飛機燃油系統(tǒng)模擬實訓(xùn)實驗臺系統(tǒng)設(shè)計

戚淑芬，王少坤

（青島科技大學(xué) 自動化學(xué)院，青島 266042）

飛機的燃油系統(tǒng)是保證飛機安全飛行的重要系統(tǒng)之一[1]。如何使得該系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行變得至關(guān)重要。作為飛機維護(hù)人員培訓(xùn)的核心部分，維修培訓(xùn)裝置的設(shè)計也非常重要。現(xiàn)有的教學(xué)實習(xí)主要是通過理論講解，再配以燃油控制系統(tǒng)的各種設(shè)備儀表認(rèn)知，對于線路布局、故障查找、隔離及排除等則無法實現(xiàn)，學(xué)員無法了解到真正的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，也不利于動手能力的提高，達(dá)不到培訓(xùn)的預(yù)期效果和要求。

本文設(shè)計的新型機務(wù)培訓(xùn)平臺，是要作為將外場工作中的基本工作流程遷移到實習(xí)培訓(xùn)過程中，本培訓(xùn)平臺貼近航空機務(wù)維護(hù)一線工作的要求，鍛煉學(xué)員的動手能力和故障分析能力，同時可以滿足各個不同層次的培訓(xùn)和考核的需要。本實驗臺的建立可大大提高本專業(yè)機務(wù)培訓(xùn)的水平與質(zhì)量，同時對于探索整機機務(wù)模擬器具有一定的參考價值與示范意義。

由于本設(shè)計方案具有成本低、耗時少、可行性高等優(yōu)點，并可以結(jié)合學(xué)員自身實際遇到的問題制定相應(yīng)的計劃[2]，故可切實地提高學(xué)員綜合排除維修故障的能力。該系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用當(dāng)中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

作為一種仿真培訓(xùn)裝置，該裝置以某型號戰(zhàn)斗機的燃油系統(tǒng)為設(shè)計原型，采用實物操作與軟件操作相結(jié)合的設(shè)計理念，開發(fā)過程以硬件搭建與軟件開發(fā)相結(jié)合。該系統(tǒng)對燃油系統(tǒng)控制的工作原理、通電檢查、故障排除和外場維修過程進(jìn)行仿真，其構(gòu)成包括：座艙模擬器、燃油系統(tǒng)操控屏、燃油系統(tǒng)設(shè)備模擬器和控制中心四個部分，其功能圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖Fig.1 System functions

在這四部分中，控制中心是核心，其主要的職能是與其它三部分進(jìn)行信息交換，并實時監(jiān)控全套設(shè)備的運行情況[3]，負(fù)責(zé)燃油系統(tǒng)操控屏和設(shè)備模擬器設(shè)置或者是恢復(fù)相應(yīng)的故障點，并接收它們的反饋信息；指令座艙模擬器和模擬屏進(jìn)行相關(guān)的故障顯示，接收它們的反饋信息，接收座艙模擬器或設(shè)備模擬器的自測試指令，檢測故障點信息，在座艙模擬器和電子設(shè)備艙模擬器中顯示測試結(jié)果，指令各部分進(jìn)行系統(tǒng)自測試，檢查故障診斷模擬機本身的故障情況[4]。

座艙模擬器的作用是當(dāng)有故障發(fā)生時，通過與系統(tǒng)控制管理中心的數(shù)據(jù)通信，顯示相應(yīng)的故障和警告提示，同時也是通電、功能檢查等的操作平臺。燃油系統(tǒng)設(shè)備艙模擬器主要是硬件仿真各種故障并可以實現(xiàn)相應(yīng)的機器自檢功能點，它通過與系統(tǒng)控制中心通信接收指令，設(shè)置、恢復(fù)和顯示故障點的故障狀態(tài)（LRU指示燈實現(xiàn)），反饋故障狀態(tài)信息給系統(tǒng)控制管理中心[5]，對系統(tǒng)工作過程進(jìn)行模擬和演示，同時也可用于故障的顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。管理層由學(xué)員機、教師機、中控機以及模擬屏組成，主要進(jìn)行命令的下達(dá)和對故障的設(shè)置與實時監(jiān)控[6]，由若干個設(shè)備模擬器和座艙模擬器組成，通過高速現(xiàn)場總線連接。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用西門子S7-300 PLC控制各原器件，基于現(xiàn)場Profibus-DP總線協(xié)議組建局域網(wǎng)，保證了監(jiān)控信號在橫向和縱向上的流暢傳輸[7]，同時具有足夠的帶寬和方便的擴(kuò)展性。

