燃油調節器智能驗收試驗系統硬件設計研究

郭 碩 杜 鑫 盛世偉 紀艷麗 武忠華 張九象

（中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司，北京 102200）

燃油調節器是航空發動機燃油控制系統的核心部件，可以實現燃油的計量、燃油通斷控制和導葉位置控制[1]。它的主要功能包括保證向燃燒室輸油、供油量的調節和導葉桿伸縮長度的調節，保證發動機的穩態和過渡態控制，協調雙發轉速，進行自由渦輪超轉控制和限制燃氣溫度[2]。它的精度、準度及響應時間直接影響發動機性能，進而影響飛機飛行的安全性和穩定性[3-5]。我國航空事業迅速發展，對航空發動機制造提出了更高要求。作為航空發動機的核心部件，燃油調節器驗收的質量和效率均能直接影響航空發動機的整體性能和驗收進度。

燃油調節器試驗臺是燃油調節器的性能調整、檢測和驗收平臺。目前，燃油調節器驗收試驗需要通過人工手動方式對產品性能的相關參數進行測試和現場確認，同時要對驗收結果進行手工記錄。整個驗收過程存在效率較低、測試精度不高、自動化程度低以及工作強度大等諸多問題，嚴重影響了產品的驗收質量和效果，急待改善和提高[6-9]。

基于此，本文針對某典型燃油調節器試驗臺具體工況，制定了智能化自動系統優化方案，主要包含執行系統電控化設計、控制系統自動化升級、安全監控系統設計以及數據管理系統配置設計，可為燃油調節器的自動化驗收試驗和自動化調試試驗新技術的發展提供技術參考。

1 智能化測試系統硬件設計

根據某燃油調節器試驗臺的被試產品驗收功能進行優化設計，主要通過執行系統電控化設計、控制系統自動化、安全監控系統設計以及數據管理系統配置4 方面來對試驗臺的智能驗收試驗系統進行設計[10-13]。

1.1 執行系統電控化和控制系統自動化設計

燃油調節器試驗臺采用模塊化設計方案，在液壓模塊、溫控模塊、氣源模塊、負載模塊、傳動模塊以及數采和控制模塊中實現全功能電控方式，從而為遠程控制提供硬件基礎。測試終端效果，如圖1 所示。

試驗臺執行元件主要包含電機、增壓泵、流量調節閥、壓力調節閥以及液壓缸等。運行過程中，試驗臺采用變頻器控制電機轉速和轉向；液壓模塊中，增壓泵壓力和流量采用變頻閉環控制技術；各調節閥門選用高控制精度電液比例閥，采用PID 閉環技術調節閥芯位置，通過壓力閉環實現液壓缸所提供的模擬負載力控制。

作為控制系統核心部件，控制器與測控系統遵循用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）協議進行通信，實現控制信號的上位機給定。控制器設計自動標定閥芯最大/最小位置邏輯程序。以電流方式給定伺服閥開度，并實現開環和閉環兩種控制模式。采用時間延時與反饋信息判讀方式實現流量滯環試驗。程序內嵌入控制器，自動給定轉速和閥芯位置，在流量升程和流量降程中自動測試流量數據并生成流量曲線，并記錄差值和輸出報告。控制器通過采集板卡實現了測試，并生成給定“時間-給定電壓-出口油壓”曲線，建立了動態響應性能測試等功能，可實現停車響應、轉換響應以及啟動響應等動態性能測試。

基于高速數據采集板卡建立的數采系統，可將采集信號上傳至上位機，并對執行元件進行信號輸出。傳動系統中，西門子電機控制和回采信號由西門子變頻器通過工控機進行控制。各采集信號如扭矩、溫度、振動及轉速等，由數采系統進行自動化監控。

1.2 安全監控系統設計

為保障智能化驗收試驗過程中的設備安全和人員安全，防止被試產品損壞，需設計試驗過程中的安全保護措施。

1.2.1 視頻監視系統

4 臺防爆攝像頭分別監控被試產品、液壓區、操作臺和動力間實時狀態。攝像頭數據、主控程序試驗界面數據及控制器試驗界面數據，經過海康威視的視頻編碼器通過傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），傳送至數據管理系統控制終端，既可保證操作人員監控試驗狀態，又可實現試驗過程數據的存儲和處理。

