FADEC半實(shí)物仿真平臺測控系統(tǒng)設(shè)計

陳 盛

0 引言

航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，是決定航空發(fā)動機(jī)性能的一個關(guān)鍵功能系統(tǒng)，在航空發(fā)動機(jī)發(fā)展中占據(jù)了十分重要的地位。隨著電子集成化技術(shù)的飛速發(fā)展，使用全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)（以下簡稱 FADEC系統(tǒng)），以獲得易于操縱、便于維護(hù)、低燃油消耗、高性能的發(fā)動機(jī)，代表了發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向。采用更為先進(jìn)的控制模式和控制方法，對于提高航空發(fā)動機(jī)的性能來說是一件事半功倍的事情，然而先進(jìn)的控制模式和控制方法的實(shí)際應(yīng)用，絕非一項(xiàng)輕而易舉的工作，從方案論證到最終定型會歷經(jīng)多個研制階段，每個階段都需要開展大量的設(shè)計及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，其中應(yīng)用仿真試驗(yàn)技術(shù)，已逐漸發(fā)展成為研制工作的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

仿真技術(shù)是以控制論、系統(tǒng)工程技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和專業(yè)物理設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際或設(shè)想系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)研究的一門多學(xué)科綜合技術(shù)。它具有良好的可控性、無破壞性、安全、不受氣候環(huán)境限制、可多次重復(fù)和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。作為仿真技術(shù)的重要分支，半實(shí)物仿真涉及的領(lǐng)域極廣，包括機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、控制技術(shù)等。從某種程度上講，一個國家的半實(shí)物仿真技術(shù)的發(fā)展水平，代表其整體的科技實(shí)力，半實(shí)物仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)。

FADEC半實(shí)物仿真系統(tǒng)是由參試件（液壓機(jī)械裝置、數(shù)字電子控制器、傳感器等）、發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型及半實(shí)物仿真設(shè)備組成。由于盡可能多的導(dǎo)入了真實(shí)試驗(yàn)件，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)在半實(shí)物仿真系統(tǒng)上的工作情況與在真實(shí)發(fā)動機(jī)上的工作情況極為相似，通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)對數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計要求，可初步得出FADEC系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求的結(jié)論，并降低發(fā)動機(jī)試車風(fēng)險。

1 半物理仿真設(shè)備的組成

典型FADEC半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 典型FADEC半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)備主要由電氣傳動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、變幾何模擬系統(tǒng)、設(shè)備綜合管理系統(tǒng)、信號模擬系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成。

圖中電氣傳動系統(tǒng)主要用于驅(qū)動液壓機(jī)械裝置；燃油系統(tǒng)用于提供符合要求流量、壓力及清潔度的燃油；變幾何模擬系統(tǒng)用于模擬發(fā)動機(jī)導(dǎo)葉、壓氣機(jī)導(dǎo)向角度及噴口位移；信號模擬系統(tǒng)用于模擬采集發(fā)動機(jī)各截面參數(shù)的傳感器輸出信號；設(shè)備綜合管理系統(tǒng)完成設(shè)備檢查、啟停、監(jiān)控及運(yùn)行保護(hù)功能；測控系統(tǒng)主要完成試驗(yàn)設(shè)備及被試件狀態(tài)的采集，供發(fā)動機(jī)模型及設(shè)備綜合管理系統(tǒng)所使用。試驗(yàn)過程中各分系統(tǒng)接收發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型輸出控制相關(guān)設(shè)備到指定狀態(tài)，并改變參試件狀態(tài)，在此過程中發(fā)動機(jī)模型、各設(shè)備間的電氣連接，是實(shí)現(xiàn)仿真效果的重要環(huán)節(jié)。由于FADEC系統(tǒng)的特點(diǎn)，半實(shí)物仿真環(huán)境是油、氣、強(qiáng)電、轉(zhuǎn)動件復(fù)合工作環(huán)境，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備占地約有數(shù)百平方米，設(shè)備間距離長的有數(shù)十米，而且由于單一試驗(yàn)設(shè)備需要滿足同一系列FADEC系統(tǒng)驗(yàn)證要求，設(shè)備必須具備足夠的擴(kuò)展性和充分的可配置性。

