發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李運(yùn)華，黎雯洋，車　鑫LI Yun-hua，　LI Wen-yang，　CHE Xin（中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李運(yùn)華，黎雯洋，車鑫
LI Yun-hua，LI Wen-yang，CHE Xin
（中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及故障情況，從而及時(shí)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部件的健康情況，提出了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)方案，該方案包括上下位機(jī)系統(tǒng)，綜合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、虛擬儀器儀表、以及總線測(cè)試等技術(shù)。最后經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證了上述方案的可行性。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；虛擬儀器；實(shí)時(shí)監(jiān)視；發(fā)動(dòng)機(jī)健康系統(tǒng)

0　引言

近年來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)（EHMS）監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)［1］。發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)在確保發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行安全的同時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、定位和修復(fù)故障，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的維修保障費(fèi)用。當(dāng)前，主流的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)都有發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，其關(guān)鍵功能就是采用各種監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的工作狀態(tài)和參數(shù)，完成在線的故障診斷、指示告警及數(shù)據(jù)記錄等，從而達(dá)到有效及時(shí)的查看發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)，且為地面故障診斷提供大量的飛行數(shù)據(jù)。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化和信息化水平的提高，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)均有獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)，如GE的GEnx，RR的Trent900等。EHMS通常由機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備兩大部分構(gòu)成［2］，機(jī)載設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力傳感器、加速度傳感器等信號(hào)的采集處理、故障診斷、狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、并將以上結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至地面設(shè)備。地面設(shè)備負(fù)責(zé)接收機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要數(shù)據(jù)，以及進(jìn)一步的歷史數(shù)據(jù)分析為維修保障提供支持，如圖1所示。

圖1　通用發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)（以Trent900示例）

本文基于目前主流的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中機(jī)載設(shè)備為發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視裝置（EMU），地面設(shè)備為便攜式維護(hù)終端（PMAT），共同實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)在線監(jiān)視功能。本文分別介紹發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控方案設(shè)計(jì)；發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控方案的實(shí)現(xiàn)，以及關(guān)鍵部件的軟件設(shè)計(jì)；經(jīng)過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

1　總體及硬件方案

本文所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)方案如圖1所示，該系統(tǒng)主要由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的EMU和監(jiān)視用傳感器，地面支持設(shè)備PMAT和地面站組成，其中EMU具有與電子控制器（EEC）和飛機(jī)的通訊功能。該系統(tǒng)運(yùn)行原理如下：EMU主要負(fù)責(zé)采集和處理監(jiān)視用傳感器的數(shù)據(jù)，以及接收EEC提供的燃油控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)氣路、燃/滑油、振動(dòng)，以及燃油控制系統(tǒng)工作參數(shù)的收集，并據(jù)此進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常判斷、初步故障診斷和數(shù)據(jù)保存，最后通過總線通訊，將相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給PMAT和面向飛機(jī)進(jìn)行指示告警。地面站作為地面支持設(shè)備的一部分，采用基于歷史數(shù)據(jù)的故障診斷域趨勢(shì)預(yù)測(cè)等算法，離線分析存儲(chǔ)于EMU的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，與此相關(guān)內(nèi)容，本文不作討論。

EMU作為機(jī)載設(shè)備，完成不同頻率信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理，尤其是高頻的振動(dòng)、滑油金屬屑信（采集頻率達(dá)40kHz），對(duì)處理器性能要求較高，因此采用了PowerPC處理器，且利用VxWorks操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)和數(shù)據(jù)管理功能。VxWorks支持優(yōu)先級(jí)搶占和時(shí)間片輪詢調(diào)度策略［3，4］，支持多任務(wù)操作和任務(wù)間通信，便于EMU的軟件設(shè)計(jì)。

地面支持設(shè)備PMAT作為EMU設(shè)備的上位機(jī)硬件平臺(tái)采用加固的便攜式計(jì)算機(jī)，利用RS-422串口或以太網(wǎng)通訊，實(shí)時(shí)地接收EMU發(fā)送的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并通過界面顯示出來。為獲取更高效地界面設(shè)計(jì)和更美觀的效果，上位機(jī)軟件采用虛擬儀器儀表技術(shù)，利用DevExpress控件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的界面，包括發(fā)動(dòng)機(jī)曲線圖，虛擬儀器儀表盤，顯示更加直觀，便于觀測(cè)。

