基于TDM的燃油调节器试验台的自动测试软件系统设计
2022-05-28盛世伟纪艳丽武忠华张九象
郭 硕 杜 鑫 盛世伟 纪艳丽 武忠华 张九象
（中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司，北京 102200）
燃油调节器是航空发动机控制系统的核心部件，可以实现燃油的计量、燃油通断控制和导叶位置控制[1]。它的主要功能包括保证向燃烧室输油，调节供油量和导叶杆伸缩长度，保证发动机的稳态、过渡态控制，协调双发转速，进行自由涡轮超转控制，限制燃气温度等[2]。它的精度、准度及响应时间直接影响发动机性能，进而影响飞机飞行的安全性和稳定性[3-5]。
2016年，中国航空发动机集团股份有限公司正式成立。依托“两机”专项重大工程，航空发动机技术研究成为国家级重大课题。燃油调节器作为核心部件，需经过严格的出厂性能验收试验。随着年交付量的上升，验收试验面临空前的压力。基于此，研究基于试验数据管理系统的燃油调节器试验台的自动测试软件系统（包括测控系统软件设计、试验数据管理系统软件平台搭建、数据处理策略及自动化人机交互界面设计）设计方案，可实现自动化出厂验收试验，为各产品的智能化性能调整试验和出厂检验试验新技术的发展提供可行的技术依据。
1 自动测试软件系统设计
基于试验数据管理系统的燃油调节器试验台的自动测试软件系统主要包含测控系统软件设计、试验数据管理系统平台搭建、数据处理策略和自动化人机交互界面设计。
1.1 测控系统软件设计
试验台测控系统主控程序选用LabVIEW软件的图形编译环境。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，同时具备程序调试工具，集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，内置了TCP/IP、ActiveX等库函数，可以方便地建立自己的虚拟仪器。
1.2 试验数据管理系统平台搭建
控制终端建立在数据采集与监视控制系统平台上。数据采集与监视控制系统平台为BS+CS混合架构的试验数据管理系统平台和试验数据采集终端。该平台包含试验执行环节任务下发、自动试验程序编辑/调试/运行、数据采集、视频监控以及报告生成等多个功能块。
为了实现试验台的远程监控功能，需从通信（通信协议、通信方式、协议格式）、工艺流程和数据存储等方面对试验台的远程操作接口进行定义，使试验台通过局域网接入数据库管理系统-试验数据管理（Database Management System-Test Data Management，DMS-TDM）系统。
1.2.1 通信协议
测控系统主控程序与控制终端遵循用于过程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）通信协议进行数据交互。OPC通信不适合短时间内高速、动态波形数据的传输，因此对于采用LabVIEW开发的试验台主控程序，可通过网络共享变量实现OPC Server功能。该网络共享变量遵循标准的OPC协议。在试验台主控程序中创建NetVariable.lvlib网络共享变量库，库中创建网络共享变量。
DMS-TDM和试验台主控程序采用OPC协议通信。传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）通信方式适用于稳态信号和动态波形数据的实时传输，因此通信过程中试验台主控程序实现TCP通信服务器的功能，DMSTDM则作为客户端连接到试验台完成数据交互。
基于此，控制终端和试验台测控系统主控程序通过OPC协议实现数据交互。
1.2.2 试验信息
试验台主控程序创建TestInfo网络共享变量并发布至局域网。控制终端通过该变量实现试验信息的传输。试验台主控程序实时读取该变量值并进行解析，实现试验信息从控制终端到测控系统主控程序的远程传输。TestInfo网络共享变量为一个字符串，每次开始试验前先读取该变量值。
1.2.3 采集数据
试验台主控程序将控制终端要采集的数据发布到网络中。开始试验后，试验台主控程序按每秒10次的速率发布数据。发布的数据格式为Double类型的一维数组。