圖2 系統(tǒng)硬件組成Fig.2 System hardware design

2.1 主控臺

主控制臺以工控機為中心，由控制訓(xùn)練系統(tǒng)的主控軟件及高速通信卡組成，主控制臺主要完成以下工作：

（1）設(shè)備模擬器中仿真組件的動作控制和狀態(tài)監(jiān)控；

（2）座艙模擬器各組件控制和狀態(tài)監(jiān)控；

（3）系統(tǒng)組件的自檢。

主控制臺采用分屏顯示，通過投影儀顯示燃油系統(tǒng)電氣控制的原理電路圖，并能夠與模擬屏原理圖中的動作進(jìn)行協(xié)同。

2.2 仿真模塊

仿真模塊是系統(tǒng)中重要的組成部分之一，也是本平臺最大的設(shè)計創(chuàng)新點，用以完成燃油附件機理模擬、故障模擬以及線路故障的模擬，是實現(xiàn)該仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。仿真模塊具有軟件網(wǎng)絡(luò)與硬件網(wǎng)絡(luò)兩方面的功能：軟件方面，實現(xiàn)了狀態(tài)信息的接收、處理、執(zhí)行、發(fā)送等任務(wù)，為用戶提供方便的控制接口；硬件方面互聯(lián)與實際系統(tǒng)一致，實現(xiàn)故障模擬、接口狀態(tài)的設(shè)置、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理、信號接收與轉(zhuǎn)換，為操作維護(hù)訓(xùn)練提供有效硬件支持。

PLC受控于上位機接收動作指令后經(jīng)編程邏輯運算后的指令代碼下發(fā)到各個仿真模塊用以控制故障的發(fā)生，PIC單片機接受PLC下發(fā)指令代碼選擇不同的繼電器用以模擬不同的故障設(shè)置。仿真模塊的組成如圖3所示，繼電器完成狀態(tài)輸出，LED光柱可完成燈光信號的模擬，語音芯片可完成語音提示和告警功能，接口部分與實裝燃油附件完全一致[8]。

圖3 通用仿真模塊的組成Fig.3 Composition of the general simulation module

例如，2號油箱消耗艙的三相交流輸油泵仿真模塊，外接端口有5針，可以模擬真實三相電動機的正常運行情況和各種常見故障如短路、斷路、缺相等。從測量端口測量，管腳間電阻為零、管腳間電阻無窮大、管腳間電壓分別為零等。

2.3 座艙模擬器

座艙模擬器主要包括信號指示模擬板、斷路器模擬板、空中受油操作開關(guān)及信號、燃油系統(tǒng)檢查和控制操縱臺、燃油操縱盒、伙伴加油控制盒。

2.4 燃油系統(tǒng)模擬屏

綜合模擬屏采用大屏幕觸控屏，硬件結(jié)構(gòu)由55吋～70吋液晶顯示器和觸摸屏組成。燃油系統(tǒng)模擬屏用以顯示燃油系統(tǒng)各分系統(tǒng)的原理圖。原理圖中應(yīng)體現(xiàn)出相應(yīng)分系統(tǒng)的管路及控制附件，實現(xiàn)各分系統(tǒng)的原理控制以及與仿真單體或硬件設(shè)備的信息交換與顯示[9]。模擬屏通過對相應(yīng)燃油附件觸控的方式進(jìn)行交互式操作和故障排除，并能夠與燃油系統(tǒng)設(shè)備模擬器進(jìn)行同步交互式互動。在模擬屏上可以實現(xiàn)模擬燃油控制系統(tǒng)的工作過程、燃油或氣體流向、排故流程、通電過程等，并可以交互式顯示燃油附件的外形及其結(jié)構(gòu)。

