基于數據庫的新型航空發動機試驗測控系統

陳震宇

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

隨著中國航空發動機研制進程的不斷深入，以及電子、通信、計算機、控制、測試、總線和標準化等相關先進技術的不斷發展，在試車臺上構建基于發動機整機試驗數據庫的一體化、信息化、網絡化和智能化、標準化的航空發動機整機試驗測控系統正在成為發動機試驗技術的重點發展方向之一。國外軍工產品通用測控系統和平臺正在向著標準化、通用化、開放式、可互連、可互操作的自動化平臺方向發展[1]。

本文根據航空發動機整機試驗數據庫的一體化、信息化、網絡化、智能化和標準化特點,對試車新型測控系統的特點進行研究。

2 航空發動機整機試驗測控系統

基于試驗數據庫的航空發動機整機試驗測控系統結構如圖1所示。

航空發動機整機試驗測控系統包括測試、控制和管理系統3大部分。其中,測試系統包括穩態測試系統和動態測試系統；控制系統包括發動機控制系統和試車臺控制系統；管理系統包括試驗管理系統、數據庫管理系統和設備管理系統。

2.1 系統功能

新型測控系統應具有如下的功能特點：

（1）自動、連續監測全部試驗參數和限制值；

（2）科研試車臺常規測控通道約2000，通道可擴展；

（3）具有較高的測量和控制精度及掃描速率；

（4）基于 GPIB、VXI、PXI、LXI、LAN 和 USB 等多種通用標準接口兼容；

（5）利用公共核心軟件獨立進行通道計算；

（6）通過管理界面允許用戶控制試驗；

（7）自動執行試驗程序和實時報警監視；

（8）以用戶選擇的模式圖像化顯示全部數據（數字、模擬儀表、圖表、曲線等）；

（9）以用戶選擇的模式打印輸出全部數據（記錄單、圖表等）；

（10）自動多通道檢測和校準；

（11）基于PLC的控制系統；

（12）全程閉環PID邏輯控制；

（13）根據監控數據自動/手動控制動作；

（14）基于Windows的操作系統；

（15）自動、連續的全部試驗信息的數據庫存儲；

（16）全系統電源冗余備份；

（17）一體化的多媒體顯示和傳輸；

（18）ARINC429和MIL-STD-1553B用于發動機數字通信；

（19）通過內部局域網和調制解調器建立本地計算機、服務器間的通信。

2.2 軟件設計

新型測控系統軟件分為系統級應用、監視及處理和控制軟件3部分，如圖2所示。系統軟件設計一般應從系統用途、功能、規模、軟/硬件平臺支持要求、實時性能、用戶接口、擴展性、維護性、安全性、可靠性、文檔完整性與經濟性等多方面綜合考慮[2]。

2.2.1 軟件組成結構

應用軟件包含系統配置、診斷、校準、數據采集、預處理、數據庫和通訊等程序，完成系統管理、通訊、測試和試驗準備等功能；監視及處理軟件包括試驗流程操作、監控報警、實時顯示、試驗報告生成和做圖、參數與功能測試診斷、聲像多媒體輸入/輸出、檢索等功、故障分析及操作指南等程序，完成試驗過程中的信息監視、操作指導和試驗后的信息輸出等功能；控制軟件包括發動機健康管理、發動機控制、試車臺設備控制、起動機控制、PLC控制中心和輔助試驗設備控制等程序，根據各種控制算法完成試驗相關的發動機、起動機及各種設備的控制功能。

