數據采集系統在航空發動機試驗管理中的應用

王清

摘 要：民用航空發動機整機試驗臺作為承擔整機試驗的主要設備，直接關乎于試驗的效率、安全和質量。數據采集與控制系統是整機試驗臺的關鍵系統之一，在發動機整機試驗中作用舉足輕重。本文主要對民用航空發動機試車臺數據采集與控制系統設計進行分析探討。

關鍵詞：民用航空發動機;試車臺;數據采集;

0 引言

民用航空發動機研制具有周期長、難度大、測試要求高、設計迭代頻繁等特點，因此對整機試驗也提出了更高的要求。整機試驗臺作為承擔整機試驗的主要設備，直接關乎于試驗的效率、安全和質量。數據采集與控制系統是整機試驗臺的關鍵系統之一，在發動機整機試驗中作用舉足輕重。發動機研制周期長這一特點，導致測試設備需頻繁地更新換代，這對數采軟件的硬件兼容性、開發靈活性提出了更高的要求。

1 試車臺數據采集與控制系統概述

試車臺數據測量與數據采集與控制系統簡稱數采系統，用于采集、處理及顯示發動機試車數據及車臺設備的相關數據，由數據測量、采集、處理、顯示、存儲單元組成。

2 系統軟件組成及其功能

試車臺數據采集與控制系統軟件以滿足航空發動機試車需求為基本目的，專用于航空發動機試驗領域。從大的功能模塊上主要分以下部分：

①發動機油門桿操縱系統;

②數據采集硬件，用于完成發動機試車數據采集;

③試車臺設備控制系統，用于實現試車臺設備與發動機試車的協同控制;

④控制與顯示終端，用于提供發動機及設備的控制和監視功能。

整機試驗臺數采系統軟件主要功能包括：數采軟硬件的配置及維護;試車顯示界面的定義，數據記錄的定義，數據回放及后處理;試車控制、設備控制及試車過程中的報警監視。主要包括：

①數據采集和管理;

②報警與監視;

③與發動機控制單元的通信（FADEC、ECU、EDU）;

④發動機及設備的控制;

⑤油門桿集成;

⑥發動機性能計算;

⑦數據分析;

⑧試驗報告生成;

⑨系統與試驗配置;

⑩數據管理及后處理;

{11}操作日志管理。

3 系統硬件架構設計

為滿足民用航空發動機整機試驗需求，本文提出民用航空發動機試車臺數據測量與采集系統架構設計方案，該方案基于網絡化架構，具有最佳性能、高可靠性，并提供可用的模塊化性能，其數據采集、數據處理、用戶交互、可視化和控制均采用公認的行業標準分布式架構，由面向任務的專用計算機處理。系統采用分布式和模塊化設計，每個子模塊由專門的子系統管理，所有的子系統通過網絡總線進行通信。主要模塊功能如下：

①發動機試車數據采集裝置：負責將發動機所需采集的物理信號轉化為電信號，并將數據發布到數據總線上，供其它功能模塊使用和處理。

②設備控制系統：負責完成試車臺機電設備的電氣控制。該控制工作通過PLC控制器實現，并可通過控制臺的FCS計算機進行集中控制。工藝系統包括燃油系統、空氣起動系統、推力臺架系統、上部運輸系統、升降平臺系統、電機加載系統、液壓加載系統等。

③油門桿操縱系統：負責完成發動機的臺架供油操作。根據發動機ECU的不同，油門桿系統通常配置有油門桿、Actuator，Resolver，以滿足機械電調和FADEC電調的油門控制需求。相應地，數采軟件開發Resolver板卡的驅動程序，以完成配置和數據通訊工作。

④發動機控制系統：負責完成發動機的臺架控制。當前民機主流的FADEC系統主要采用ARINC 429，ARINC 664總線，數采軟件開發相應板卡的驅動程序，以完成配置和數據通訊工作。操作人員通過控制臺上的ECS計算機進行集中控制。

⑤采集工作站（Host Computer）：采集工作站接受各種信號，包括數字的、模擬的，并統一向數采總線發送數字數據。

4 系統主要硬件配置

4.1 數采柜

數采柜安置在設備間內，并且包含了很多用來測量和控制的電氣設備。數采系統儀表柜中的各種測量設備可以不間斷地掃描來自發動機和車臺的溫度、壓力、推力、轉速及振動等測試參數的信號。信號通過數采主機處理并顯示在控制間的控制臺上。

4.2 控制臺

控制臺包含有油門桿控制面板、ETF站、四臺CCTV顯示器、5臺試車控制電腦、對講機基站，CCTV控制鍵盤。

4.3 28VDC電源配電箱

28VDC電源配電箱通過28V直流電源獲取電源，并通過斷路器給各個系統和設備供電。FCS（設備控制系統）會監視除30A主斷路器以外的每一個斷路器。斷路器CB1-CB16若打開將報告電源丟失。配電箱中含有4路直流電流傳感器，用于測量供向發動機的電流，例如點火電流。

4.4 400Hz電源配電箱

400Hz電源配電箱通過28VDC電源配電模塊獲取電源，并給發動機點火系統、ARINC SYR和RVDT面板供電。到推力臺架的獨立電路是由PLC控制的，并且FCS系統監視每一個斷路器。

4.5 測量系統

測量系統里面有溫度熱電偶測量模塊（EX1000A-TC）、溫度熱電阻測量模塊（Gantner）、氣體壓力測量模塊（9116 Scanner）、液體壓力測量模塊（Honeywell Wet Transducer）。

①熱電偶測量模塊：EX-1000掃描閥用于熱電偶溫度測量，每個模塊有48個可配置偶型的通道，共9個模塊。熱電偶通道的檢查校驗使用多功能校驗儀;在通道檢查端插座處輸入相應偶型的信號，同時在數采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

②熱電阻測量模塊：Gantner掃描閥用于熱電阻溫度測量，每個模塊有4個通道，共13個模塊。熱電阻通道的檢查校驗使用精密電阻箱，在通道檢查端正確連接電阻箱，并按照電阻類型設置相應溫度對應的阻值，同時在數采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

③氣體壓力測量模塊：9116氣壓掃描閥用于氣體壓力測量，每個模塊有16個通道，共24個模塊。氣體壓力通道的檢查校驗使用壓力校驗儀，在通道檢查端按照量程輸入相應的氣體壓力，同時在數采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

④液體壓力測量模塊：FP2000液體壓力變送器用于液體壓力測量，共39個液壓傳感器，液壓測量箱位于發動機同一水平線上的試車間墻面上。另外燃油計量系統及推力校準系統各有一個液壓傳感器裝置。同氣壓通道的檢查一樣，液壓測量通道的檢查校驗也是使用壓力校驗儀，在通道檢查端按照量程輸入相應的壓力，同時在數采界面上檢查通道及顯示值是否正確。

5 結束語

數據采集與控制系統承擔著試車控制及數據采集、分發、分析、存儲等任務，是所有機電設備設施的“靈魂”。航空發動機試驗測試通道數高達上千個，信號類型囊括壓力、溫度、轉速、流量、應力、振動等多種信號。因此，依托民用航空發動機研制這一契機，吸收國外的先進設計理念，開發一款緊密結合民機航空發動機整機試驗需求的數據采集與控制軟件符合當前的產業發展趨勢。

參考文獻：

[1]雷利，馬昌.基于PXI的航空發動機數據采集與處理系統[J].工程與試驗，2015（02）.