航空發動機電氣附件導通性測試系統設計

孫兆榮 袁少帥 楊永飛

摘 ?要： 為了滿足民航發動機維修需求，提高維修的可靠性及效率，降低維護成本，該文設計用于民航發動機電氣附件導通性測試的自動測試系統。該系統包括硬件設備及軟件控制系統。硬件系統包括低阻測量模塊、動態組合切換模塊、控制模塊及轉接線纜等，信號傳輸以PXI和LXI總線技術及網絡協議為紐帶，采用模塊化的設計;軟件系統基于LabVIEW平臺開發，基于不同發動機機型數據庫，完成硬件模塊間的相互通信、導通性測量操作邏輯、導通性測量回路的切換、人機交互及用戶管理。該系統已在發動機維修單位投入使用，良好地完成了電氣附件導通性測試功能，能實現不同發動機機型的測試需求，可實現整機的自動測試，測試精度與測試速度得到大幅提高。

關鍵詞： 航空發動機; 電氣附件; 導通性測試; 系統設計; LabVIEW; 發動機機型數據庫

中圖分類號： TN928?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0011?05

Abstract： An automatic test system for continuity testing of electrical accessories in civil aeroengine is designed in this paper to meet the maintenance requirement of the civil aeroengine， improve the maintenance reliability and efficiency， and reduce the maintenance cost. The system consists of the hardware equipment and software control system. The hardware system includes the low?resistance measurement module， dynamic combination switching module， control module and transfer cables. Modularized design is adopted for the signal transmission which takes the PXI and LXI bus technologies and network protocol as the link. The software system is developed based on the LabVIEW platform. The mutual communications between hardware modules， operation logic and loop switch of continuity measurement， human?computer interaction and user management are completed based on the database of different engine types. The system has been put into use in engine maintenance units， which can well complete the continuity test function of electrical accessories， and realize the test requirements of different engine types and automatic test of the whole engine. The tested accuracy and speed are greatly improved.

Keywords： aeroengine; electrical accessory; continuity test; system design; LabVIEW; engine type database

0 ?引 ?言

目前民航噴氣式發動機運用了大量的電氣附件，主要包括供電單元，如整體驅動的主發電機、交流永磁發電機，還包括用電設備，如點火激勵裝置、火警探測器、活門作動部件、電磁閥，用于測量位移、流量、壓力、溫度、速度、油量等傳感器。普惠公司某型號發動機的電氣附件分類如表1所示。航空發動機的電氣附件種類繁雜，并且電氣線路的連接錯綜復雜。電氣附件安裝的環境十分惡劣，既有高強度的振動、驟變的溫度，還有燃油、滑油等的腐蝕，都可能引起電氣附件可靠性的下降。如果出現電氣短路、線路老化、接觸不良等故障，都會引起電氣附件導通性的變化[1]。機載電氣附件的性能將會影響航空發動機的運轉和實時的狀態監控，影響發動機的電源及氣源的輸送，因此，電氣附件的性能對飛機的可靠性來說是至關重要的。

多數民航發動機的電氣附件數量都在百個以上，每個電氣附件的測試端不止一對，并且某些電氣附件需要通過極性互換完成導通測試。人工測試耗時長，需要測試人員完全值守，實現所有測試線路進行的100%測試[2]。如此一來，無論對于勤務要求還是電氣化日趨強大的發動機，人工測試已經完全不能滿足要求。因此，民航發動機電氣附件導通測試的自動測試設備的研制具有良好的市場和經濟價值。雖然國內外已經有很多相關的自動測試系統，國外的產品成熟性能可靠，但售價很高[3?4];國內的一些設計受架構制約，偏向于特定任務的專用設備，不太適合民航多機型擴展的要求[5?7]。本文設計一套基于目前較先進的主流測控技術標準的測試設備，方便功能擴展及后續升級，延長設備的使用壽命。

表1 某型民航發動機電氣附件的分類統計表

1 ?硬件系統設計

根據自動測試系統需求，硬件系統設計采用LabVIEW、以太網、LXI、PXI等總線技術。通過更換測試系統與發動機之間的連接電纜和切換數據庫，實現對不同機型航空發動機電氣附件自動進行導通性測試。

1.1 ?硬件的選型及連接

測試系統硬件結構如圖1所示，其由工控機、數字萬用表、矩陣開關、打印機、電纜等組成。為了方便功能的擴展和提高開發效率，硬件選擇標準的PXI總線或LXI總線的測控儀器板卡[8?9]。工控機選擇NI公司的PXIe機箱和PXIe控制器;數字萬用表選擇NI公司板卡，具有7位半的分辨率，可采用四線制或兩線制進行導通電阻測量;矩陣開關選擇Pickering公司的高電壓矩陣開關，最多可連接300個測試點，通過LXI總線與工控機通信。