2 ETHERCAT測控系統(tǒng)技術(shù)方案

半實(shí)物仿真平臺原來使用了基于 0槽控制器的集中式測控系統(tǒng)，各采集板卡一般是基于PCI、PXI或者VXI接口形式，各分系統(tǒng)信號均須用信號電纜匯總至測控計算機(jī)處，這一構(gòu)型存在的問題是信號電纜易受干擾，由于電纜數(shù)量多，維護(hù)難度大，擴(kuò)展成本高，可配置性差。隨著近年來，工業(yè)總線的興起，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)的大量使用，使半實(shí)物仿真平臺的有了更多選擇，通過對常用各類工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的分析比較，最終選定了ETHERCAT技術(shù)作為測控協(xié)議平臺，如表1所示：

表1 常用工業(yè)以太網(wǎng)參數(shù)比較表

Ethercat是一種實(shí)時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，采用主從介質(zhì)訪問方式，主站控制所有從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時讀取相關(guān)報文中的輸出數(shù)據(jù)，同時，從站的輸入數(shù)據(jù)插入到同一數(shù)據(jù)幀的報文中。當(dāng)該數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站并完成數(shù)據(jù)交換后，由 Ethercat系統(tǒng)的末端從站將數(shù)據(jù)幀返回，整個過程中報文只有幾個ns的時間延遲。另外，Ethercat幾乎支持任何拓?fù)漕愋停也皇芟抻诩壜?lián)交換機(jī)或集線器的限制，兩個設(shè)備間距離最大可支持1000m，十分符合航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺的需要。

基于EtherCat的仿真平臺如硬件構(gòu)架，如圖2所示：

圖2 仿真平臺硬件構(gòu)架示意圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

依據(jù)半實(shí)物仿真平臺功能劃分及軟件構(gòu)架，半實(shí)物仿真軟件系統(tǒng)主要由3部分子系統(tǒng)組成：測控采集子系統(tǒng)、仿真設(shè)備管理子系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)模型子系統(tǒng)。測控采集子系統(tǒng)完成基于Ethercat總線的各類數(shù)據(jù)采集及給定；仿真設(shè)備管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備邏輯控制、運(yùn)行監(jiān)控及狀態(tài)記錄；發(fā)動機(jī)模型子系統(tǒng)完成發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)行、顯示、操控及數(shù)據(jù)存儲。仿真平臺軟件構(gòu)架，如圖3所示：

圖3 仿真平臺軟件構(gòu)架示意圖

3.1 測控采集子系統(tǒng)

Ethercat提供的虛擬主站Twincat可取代常規(guī)的可編程控制器，測控采集子系統(tǒng)在Twincat基礎(chǔ)上完成各項(xiàng)測控功能，開發(fā)環(huán)境分別由完成變量定義的系統(tǒng)管理器（system mananger）及完成采集功能處理的軟 PLC組成，軟件主要開發(fā)工作集中在軟PLC環(huán)境下完成，軟件運(yùn)行周期為1ms。

軟PLC部分的軟件主要有下列模塊組成：開關(guān)量消抖模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、ADS通訊接口模塊。開關(guān)量消抖模塊實(shí)現(xiàn)5個運(yùn)行期的開關(guān)量輸入及輸出的軟消抖；數(shù)據(jù)處理模塊完成對于各類模擬量、開關(guān)量及多種通訊協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、濾波處理，通訊協(xié)議包括Profibus、CAN、RS-232/422、Ethercat-RT等；ADS通訊接口模塊主要完成軟PLC程序通過ADS與windows環(huán)境下設(shè)備管理子系統(tǒng)及模型子系統(tǒng)的接口工作，包括ADS通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護(hù)、當(dāng)期數(shù)據(jù)的打包及解碼、通訊指令的解析以及軟PLC運(yùn)行監(jiān)控字的獲取及維護(hù)。

3.2 仿真設(shè)備管理子系統(tǒng)

