点击“全部自动测试”按钮，软件自动完成每个测试项自动检测功能。

4 综合检测平台结构

检测平台主要包括工控机IPC-610L、计算机接口板、信号调理板、检测电缆、AC 400HZ电源箱、DC 电源箱、设备操作面板、显示屏(22吋触摸式彩色屏)和武器部件接口板。计算机接口板实现AO、DO板卡输出信号的一对多转换，这样每一块信号调理板都可以引入AO和DO信号。电源箱可以提供4种电压：24 V DC 25 A、 ±15 V DC 5 A、±18 V DC 3 A、5 V DC 500 mA。炮控系统综合检测平台的内部视图如图12所示。综合检测平台可对5种车型的主要部件进行检测。1个信号调理板检测1个车型的部件，计算机接口板用于连接信号调理板和数据采集卡。检测部件时通过检测电缆连接被测部件，根据手册操作说明完成各部件的功能检测。