基于VB的飛機電源系統(tǒng)控制與顯示半實物仿真平臺研究

牟宇皓 楊娟 王瑞欽 任禹 龔澤一

摘要：以波音737NG飛機電源系統(tǒng)供電邏輯為研究對象，分析供電網(wǎng)絡(luò)交流和直流分配原理及切換邏輯，采用VB.NET軟件編寫系統(tǒng)工作動態(tài)仿真程序，使用單片機COM通信實現(xiàn)VB上位機程序與1：1大小駕駛艙P5面板實物的動作聯(lián)調(diào)，從而實現(xiàn)波音737NG飛機電源系統(tǒng)原理展示以及駕駛艙操作與顯示功能展示。

關(guān)鍵詞：飛機電源系統(tǒng)；VB.NET；半實物；動態(tài)仿真

Keywords：aircraft electrical power system；VB.NET；semi-physical；dynamic simulation

0 引言

飛機維護工程是飛機整個運行周期內(nèi)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，維護工程師一般根據(jù)飛機維護手冊制定維護方案。手冊中一般不包含原理展示內(nèi)容。為了促進維護工程師對飛機電氣系統(tǒng)原理的理解，提高維護效率，需要制定飛機電氣系統(tǒng)模擬原理動態(tài)仿真系統(tǒng)以滿足需求。

飛機駕駛艙P5控制板位于駕駛員正上方，是控制飛機重要電氣設(shè)備的面板，具有對防冰排雨系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)等多個電氣系統(tǒng)的控制功能。P5控制板模擬實物使用單片機進行功能控制，并已預(yù)置特定顯示信號和開關(guān)觸發(fā)信號收發(fā)編碼。在使用P5控制板實物與上位機進行通信測試時，測試結(jié)果能夠完整符合已預(yù)置在單片機存儲內(nèi)部的通信協(xié)議邏輯。

VB.NET相比于前代產(chǎn)品VB6.0僅基于對象而言，具有完全面向?qū)ο蟮恼Z言優(yōu)勢，在編程中構(gòu)建基于.NET Framework運行應(yīng)用程序，可以通過調(diào)用系統(tǒng)命名空間Imports System.IO.Ports接管串口，實現(xiàn)與單片機的串口通信。本文通過研究飛機電源系統(tǒng)的工作原理，開發(fā)基于其原理的仿真程序，利用VB.NET中不同類型控件豐富程序的功能，實現(xiàn)飛機駕駛艙P5控制板與上位機的仿真聯(lián)調(diào)[1]。

1 飛機電源系統(tǒng)原理

1.1 飛機供電系統(tǒng)分配

飛機電源包括直流電源和交流電源，其作用是產(chǎn)生和輸送電能供給飛機上各種用電設(shè)備使用。現(xiàn)代化的飛機電源系統(tǒng)一般由主電源、二次電源、應(yīng)急電源和輔助電源組成。當(dāng)飛機冷啟動時僅有蓄電池供給的直流電源，利用蓄電池的電能可以啟動輔助動力裝置（APU），然后使用輔助動力裝置啟動雙發(fā)動機使飛機正常供電[2，3]。

飛機供電分配系統(tǒng)包括交流總線和直流總線，其供電分配結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，交流總線AC XFR BUS1和AC XFR BUS2從以下來源獲得電源[4]：交流轉(zhuǎn)換匯流條1（AC transfer bus 1）、交流轉(zhuǎn)換匯流條2（AC transfer bus 2）、地面電源匯流條1（Ground service bus 1）、地面電源匯流條2（Ground service bus 2）；直流總線從變壓整流器TRU（Transformer Rectifier Unit）直接獲得電源，其來源有：直流匯流條1（DC bus 1）、直流匯流條2（DC bus 2）、蓄電池供電總線（Battery bus）[5]。熱蓄電池匯流條（Hot battery bus）和熱蓄電池轉(zhuǎn)換匯流條（Switched hot battery bus）直接從主電池或者主要電池充電器獲得電源。