2.2.2 數據處理功能

新型測控系統完成發動機試驗全流程的管理、測試、控制和操作等比較復雜的功能，其中的數據處理、顯示、報警和輸出包括的功能如下。

（1）數據的預處理

a.粗大誤差數據的剔除；

b.均值、方差和標準偏差計算；

c.曲線擬合；

d.數字濾波。

（2）數據計算處理

e.試驗數據的回歸分析；

f.發動機性能參數的計算處理；

g.動態參數的頻率特性分析；

h.動機功能檢查狀態信息的處理。

（3）狀態監視和報警

i.監視參數的名稱、性質、測量范圍、報警限設置；

j.監視參數的計算處理方法；

k.實時數字顯示和圖形顯示的選擇；

l.參數報警。

（4）試驗數據和圖形顯示

m.顯示頁面位置與刷新率；

n.顯示內容及圖形種類；

o.多媒體信息的顯示。

（5）數據回放

p.試驗過程數據回放；

q.數據檢索回放；

r.試驗“黑匣子”功能。

（6）數據通訊

s.測試系統與數據庫服務器通訊；

t.控制系統與數據庫服務器通訊；

u.監視系統與數據庫服務器通訊；

v.多媒體系統與數據庫服務器通訊。

2.2.3 軟件設計體系

現代軟件設計采用所謂的“企業體系結構”,在這種體系結構下，獨立的軟件組件實現數據處理（或者其他專門的應用任務）、數據存儲和用戶接口功能。利用這種方法更換數據庫引擎時，那些處理數據的軟件組件和支持與用戶交互軟件組件可以不改動。多種用戶接口模塊，比如基于局域網部的接口模塊可以用于同一應用中[3]。

系統軟件設計平臺應該通過選擇COTS（Commercialofftheshelf，商用或商業貨架）軟件設計降低系統軟件全壽命費用。新型系統軟件設計平臺包括：

（1）數據庫主要基于Oracle、SQL軟件設計；

（2）控制軟件由PLC的ST語言進行控制程序設計；

（3）控制采用OPC（過程控制中的對象鏈接和嵌入技術）技術；

（4）系統管理軟件基于.net語言；

（5）測試軟件基于.net語言、C++、VC、VB、LabView等語言；

（6）商用TDM試驗數據管理平臺。

2.3 硬件設計

2.3.1 系統的硬件組成

系統硬件由測試硬件、計算機硬件、多媒體硬件、控制硬件和輔助硬件組成，如圖3所示。其中，測試硬件包括傳感器、變送器、采用 GPIB、VXI、PXI、LXI、USB和LAN總線的數據采集設備、溫度掃描閥、壓力掃描閥、各種儀表等。計算機硬件包括計算機、打印機、服務器、交換機、集線器、觸摸屏和指紋識別器等；控制硬件包括PLC工作站、電動油門桿、發動機的數字電子控制器和控制執行機構等；多媒體硬件包括攝像頭、云臺鏡頭控制器、硬盤錄像機、監視器、投影儀和麥克風等；輔助硬件包括測控管線、各種電源、控制按鈕開關和指示燈、測試控制柜、試車操縱臺等。

2.3.2 硬件體系設計

測試系統主要將發動機被測信號通過傳感器、變送器和儀器儀表進入數采系統設備測量；溫度、壓力也可以直接采用壓力和溫度掃描閥測量；測試數據通過總線進入測試計算機集中計算處理，處理后的數據再進入數據庫服務器與其他相關信息統一管理和應用。

控制系統主要由PLC和數字電子控制器控制運行。PLC主要控制發動機及各種輔助試驗設備；數字電子控制器主要控制發動機試驗狀態；控制系統的PLC和數字電子控制器通過控制計算機完成運行維護、信息反饋監視和管理，并將相關數據和信息與數據庫服務器進行通訊。

多媒體信息通過攝像頭、麥克風等設備收集進入監視器顯示，并進入硬盤錄像機記錄，還可以在投影儀上信息，多媒體信息通過硬盤錄像機輸出到數據庫服務器。

全部的試車數據和信息集中在試車數據庫進行管理，其他子系統依托試車數據庫運行，實現諸如試車狀態實時監視、試驗流程管理、試車歷程跟蹤、遠程試車狀態傳輸監視、試驗數據庫管理和試驗操作控制等功能。系統的硬件體系結構如圖4所示。