硬件系統內部構成如圖2所示，將PXI數字萬用表卡的DMM+，DMM-，S+，S-四個測量端子分別與電壓矩陣開關X通道的固定端子連接。矩陣開關的其他X通道分成4組線束，分別連接在4個轉接頭上，通過轉接線纜及航空插頭連接發動機上的被測電氣附件。每根轉接線纜在發動機吊艙及EEC位置，按發動機測試數據庫設計規則將測試轉接線纜拆分成若干組，分別與發動機的EEC插頭、吊艙的航空插頭進行對接，實現電壓矩陣開關與被測電氣附件的連接。

圖1 測試系統硬件結構圖

圖2 電氣導通性測試接線圖

1.2 ?硬件系統的工作原理

工控機上的測試軟件通過LXI總線技術經路由器依次控制矩陣開關中設定的繼電器閉合形成測量回路，并通過PXI總線控制PXI?4071數字萬用表卡讀取導通電阻值返回到測試軟件中進行故障判斷。測試軟件將測量值和故障信息存儲在數據庫中，通過打印機打印成報表。

針對有些發動機電氣附件導通性測試任務有對極性電容、二極管等極性元件進行表筆正反互換的測量要求，以及對不同導通電阻需要使用兩線制測量或四線制測量的要求，在測試系統設計時針對電壓矩陣開關設計了一套實現萬用表紅黑表筆互換以及矩陣開關任意相鄰縱向通道建立兩線制測量回路或四線制回路的方法，提高了測試系統連線的靈活性。

2 ?軟件系統設計

測試系統軟件設計基于LabVIEW平臺，可實現電氣附件導通測量、故障自動判斷、測試數據記錄、人機交互、報表及工單打印等功能。NI公司的LabVIEW軟件是一種圖形化的編程軟件，集成了各領域的函數庫，在系統測試、儀器測量等領域得到了十分廣泛的應用。軟件系統主要包括主程序模塊、自檢模塊、導通測量模塊、用戶管理模塊、數據庫管理模塊、報表生成模塊、工單打印模塊、萬用表校驗模塊等。

2.1 ?測試軟件主程序設計

測試軟件主程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件主程序流程圖

測試軟件主程序開始后，打開登錄子程序進行使用權限檢查。如果有軟件使用權限，會彈出主程序前面板，并且在數據庫中生成一個新的記錄表。該記錄表在記錄測試數據的同時，實時地將測試值返回測試界面的前面板進行顯示。在生成報表時，報表生成模塊將測試數據庫中的測量結果進行打印。用戶可以根據需求在主界面上選擇實現萬用表卡校驗功能、自檢功能或測試功能。如果執行導通測量功能，程序執行時自動將測試結果插入到測試數據庫。測量結束后，自動彈出測試完成窗口，測試界面的控件復位。結束測試任務后，程序自動啟動報表生成程序，讀取寫入到測試數據庫的測試數據，并生成Excel報表，同時提示是否打印，執行完打印功能后測試功能程序關閉并退出。

2.2 ?測量程序設計

導通性測量程序流程圖如圖4所示。測量程序先根據機型和導通測量任務ID生成索引，在數據庫的硬件配置表中找到對應的矩陣開關和數字萬用表的配置信息，然后依此初始化矩陣開關和數字萬用表。矩陣開關按照配置信息閉合選定的繼電器以形成兩線制或者四線制測量回路，數字萬用表按照配置信息自動選擇測量方式和量程，然后測量導通電阻值并將測量結果連同任務信息一起插入數據庫的記錄表中，最后硬件和軟件復位。用戶可以在軟件前面板選擇手動單步測試或自動測試，選擇自動測試時會將該型發動機的所有導通測量任務遍歷一遍。

圖4 導通性測量程序流程圖

2.3 ?數據庫管理程序設計

數據庫管理程序完成新測試表格創建、測試數據插入和測試數據讀取等主要功能。數據庫管理程序開發基于LabVIEW的ADO數據庫VI控件，實時記錄導通測量的測試數據，并實時讀取顯示。數據庫創建連接后，根據機型打開給定路徑的Access數據庫，利用SQL語言實現數據庫的操作，包括新表創建、數據插入、數據讀取等，操作完成后關閉連接。進行數據庫讀取時，數據將從數據庫返回。數據庫相對路徑是通過拆分數據庫管理程序的給定路徑獲取，利于數據庫的復制與移植。系統軟件控制功能、導通測量功能和報表生成功能通過調用數據庫管理程序實現對數據庫的操作。

2.4 ?自檢程序設計

自檢程序主要用來檢查矩陣開關所有繼電器是否都能正常閉合，數字萬用表是否能正常工作。設備自檢時需要在轉接頭上接一個標準電阻陣列，自檢程序掃描矩陣開關所有的繼電器并將自檢結果以Excel表格的形式輸出。