2　軟件實(shí)現(xiàn)

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)方案

圖3　機(jī)載健康管理軟件任務(wù)分配

發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視功能包括兩部分：機(jī)載監(jiān)控軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件［5］，前者運(yùn)行于EMU中，其基于VxWorks Cert6.6操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集處理，以及監(jiān)視輸出。后者接收EMU實(shí)時(shí)傳輸?shù)谋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，利用數(shù)值、曲線或虛擬儀器儀表控件等多種形式顯示，此外具有數(shù)據(jù)保存和回放功能，以支持地面的數(shù)據(jù)分析。

2.1機(jī)載監(jiān)控軟件

EMU需要對(duì)氣路、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等信號(hào)的采集處理、并完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)和故障診斷，并將結(jié)果發(fā)送至PMAT及飛機(jī)。由于不同信號(hào)的采樣頻率、信號(hào)處理周期及算法不同，因此發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視裝置機(jī)載軟件首先要解決如何采集和處理信號(hào)、診斷故障、統(tǒng)計(jì)狀態(tài)的問題。

針對(duì)不同信號(hào)采樣頻率、信號(hào)處理周期、故障診斷周期、通信周期等時(shí)間性能的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控任務(wù)的設(shè)計(jì)分為周期任務(wù)和非周期任務(wù)兩大類。如圖2所示，周期任務(wù)根據(jù)信號(hào)不同的采集處理周期和不同功能模塊的處理時(shí)間要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速處理時(shí)間周期要求不高于20ms，振動(dòng)信號(hào)和金屬屑信號(hào)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間要求不高于100ms，監(jiān)控時(shí)間要求不高于200ms等，因此分別設(shè)計(jì)了20msTask，100msTask、200msTask等多個(gè)周期任務(wù)，各周期任務(wù)的基本功能如表1所示。而非周期任務(wù)用于完成由外部控制指令觸發(fā)的EMU設(shè)備維護(hù)功能，如EMU當(dāng)檢測(cè)到外部發(fā)送的單機(jī)維護(hù)指令而須運(yùn)行EMU單機(jī)維護(hù)軟件。

周期任務(wù)本質(zhì)上由同一時(shí)鐘源控制，每個(gè)任務(wù)綁定一個(gè)二值信號(hào)量，通過計(jì)數(shù)器來控制信號(hào)量的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)周期任務(wù)的調(diào)度。在任務(wù)并發(fā)運(yùn)行過程中，采用優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制進(jìn)行任務(wù)間的切換，設(shè)計(jì)原則為周期任務(wù)優(yōu)先級(jí)高非周期任務(wù)，而周期任務(wù)中截止時(shí)間越短的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，具體優(yōu)先級(jí)設(shè)置如表1所示。

表1　所分配任務(wù)情況

由于在線監(jiān)視數(shù)據(jù)是給飛行員或者試驗(yàn)人員觀測(cè)的，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的研究成果表明200ms的周期刷新數(shù)據(jù)是較為適合人眼觀察的，數(shù)據(jù)刷新周期太快，人眼無法分辨，達(dá)不到有效監(jiān)視的效果。因此，在線監(jiān)視數(shù)據(jù)的通信周期設(shè)置為200ms。為了方便數(shù)據(jù)組包，數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)根據(jù)不同信號(hào)周期分為20ms周期數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列、100ms周期數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列，在通信數(shù)據(jù)組包時(shí)分別選取20ms數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列和100ms周期數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列的最新數(shù)據(jù)。

2.2上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件功能和處理流程參如圖3所示，分為UI人機(jī)界面和后臺(tái)處理業(yè)務(wù)兩部分，兩者相結(jié)合完成接口配置、協(xié)議配置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障注入/激勵(lì)、以及數(shù)據(jù)回放等功能，其在滿足對(duì)EMU數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，還兼顧支持系統(tǒng)或軟件測(cè)試要求。