1.2 直流電源分配

由圖1可知，直流匯流條1從一號變壓整流器（TRU 1）獲得電源，且該匯流條還能夠通過匯流條連接繼電器（Bus tie relay）從2號和3號變壓整流器獲得電源，一般情況下該繼電器處于觸發(fā)狀態(tài)；直流匯流條2從2號變壓整流器獲得電源，如果2號變壓整流器失效，則3號變壓整流器提供電源，該匯流條也能夠通過匯流條連接繼電器從1號變壓整流器獲得電源[6]。

熱蓄電池匯流條通常從主電池或主電池充電器接收電源。在異常情況下，輔助電池（AUX BAT）和輔助電池充電器（AUX BAT CHGR）與主電池并聯(lián)連接，以協(xié)助供電。電池總線（BAT BUS）通常從3號變壓整流器獲電。如果3號變壓整流器沒有輸出，則電池總線從電池供電。當(dāng)電池電源開關(guān)打開時，熱蓄電池轉(zhuǎn)換匯流條可從熱蓄電池匯流條獲得電源[7]。

1.3 交流電源分配

交流發(fā)電系統(tǒng)是三相四線制系統(tǒng)，其額定電壓為115/200V，400 Hz。由圖1可知，交流傳輸總線接收來自外部電源（External power）、APU啟動發(fā)電機（APU GEN）、整體驅(qū)動發(fā)電機IDG（Integrated Drive Generator）的供電。系統(tǒng)的設(shè)計保證了兩個交流發(fā)電機不能同時向同一傳輸總線供電，但是一個交流發(fā)電機可以通過總線連接斷路器BTB（Bus Tie Breaker）向兩條傳輸總線供電，即單發(fā)失效時只靠一個交流發(fā)電機仍能保證飛機供電充足。主總線（Main Bus）和廚房總線（Galley Bus）從各自的交流轉(zhuǎn)換總線接收電源，當(dāng)這兩個總線負(fù)載超出運行功率極限時負(fù)載斷開繼電器將切斷電源，防止交流電源過載，總線電源控制單元（BPCU）控制卸載功能[8]。APU啟動發(fā)電機通過APU斷路器（APB）和必要的總線連接斷路器（BTB）為每條交流傳輸總線供電。APU可以在地面或在空中時為兩個交流傳輸總線供電。

若要使雙交流發(fā)電機供電時功率平衡，則需要自動并聯(lián)檢測電路。自動并聯(lián)檢測電路由變壓器B、二極管D1、電容C1、三極管T1及電阻R1、R2、R3組成，如圖2所示。當(dāng)并聯(lián)指標(biāo)符合要求時，T1集電極電位上升到一定值后才能經(jīng)過D2擊穿穩(wěn)壓二極管DW從而發(fā)出合閘信號，使發(fā)電機投入并聯(lián)工作。當(dāng)不符合并聯(lián)指標(biāo)時，T1集電極電位不足以將穩(wěn)壓管擊穿，不能向后續(xù)電路發(fā)出合閘信號。

2 VB仿真模型的構(gòu)建

項目仿真模型原理依托飛機電源系統(tǒng)工作原理完成，項目軟件制定依托Visual Studio 2017平臺完成。模型構(gòu)建思路如下：使用Picturebox控件存放指示燈圖片，通過圖片切換實現(xiàn)燈光亮暗效果；使用Button模擬按鈕效果，在Button的Backgroundimage屬性中添加合適的按鈕圖片，Button.click事件中觸發(fā)對應(yīng)供電事件，并將按鈕圖片鏡像顯示；使用Graphics類封裝繪畫圖面，添加畫筆，繪制通電圖形界面；使用If… Then…Else語句確定通電邏輯。串口通信思路如下：設(shè)置串口通信參數(shù)如波特率、奇偶校驗方式、數(shù)據(jù)位長度和停止位等；設(shè)定串口的數(shù)據(jù)發(fā)送方式；設(shè)定串口的數(shù)據(jù)接收和顯示方法；將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)并且顯示。總體構(gòu)建思路流程如圖3所示。