設(shè)備管理子系統(tǒng)按照運(yùn)行模式不同，可分為運(yùn)行期和配置期兩種模式，各模式下功能，如圖4所示：

圖4 設(shè)備管理子系統(tǒng)模式示意圖

設(shè)備管理子系統(tǒng)通過ads獲取采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要完成數(shù)據(jù)標(biāo)定、設(shè)備配置、設(shè)備控制、設(shè)備運(yùn)行期監(jiān)控、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲，并具備部分自動化試驗(yàn)功能，根據(jù)不同運(yùn)行狀態(tài)，將模塊功能劃分為配置期及運(yùn)行期，配置期主要子系統(tǒng)處于非周期運(yùn)行狀態(tài)，完成各類配置參數(shù)的修改，子系統(tǒng)在運(yùn)行期處于 20ms定時周期運(yùn)行狀態(tài)，定時基于windows多媒體定時器實(shí)現(xiàn)，主要完成設(shè)備邏輯處理、顯示及存儲等功能。

運(yùn)行期完成參試參數(shù)的標(biāo)定、監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)存儲，該部分功能較多，但各功能間界面較清晰，主要是分成了3層。首先是參數(shù)層，預(yù)計參數(shù)配置列表，對ads獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，完成標(biāo)定、采集數(shù)據(jù)分發(fā)及控制數(shù)據(jù)填充。第二層是邏輯層，依據(jù)采集數(shù)據(jù)表征的設(shè)備狀態(tài)，按照設(shè)定邏輯完成設(shè)備三級報警檢查、設(shè)備控制字生產(chǎn)及用戶操作指令響應(yīng)。第三層操作輔助層，主要完成用戶指令接口、參數(shù)及曲線繪制、報警信息顯示、數(shù)據(jù)存儲等。

設(shè)備管理子模塊涉及信號眾多，為提高程序結(jié)構(gòu)性及可復(fù)用性，打破了設(shè)備分類模式，按照信號類型統(tǒng)一進(jìn)行了處理。

3.3 發(fā)動機(jī)模型子系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)模型子系統(tǒng)，主要完成參數(shù)獲取、數(shù)學(xué)模型運(yùn)行、用戶操縱接口、數(shù)據(jù)存儲等功能。根據(jù)發(fā)動機(jī)模型不同的類型，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在微調(diào)。對于以dll/lib等庫文件形成的數(shù)學(xué)模型，模型子系統(tǒng)在 windows以多媒體定時器周期調(diào)用庫文件，而非庫文件則直接將模型改寫到軟PLC中，于測控采集子系統(tǒng)在同一層運(yùn)行，用戶接口及數(shù)據(jù)存儲等輔助功能，則保留在windows環(huán)境下。

4 實(shí)施結(jié)果

完成方案設(shè)計后，進(jìn)行了半實(shí)物仿真平臺的建設(shè)。建成的仿真平臺具有兩個Ethercat子網(wǎng)絡(luò)，累計具有模擬量采集130余路，開關(guān)量輸入300余路、開關(guān)量輸出40余路，模擬量輸出20余路，其它CAN、RS232/RS422、PROFIBUS等數(shù)字通訊通道10余路，各類參數(shù)采集及輸出運(yùn)行于1ms的軟 PLC環(huán)境中，用戶界面及功能模塊運(yùn)行于 20ms的win32環(huán)境中。

試驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定，通過測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各參數(shù)穩(wěn)態(tài)精度可滿足要求，設(shè)備運(yùn)行良好。5 結(jié)論

工業(yè)以太網(wǎng)因具有低成本、高時效、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，必將成為未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流，Ethercat由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性、實(shí)時性及對 windows環(huán)境的友好支持成為工業(yè)以太網(wǎng)的重要選擇。

本文構(gòu)建了完整的基于Ethercat總線的航空發(fā)動機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并投入實(shí)用，系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，系統(tǒng)構(gòu)架方案合理高效，各現(xiàn)場站點(diǎn)工作穩(wěn)定，可滿足仿真系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集的需要。

[1]王常力, 羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS) 設(shè)計與應(yīng)用實(shí)例[M].北京電子工業(yè)出版社, 2004: 386 - 390

[2]沈蘭蓀 數(shù)據(jù)采集急速[M].合肥 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 1990

[3]韓志峰, 宋執(zhí)環(huán).基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與分布式計算機(jī)系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報, 2006 , 6 (3) :885-889.

[4]姚 遠(yuǎn), 易本順, 等.基于 10/ 100M 網(wǎng)絡(luò)的嵌入式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用, 2004，24(S2) : 287-288.

[5]Beckhoff GmbH.Et herCAT - t he Et hernet fieldbus .[C]EthercAT Technology Group.2006.