圖4　上位機(jī)監(jiān)控軟件功能和處理流程

與EMU通訊接口可以配置成以太網(wǎng)或RS-422串口。以太網(wǎng)配置參數(shù)包括IP地址和端口號(hào)；RS-422串口配置參數(shù)包括端口號(hào)、波特率、停止位和校驗(yàn)位等。以太網(wǎng)/RS-422協(xié)議包都由用戶定義。接口屬性和數(shù)據(jù)協(xié)議包都可定制，滿足系統(tǒng)移植性和適應(yīng)性要求。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用多種監(jiān)測(cè)方法，當(dāng)前數(shù)值、歷史數(shù)值表、波形圖、以及儀器儀表等形式，其中，波形圖和儀器儀表采用DevExpress控件實(shí)現(xiàn)［6］，開發(fā)快捷，且界面友好，部分儀器儀表盤效果圖如圖5所示。

圖5　儀器儀表效果圖

3　系統(tǒng)應(yīng)用

為了最大程度上模擬真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的真實(shí)工況，本文開發(fā)了EMU調(diào)試裝置和振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器給EMU提供傳感器信號(hào)和通信輸入，EMU完成信號(hào)采集處理、通信接收、在線故障診斷后，將結(jié)果通過RS422或者以太網(wǎng)發(fā)送至PMAT，PMAT將結(jié)果通過界面顯示出來，以便于觀測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理監(jiān)視系統(tǒng)環(huán)境圖如圖6所示。

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)視系統(tǒng)環(huán)境圖

其中，EMU調(diào)試裝置包括飛機(jī)模擬單元、發(fā)動(dòng)機(jī)及其接口模擬單元和電子控制器模擬單元三部分組成，其中飛機(jī)模擬單元主要模擬飛機(jī)與EMU的通信接口，暫時(shí)采用RS-422串口；發(fā)動(dòng)機(jī)及其接口主要模擬傳感器接口，為EMU提供模擬量輸入；而電子控制器模擬單元主要采用兩路RS-422串口分別模擬兩路EEC的通信接口。并利用振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器專門模擬振動(dòng)信號(hào)輸入，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)采集和處理功能。

在上述的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)平臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)依次經(jīng)過地面起動(dòng)、慢車、最大起飛，巡航等狀態(tài)，監(jiān)視曲線如圖7所示。此外，可以利用數(shù)據(jù)回放，查看整個(gè)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)，供離線分析。結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸通道能夠保證信號(hào)采集、傳輸?shù)囊恢滦浴?/p>

4　結(jié)論

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的基本功能，也是發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷最直觀最有效的手段。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載健康管理系統(tǒng)的要求，本文基于機(jī)載設(shè)備+地面系統(tǒng)的健康管理構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，機(jī)載設(shè)備采用VxWorks操作系統(tǒng)，合理創(chuàng)建任務(wù)，保證軟件的實(shí)時(shí)性；地面設(shè)備采用虛擬儀器儀表控件，界面友好，且配置便捷，能夠有效支持機(jī)載設(shè)備的軟件研制。本文提出的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)方案，經(jīng)過驗(yàn)證合理可行；為發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可行的方案和技術(shù)路線，并可進(jìn)一步豐富機(jī)載或地面的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷算法，使發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)功能更具有針對(duì)性和實(shí)用性。

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控

［1］ 孫斌，張紹基，孫津.發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷地面軟件系統(tǒng)的總體方案研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2000，02.

［2］ 黃猛，姜鳳，王俊莉.發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)健康診斷功能開發(fā)與設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2014（33）.

［3］ Wind River Systems，Inc.:VxWorks Cert Programmer's Guide，6.6.4.1［R］.Sep.2012.

［4］ 萬柳，蔡斌，郭玉東.VxWorks中信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信與同步機(jī)制分析［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報(bào).2004，02.

［5］ 劉成材，黃曉琪，郭宏志，張敏，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)滑油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2014（33）.

［6］ 張國梁.DevExpress圖表控件XtraCharts在監(jiān)控軟件中的應(yīng)用［J］.電腦與電信，2011（06）.

Design for real-time monitoring of aero engine

V241.02

A

1009-0134（2016）06-0032-04

2016-03-17

李運(yùn)華（1979 -），男，江蘇人，工程師，碩士，主要從事航天導(dǎo)航制導(dǎo)信號(hào)處理、以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理研究與應(yīng)用工作。