1.2.2 安全邏輯及報警

通過邏輯電路或液壓系統安全泄壓結構對試驗臺、被試產品及試驗人員進行保護。例如，超溫、超壓、超轉、流量異常、液位異常、振動異常、油霧濃度異常以及氣壓異常時，通過邏輯電路或安全閥進行排油、冷卻、聲光電報警或停機。

1.2.3 遠程急停系統

遠程急停系統為試驗臺自動驗收試驗安全運行的最后保障，主要由急停可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、停機交換機及控制終端急停按鈕組成。為保障系統24 h 無故障待命運行，遠程急停系統與測試系統獨立設計、獨立運行。

當試驗臺控制系統出現卡滯、崩潰、死機等極端情況時，自動驗收試驗、遠程操作將受到致命打擊，此時極易出現控制終端無法操控試驗臺的情況。試驗臺在不受控狀態異常運行，此時試驗員應立即啟動控制終端急停按鈕進行停機處理，保障極端情況下設備、人員及產品安全。控制終端急停系統，如圖2 所示。

1.3 數據管理系統配置

1.3.1 服務器與網絡配置

服務器需滿足百臺試驗品數據同時實時傳輸、處理需求，配置參數Xeon 3.0Gx1，內存2 GB，硬盤73GX3.RAID5。每臺測試終端分配4 個獨立網絡地址接口，用于試驗臺通信、數據管理系統主機通信、攝像頭主機通信和急停系統PLC 通信。終端主界面“網絡配置”功能模塊設置與服務器的連接信息，包括服務IP、端口及名稱等。

1.3.2 交換機

試驗臺測試終端與控制終端通過交換機和網絡進行數據互交，實現實時數據上傳和控制信號下發。所使用的交換機為華三S5560-54S-EI 型交換機，48 個以太網端口，滿足萬兆上聯骨干網、千兆到桌面的遠程集中控制需求。

1.3.3 控制終端

通過SCAD 平臺建立自動交付控制終端。控制終端通過網絡與交換機進行信號交互，同時將試驗臺實時數據存儲并上傳至服務器。每個控制終端含有2 個獨立的網絡端口，分別用于與服務器和急停PLC 進行數據傳輸。

2 實施效果

智能化自動化驗收試驗包含流量檢測、壓力檢測、響應時間檢測、LVDT 位置檢測和流量滯環測試5 種類型。流量/壓力檢查是指在給定條件下檢查調節器某流量/壓力或壓力差值是否在合格范圍內；響應時間檢查需在給定條件下檢查某些參數變化時間是否在合格范圍內；LVDT 位置檢查是指在規定的試驗條件下檢查控制器采集的LVDT 反饋位置是否在合格范圍內；試驗臺自動給定轉速、閥芯位置自動回采流量數據，繪制升程流量曲線和降程流量曲線，并計算差值，根據合格判決出具報告[14-15]。

某型號燃油調節器在本智能化交付試驗臺可實現試驗臺自動運行。溫度、壓力、油針位置、導葉位置、電磁閥電壓以及轉速等參數自動給定和切換，判斷調節器壓力或壓力差值、參數變化時間、各調門開度的反饋位置是否在合格范圍內。試驗臺可實現試驗結果和監控參數自動采集、保存、處理及上傳，驗收表格自動填寫功能，性能較理想地完成產品交付任務。

3 結語

基于目前燃油調節器驗收試驗效率較低、測試精度差以及勞動強度大等諸多問題，對燃調性能試驗臺進行智能化系統硬件設計，包括執行系統電控化設計、控制系統自動化設計、安全監控系統設計和數據管理系統配置，可實現某型號燃油器的智能化和自動化驗收試驗，為燃油調節器的自動化交付和自動化調試新技術的發展提供指導，應用前景廣闊。