2.5 ?測試報表生成程序

測試報表生成及工單打印功能是將測量結果輸出為Excel表格，并以設計模板打印工單。程序運行時，首先創建新的Excel空白表格，按照測試功能+測試方式+測試時間自動命名。選擇測試機型、測試人員及自動讀取測試時間等內容，相應的測試信息將從數據庫中讀取并插入到新建Excel表中。打印機屬性中設置頁面自動縮小，打印方向為橫向。按下打印按鈕時將彈出是否打印的詢問窗口。如果選擇打印，測試表格將被打印，然后自動關閉程序;如果選擇否，程序將直接關閉并退出。

3 ?實 ?驗

在民航發動機維修車間對某型民航發動機的傳感器、作動器等電氣附件進行測試，如圖5所示，并對測試設備進行精度實驗和自動測試的速度實驗。

圖5 現場測試

航空發動機電氣附件導通測試中，同時對發動機的134項任務進行順序測試。根據布線及矩陣開關插針分布配置數據庫中的矩陣開關與萬用表卡的配置信息，通過測試系統軟件遍歷測試所有部件，對比配置數據庫中預期數值與測試報告中的測量值，部分測試數據如圖6所示。測試結果均在測試要求范圍內，證明配置信息無誤，測試設備正常，同時發動機電氣附件無異常。

在精度驗證實驗中，采用標稱阻值分別為1 Ω，2.2 Ω，3.3 Ω的電阻各3個，180 Ω，360 Ω，1 kΩ的電阻各2個。標稱電阻1 Ω的電阻標稱相對誤差為1%，其余電阻的標稱相對誤差為5%。為了保證測試條件的一致性，采用四線制測量法，手動單步測量所有的標稱電阻，其測試結果如表2所示。根據測試結果計算出測試系統的相對誤差為0.64%，相對誤差的標準差為0.27%，滿足民航發動機手冊中對電氣附件導通測試的精度要求。

圖6 某型發動機電氣附件導通性測試數據

表2 導通測試系統的精度測試結果

4 ?結 ?論

自動測試的速度實驗中，使用上述測試設備的自動測試功能對某型民航發動機進行電氣附件導通測試，能在20 min內完成134項導通性測量任務，測試結束后能自動生成并打印測試報告，大大提高了測試效率。該設備可用7位半的分辨率，在10 mΩ～2 MΩ的范圍內對導通電阻進行高精度測量。可以通過在數據庫中添加新機型的測試設置表和更換適配電纜來擴展可測量的發動機型號。LabVIEW虛擬儀器技術能方便地支持新的硬件模塊，以擴展新的功能，體現了測試時間短，測量精度高，擴展性強的優點。

參考文獻

[1] 王俊莉，彭仁強.俄式發動機電氣故障靜態診斷系統研制[J].測控技術，2013，32（z1）：227?229.

WANG Junli， PENG Renqiang. Development and research on Russian aero?engine electric diagnostic system [J]. Measurement & control technology， 2013， 32（S1）： 227?229.

[2] 吳明果.整機電纜綜合測試系統設計[D].成都：電子科技大學，2007.

WU Mingguo. Design of integrated test system for whole machine cable [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2007.

[3] 歐陽煒.航空電纜檢測技術的應用與發展[J].科技信息，2013（24）：467?468.

OUYANG Wei. Application and development of aero?cable detection technology [J]. Science & technology information， 2013（24）： 467?468.

[4] 張汝韜，林暉，王烜.WEETECH W454線纜測試實驗臺配置方法[J].產業與科技論壇，2013，12（13）：86?87.

ZHANG Rutao， LIN Hui， WANG Xuan. WEETECH W454 configuration method of cable test table [J]. Industrial & science tribune， 2013， 12（13）： 86?87.

[5] 樊華.航空電纜綜合測試系統的研究[D].西安：西安石油大學，2012.

FAN Hua. Research of aviation cable integrated test system [D]. Xian： Xian Shiyou University， 2012.

[6] 楊建.某型殲擊機電氣盒綜合檢測評估系統中檢測控制部分研制[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2011.

YANG Jian. Design of detecting and control in comprehensive detection and evaluation system for electrical boxes in some fighter aircraft [D]. Shenyang： Shenyang Aerospace University， 2011.

[7] 曹成俊，張宏偉.自動測試系統中的總線技術[J].現代電子技術，2008，31（14）：159?163.

CAO Chengjun， ZHANG Hongwei. Bus technology in the ATS [J]. Modern electronics technique， 2008， 31（14）： 159?163.

[8] 徐昕，徐瑋，肖勇.LXI總線接口的設計及其在軍用測試系統中的應用[J].計算機測量與控制，2009，17（10）：1996?2000.

XU Xin， XU Wei， XIAO Yong. Design of LXI bus interface and its application in military testing system [J]. Computer measurement & control， 2009， 17（10）： 1996?2000.

[9] 黃韜，彭剛鋒，樊江峰.LXI：新一代測試總線技術[J].航空計算技術，2007，37（1）：106?110.

HUANG Tao， PENG Gangfeng， FAN Jiangfeng. LXI： a next?generation bus technology [J]. Aeronautical computing technique， 2007， 37（1）： 106?110.