2.1 雙交流發(fā)電機供電仿真

供電面板初始狀態(tài)如圖4所示，圖4中位于GEN 1和GEN 2開關(guān)上方燈光全部亮起。TRANSFER BUS OFF亮起指示交流轉(zhuǎn)換匯流條沒有電源；SOURCE OFF燈亮起指示交流轉(zhuǎn)換匯流條沒有被選擇的激勵源激勵；GEN OFF BUS亮起指示發(fā)動機的交流發(fā)電機處于非供電狀態(tài)。發(fā)電機開關(guān)可用于手動選擇IDG電源，兩個GEN開關(guān)是三位開關(guān)。如圖5所示，將GEN 1和GEN 2開關(guān)置于ON位，若雙發(fā)動機的兩個IDG電能質(zhì)量合格，電力系統(tǒng)會首先移除當(dāng)前的電源并將這兩個IDG設(shè)為供電電源，GEN 1和GEN 2開關(guān)上方指示燈全部熄滅。

定義雙發(fā)交流發(fā)電機啟動開關(guān)為不同的Button，假設(shè)GEN 1對應(yīng)Button1，GEN 2對應(yīng)Button2。控制發(fā)電機匯流條的組件還有GCB（Generator Circuit Breaker）和BTB（Bus Tie Breaker）。定義這兩個斷路器的名稱為兩個不同的計時器Timer，并且給這兩個組件的標(biāo)簽Tag定義為0（關(guān)斷）和1（開啟）。BTB具有控制并聯(lián)供電的作用，當(dāng)交流發(fā)電機GEN 1的開關(guān)被瞬時撥至ON位，即Button的Click事件被觸發(fā)，由于為正常供電，將GCB1.Tag置為1，BTB1.Tag置為0。程序執(zhí)行當(dāng)GCB1. Tag=1且BTB1.Tag=0時的供電情況顯示。將GCB和BTB兩個跳開關(guān)設(shè)置為定時器能夠體現(xiàn)延時效果，增加仿真動畫層次感。

雙交流發(fā)電機皆開啟的仿真界面如圖6所示。圖6顯示的是左右發(fā)動機的交流發(fā)電機全部處于ON位的仿真圖。兩個交流發(fā)電機分別為左側(cè)和右側(cè)的主匯流條供電，當(dāng)兩個交流發(fā)電匯流條供電質(zhì)量檢測通過后自動并聯(lián)供電，且通過TRU實現(xiàn)變壓整流。

2.2 APU供電仿真

輔助動力裝置（APU）能夠給交流匯流條供電，可以暫時代替雙發(fā)交流發(fā)電機的功能。面板上存在兩個APU GEN是由于有兩個BTB控制對交流匯流條的供電。如果供電系統(tǒng)中兩個交流母線最初都沒有供電，或者外部電源是交流母線中唯一的電源，則兩個交流母線僅通過一個APU GEN開關(guān)獲得APU電源。如果交流母線使用兩個電源（如兩個IDG）提供原始電源，則只有使用的APU GEN開關(guān)位于同一側(cè)的交流母線才能使用APU供電。

將APU GEN撥至START位可直接啟動APU。設(shè)定APU啟動開關(guān)為Button3，左右兩個供電控制開關(guān)為Button4和Button5。當(dāng)未啟動APU時，設(shè)置Button4.Enabled和Button5.Enabled為False，啟動完成后，將其值改為True。當(dāng)APU開關(guān)處于如圖7所示位置時APU就能夠給其中一個主匯流條供電，另一個開關(guān)則控制另一個主匯流條的通斷，只要打開其中一個開關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)圖8的供電效果。

2.3 BAT供電仿真

蓄電池電源屬于直流28V電源。蓄電池電源開關(guān)被保護蓋保護在ON位，必須掀起保護蓋才能將其置于OFF位。當(dāng)蓄電池開關(guān)在ON位時，則下列部件和匯流條將被激勵：蓄電池?zé)崆袚Q總線、電池總線、交流備用總線、直流備用總線、P5-13顯示面板。