3 其他設計

3.1 設計相關問題

對于科研型試車臺的測控系統設計需要考慮的問題如下：

（1）多種發動機試驗的系統適應性；

（2）系統靈活的可擴展能力；

（3）發動機特種試驗的系統配置；

（4）多個子系統的時基同步性；

（5）數據處理的算法估算和準確性判別；

（6）發動機健康管理系統（EHM）的應用；

（7）人素工程[4]（HFE）在系統設計中的應用。

3.2 新技術應用

隨著發動機研制的不斷發展，新測試技術也在發動機試驗中逐漸應用，新型試車臺測控系統要具有應對這些新技術的試驗應用能力。這些技術包括[5]：

（1）高溫燃氣參數測試技術；

（2）高溫薄膜熱電偶技術；

（3）流場和油霧濃度場測試技術；

（4）小尺寸通道中的氣動參數的測量技術；

（5）非定常流氣流參數測試技術；

（6）高精度、耐高溫非接觸式溫度、位移測試和振動技術；

（7）發動機空氣系統全流程腔溫、腔壓測量及分析技術；

（8）發動機全流程壁溫測量及分析技術；

（9）整機全流程的流場、應力場和溫度場的測量及分析技術。

4 新型試車測控系統發展趨勢

基于航空發動機試驗數據庫的新型測控系統正在向一體化、信息化、網絡化和智能化、標準化的方向發展。一體化就是將發動機控制系統、試車臺設備控制系統、穩態測試系統、動態測試系統和試車管理系統等獨立的分系統、有機地結合在一起，形成對航空發動機試驗全面、全方位、全流程地控制、測試和管理。“測、控、處”向一體化方向發展，是適應試驗研究發展的需要[6]。

信息化就是將航空發動機試驗從發動機上臺到下臺的全過程所產生的全部信息統一收集和管理，并存儲在試驗數據庫中，用于對發動機性能全面綜合地研究和分析。整機試驗全過程所產生的信息包括：試驗文件、試驗準備信息、發動機相關信息、試驗測試數據、試驗控制數據、試驗多媒體信息、試驗分析數據和試驗報告等。

網絡化就是以整機試驗數據庫服務器為中心，通過網線、測試和控制總線將計算機、PLC、電子控制器、測試設備、控制設備、電氣設備和多媒體設備等連接成星型的局域網測控系統。實現航空發動機整機試驗的實時、遠程/近程、有線/無線等多種方式的試驗信息通訊和共享，為不同層次的試驗用戶提供所需的試驗信息，對發動機試驗形成多維度的高效測量、監視、控制和管理。

智能化就是基于整機試驗數據庫，運用試驗管理系統平臺，完成對發動機從試驗任務下達到試驗結果上報全過程的信息化管理。運用健康管理系統平臺，完成對發動機試驗安全和性能的控制和評估；運用智能控制系統平臺，完成對起動機、發動機、試驗設備等的自動控制和調節；運用試驗模擬仿真平臺，完成發動機整機試驗的模擬和仿真，實現數字化試驗研究，并依據物理試驗的整機試驗數據庫對其進行修正。

標準化就是將測控系統按功能進行分類，對輸入輸出接口進行標準化統一，確認系統標準配置功能模塊。數據結構統一，便于在行業內對于相同的發動機試驗的數據分析和比較，以及數據交流。接口統一標準便于硬件擴充和擴展。功能的標準化統一便于提高操作使用效率、規范系統。標準化工作在航空工業產品研制、生產、使用中起著無可替代的指導、規范作用[7]。

5 結束語

建立基于發動機整機試驗數據庫的一體化、信息化、網絡化、智能化和標準化的新型航空發動機整機試驗測控系統，是對航空發動機整機試驗試車臺建設和整機試車技術意義深遠地探索與嘗試，必將全面提升和促進試車臺建設和整機試車能力，也為航空發動機數字化仿真試驗奠定基礎。

[1]張寶珍，楊廷善，等.國外軍工產品試驗、測試與評價管理體系和先進技術研究[A].中國航空工業發展研究中心，2004.

[2]楊延善，蘇長萊，等.航空測控系統實用手冊[M].北京：航空工業出版社，1997.

[3]張津,洪杰，等.現代航空發動機技術與發展[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]王如根,高坤華.航空發動機新技術[M].北京：航空工業出版社，2003.

[5]吳行章.航空發動機試驗設備和測控技術發展趨勢[J].燃氣渦輪試驗與研究，1989（3）:59-63.

[6]吳大觀.航空發動機論文集[M].北京：航空工業出版社，2009.