2.5 教員控制臺

教員控制臺包括一臺計算機終端、打印機、桌子和椅子。教員用教員機 （擁有較高的權(quán)限）來完成以下工作：

（1）監(jiān)控整個訓(xùn)練過程；

（2）進(jìn)行故障設(shè)置和取消；

（3）對學(xué)員的訓(xùn)練情況進(jìn)行打分和評審；

（4）查看訓(xùn)練記錄。

2.6 學(xué)員操作臺

學(xué)員操作臺由多臺計算機終端組成，功能是培養(yǎng)學(xué)員具體燃油操作、故障診斷等技能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用C#與MOVICON新款組態(tài)軟件搭建出具有3D效果的人機界面與演示畫面，采用PLC技術(shù)實現(xiàn)各器件的電氣邏輯控制，采用原理仿真技術(shù)實現(xiàn)對電路板的物理器件故障的仿真，采用故障樹的形式將案例庫存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中，采用SQL Server安全登錄模式，確保信息的安全性。

以圖4為例來介紹該系統(tǒng)學(xué)員席端和教官席端各自可以使用的功能權(quán)限。學(xué)員席端可以申請新用戶、個人信息管理、查看個人成績、查看已學(xué)案例、排除故障、訓(xùn)練保存等。教官席端則比學(xué)員席端擁有較大的優(yōu)先權(quán)與功能權(quán)限如選擇訓(xùn)練案例、評定學(xué)員成績、設(shè)置故障等。

圖4 系統(tǒng)功能圖Fig.4 System function diagram

此外，該系統(tǒng)還建立了數(shù)據(jù)庫用以存儲標(biāo)準(zhǔn)案例庫、系統(tǒng)的各種歷史參數(shù)、學(xué)員操作及成績[10]。數(shù)據(jù)庫提供開放的 OPC（OLE for process control），對象的連接與嵌入在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用接口，保證信息的共享性。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的控制理念與技術(shù)，以PLC為控制核心，合理的布局各仿真單體的位置并結(jié)合飛機特有的性能與常見故障進(jìn)行模擬實驗，以使學(xué)員能夠身臨其境的進(jìn)行排除故障與檢測，同時又彌補了傳統(tǒng)訓(xùn)練模式的一些缺點，如訓(xùn)練飛機少、維修費用高、故障風(fēng)險大等。

為了使設(shè)計能夠與時俱進(jìn)，滿足新型飛機燃油系統(tǒng)出現(xiàn)的新問題，還設(shè)計預(yù)留了一些未編程的故障發(fā)生器以供后人可以結(jié)合新型飛機出現(xiàn)的新型故障來進(jìn)行編程控制。該系統(tǒng)還可以對各種參數(shù)（例如油耗參數(shù)）等進(jìn)行深入研究，以改進(jìn)優(yōu)化現(xiàn)役飛機的燃油系統(tǒng)，使得學(xué)員能夠綜合全面地掌握飛機燃油系統(tǒng)的故障原理與解決方案。總之，該系統(tǒng)成本低、研發(fā)時間短、大幅度提升了培訓(xùn)質(zhì)量。

[1] 朱大奇.航空電子設(shè)備故障診斷新技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2002.

[2] 張東.發(fā)動機主燃油控制系統(tǒng)建模仿真與試驗驗證[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008．

[3] 莫太平，吳正高.基于Profibus-DP的智能從站接口設(shè)計與應(yīng)用[J].自動化與儀表，2012，27（9）：29-33.

[4] 羅孝兵.航空電纜故障自動檢測集成系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2003，16（3）：5-7.

[5] 喬亞瓊.飛機燃油系統(tǒng)智能化故障診斷方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．

[6] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[7] 劉明，朱其剛，李世光.基于CAN總線驅(qū)動器PCA82C250的多主結(jié)構(gòu)分布式工業(yè)測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].電氣自動化，2006，28（2）：130-131.

[8] 萬文彬.電控發(fā)動機故障診斷平臺設(shè)計及其試驗分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005.

[9] 全厚德.C3I系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報，2005.

[10]袁孝純.現(xiàn)場總線Profibus-DP與CAN互連的轉(zhuǎn)換接口設(shè)計[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2007.