當(dāng)飛機全部電源關(guān)閉時，所有燈光系統(tǒng)熄滅。此時將蓄電池電源打開，則交流電源控制面板上左右兩列TRANSFER BUS OFF/SOURCE OFF/GEN OFF共6個燈光全部亮起，如圖9所示。設(shè)置蓄電池開關(guān)為Button6，開關(guān)打開時Button6. text=1，開關(guān)關(guān)閉時Button6.text=0。當(dāng)Button6.text=1且其他所有電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，設(shè)置上述6個燈光處于亮起狀態(tài)。具體方法是設(shè)置一個燈光對應(yīng)一個Picturebox控件，默認(rèn)設(shè)置其中的Image為某一燈光的亮度調(diào)暗圖，設(shè)置Brightness為10%，表示燈光熄滅；需要設(shè)置亮起時則寫入亮起的燈光示意圖，設(shè)置Brightness為110%。例如，設(shè)置第一個燈光對應(yīng)控件Picturebox1，先插入一個圖片列表控件Imagelist，向內(nèi)放置不同亮度的燈光圖，Image（0）對應(yīng)燈光調(diào)亮圖，Image（1）對應(yīng)燈光熄滅圖，則PictureBox1.Image = ImageList1.Images（0）。

當(dāng)飛機冷啟動時，交流供電系統(tǒng)不工作。正常情況下，需要先使用蓄電池啟動APU，利用APU啟動雙發(fā)動機，當(dāng)雙發(fā)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到58%左右時發(fā)動機啟動完成，使用雙發(fā)交流發(fā)電機供電。

3 飛機駕駛艙P5控制板與上位機聯(lián)調(diào)

飛機駕駛艙P5頭頂板模擬實物如圖10所示。該設(shè)備能夠還原737NG飛機面板上燈光動作和其他儀表動作，當(dāng)操作面板上有開關(guān)動作時，操作面板內(nèi)的單片機會檢測到該動作，向上位機發(fā)送該動作特定的通信協(xié)議代碼。如果使用上位機向P5頭頂板發(fā)送某一通信協(xié)議代碼，對應(yīng)電門、燈光或者儀表會做出代碼要求的響應(yīng)。

飛機駕駛艙P5頭頂板模擬實物單片機已經(jīng)寫入特定的通信協(xié)議（見表1），但該協(xié)議只能實現(xiàn)簡單的收發(fā)功能，如果需要觸發(fā)事件則需額外編程控制。

選擇串口通信波特率為15200（Baud），數(shù)據(jù)位為8，校驗位為“NONE”，停止位為1。開始進行上位機與P5頭頂板之間通信測試。根據(jù)表1“飛機駕駛艙P5頭頂板通信協(xié)議”，向上位機發(fā)送原始通信協(xié)議代碼“AAl0411”，匯流條轉(zhuǎn)換面板中“APU GEN OFF BUS”指示燈亮；將飛行操縱面板中“GEN1”開關(guān)從“OFF”位撥到“ON”位，P5頭頂板向上位機先后返回通信協(xié)議代碼“A5s0300”“A5s0302”，與“飛機駕駛艙P5頭頂板通訊協(xié)議”中預(yù)期結(jié)果相符，測試完成。

測試成功后，利用VB.NET調(diào)用系統(tǒng)串口實現(xiàn)通信。代碼開頭調(diào)用系統(tǒng)命名空間即Imports System.IO.Ports，定義com1為一個串行端口資源。在窗口事件加載過程中定義串行口資源的數(shù)據(jù)位和停止位為com1.DataBits=8和com1. StopBits=1。

設(shè)置數(shù)據(jù)接收事件名稱為com1_ DataReceived，在接收數(shù)據(jù)事件中利用comm.BytesToRead讀出需要接收的數(shù)據(jù)大小，在事先定義好的接收數(shù)據(jù)計數(shù)received_count變量中每接收一次數(shù)據(jù)計數(shù)一次。使用com1.read讀取緩沖數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)為16進制字符串[9]，根據(jù)需要可轉(zhuǎn)換為10進制。

設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)事件名稱為com-1send_click，由于發(fā)送數(shù)據(jù)需要單擊Send按鈕，故需要激發(fā)click事件。首先需要定義一個變量send_count統(tǒng)計發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。可以使用16進制發(fā)送，也可以使用ASCII碼直接發(fā)送，當(dāng)使用ASCII碼發(fā)送時直接讀取用戶輸入Textbox的信息，使用com1.WriteLine函數(shù)即可。

VB.NET串口通信程序的界面如圖 11所示。

4 結(jié)束語

參考文獻

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