1.2.4 控制指令
TCP/IP通信模式下，控制终端对试验台采用请求反馈式访问方式。控制终端发送指令为一个Double类型的一维数组。
1.2.5 网络配置
为实现网络中的OPC Client能够访问试验台上的OPC Server，试验前需对试验台上的上位机和网络中的其他计算机进行地址配置。
1.3 数据处理策略
1.3.1 结果判断及报警
结果判断用于产品试验时，是对产品某项性能是否合格进行判断。当采集结果不在稳定条件公差范围内时，自动化工艺弹出报警提示。
1.3.2 自动调节
控制参数不能满足产品需求时，需在公差范围内使用中值法自动调节控制参数。
1.3.3 运算逻辑
对于产品试验项中部分需要运算后生成报告的数据，需在自动化工艺中将所需数据进行数据标记，之后按自动化工艺中的数据标记，先在采集模板中进行运算，将运算结果赋予新的变量，之后在报告模板中将运算后的变量进行关联，从而形成报告数据。
1.3.4 过程数据和结果数据
自动化工艺运行过程中，数据采集与监视控制系统平台以1 p·ch-1·S-1的速率将所有试验数据按过程数据的形式存储于本地硬盘的指定文件夹，将标记的数据以结果数据的形式与该试验项过程数据存储在同一数据库文件中，同时试验报告根据结果数据将试验参数填写于电子报告。
1.3.5 故障分析
当试验数据不满足验收要求出现故障数据时，先调取数据源资料分析过程参数，判断故障来自输入参数还是其他方面，从而为进一步排除故障提供数据依据。
1.4 自动化人机交互界面设计
人机界面包含程序编辑功能界面、自动试验功能界面、报告模板编辑界面及采集模板编辑界面等，如图1所示。人机界面连接到监控计算机，是操作员的图形用户界面，它主要用于收集来自外部设备的所有数据，包括创建报告、执行报警以及发送通知等。“历史记录”是人机接口（Human Machine Interface，HMI）中的一项软件服务，在数据库中存储带时间戳的数据、事件和报警，可以查询或用于填充HMI中的图形趋势。
图1 人机互交界面功能模块
1.4.1 程序编辑
控制终端数据采集与监视控制系统平台实现了试验工艺的电子化处理，程序编辑界面面向工艺编辑人员，如图2所示。工艺编辑人员可根据试验工艺编写自动工艺控制程序，同时可增加各参数的判读、报警等功能，以保证试验的可靠、安全运行。
1.4.2 自动试验界面
自动试验界面用于试验人员开启自动试验，如图3所示。工艺人员将编写完成的自动工艺发布、激活后，由计调员将试验任务下发至试验员。试验员登录账号后，可开启相关型号的自动试验。
图2 电子化工艺模块
图3 自动试验及试验程序自检
1.4.3 报告模板编辑界面
报告模板编辑界面用于试验报告的编辑，结合自动控制工艺程序将试验数据自动填写至报告模板，并生成电子报告。
1.4.4 采集模板编辑界面
采集模板可将自动工艺试验的数据进行运算处理，然后将处理后的数据写入报告模板，同时可将试验无法采集的数据（漏油量、外观检查等）通过手动方式进行记录。
2 实施效果
基于上述软件系统设计，可实现如下效果。
（1）试验数据统一、集中。对试验数据进行统一、集中管理，可以形成试验数据的有效积累，提高数据利用率和试验效益。
（2）试验台自动控制。开发处理试验工艺编辑平台，能够实现试验台的自动控制、自动试验工艺编辑、试验数据的自动和实时采集，从而提高工作效率。
（3）试验报告智能生成。试验完成后，系统自动生成试验报告，通过自动采集保证报告中数据的准确性。
3 结语
基于试验数据管理系统的燃油调节器试验台的自动测试软件系统开展设计研究，包括测控系统软件设计、试验数据管理系统软件平台搭建、数据处理策略和自动化人机交互界面设计。通过对某型号产品进行测试，结果表明，系统对压力、流量、计量活门位置及导叶作动筒位置等主要参数均有准确的控制及反馈，且软件中增加了数据标记、循环嵌套、中值算法，实现了试验报告的智能生成，且报告表格符合验收要求，达到了理想的试验效果。该技术通过软件设计可实现燃油器产品的自动化验收试验，改变了传统产品验收模式，解决了燃油调节器验收效率较低、结果误差较大以及耗时较为严重等问题，可为燃油调节器的自动化验收试验和自动化性能调整试验新技术的发展提供参考。
