基于NI-cRIO的網(wǎng)絡化發(fā)動機測控系統(tǒng)開發(fā)*

艾真?zhèn)ィS筱調(diào)，陳 捷，陳科安

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 210009)

基于NI-cRIO的網(wǎng)絡化發(fā)動機測控系統(tǒng)開發(fā)*

艾真?zhèn)ィS筱調(diào)，陳 捷，陳科安

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 210009)

針對目前發(fā)動機試驗臺存在軟硬件不兼容、測控分離且功能單一難以拓展的問題，介紹了一種基于NI-cRIO實現(xiàn)測控一體化及網(wǎng)絡化的測控系統(tǒng)設計方案，詳細給出了系統(tǒng)的總體架構和硬件選型，基于LabVIEW開發(fā)了一套具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢、報表生成、手/自動控制和狀態(tài)報警等功能的模塊化測控系統(tǒng)軟件，并對測控系統(tǒng)軟件功能界面及程序架構進行了詳細介紹，經(jīng)應用驗證符合系統(tǒng)測控一體化及網(wǎng)絡化的設計目標。

NI-cRIO；測控一體化；網(wǎng)絡化；發(fā)動機；LabVIEW

0 引言

發(fā)動機技術的發(fā)展在很大程度上依賴于發(fā)動機試驗臺架的水平。通過可靠的發(fā)動機試驗不僅可以科學準確地對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性進行評價，而且能用來驗證發(fā)動機產(chǎn)品的結構、負荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的合理性，從而為發(fā)動機的結構設計和質(zhì)量評價提供科學的依據(jù)，并且有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期及提高產(chǎn)品質(zhì)量[1-2]。發(fā)動機試驗臺架測控的動靜態(tài)參數(shù)種類繁多，系統(tǒng)需掛接多種智能二次儀表且需具備能量回饋的功能。此前，祝敏[3]基于NI-cRIO開發(fā)的發(fā)動機測控系統(tǒng)具備分布式的特點，不足之處在于系統(tǒng)采集的參數(shù)種類較少、功能單一和擴展性差；任友存[4]開發(fā)的測控系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，以研華的PCI數(shù)采卡為下位機，油門執(zhí)行器的控制由MotoHawk平臺實現(xiàn)，系統(tǒng)不足之處在于軟硬件不兼容導致數(shù)據(jù)通信復雜、測控分離且未實現(xiàn)高頻信號的測量；廘麟[5]基于VB上位機開發(fā)軟件，以PLC為下位機開發(fā)的發(fā)動機測控系統(tǒng)，利用OPC接口技術實現(xiàn)上下位機數(shù)據(jù)通信，由于軟硬件不兼容導致通信復雜且PLC無法實現(xiàn)高頻動態(tài)信號的測量及處理；劉金雷[6]以C語言為開發(fā)平臺，以C8051F單片機為下位機開發(fā)的測控系統(tǒng)，采取嵌入注冊代碼的形式調(diào)用LabVIEW虛擬儀器，由于軟件不兼容導致系統(tǒng)編程復雜且功能單一。楊魯峰[7]以PLC和PXI總線開發(fā)的測控系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了PLC、串口設備和IPC之間的通信，但是系統(tǒng)軟硬件不兼容導致通信復雜且未實現(xiàn)高頻信號的測量。

針對上述問題，設計了以NI-LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，以NI-cRIO可重配置的嵌入式測控系統(tǒng)為載體的具備軟硬件兼容性強的測控系統(tǒng)；提出了一種網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)設計方案，能同時實現(xiàn)對試驗系統(tǒng)的多對象控制和多種參數(shù)測量，實現(xiàn)測控一體化。

1 發(fā)動機測控系統(tǒng)原理

1.1 發(fā)動機試驗標準及要求

發(fā)動機試驗的項目繁多且相應的標準亦很成熟，依據(jù)標準[8]所需完成的試驗項目包括磨合試驗、調(diào)速性能試驗、外特性試驗、負荷特性試驗、振動噪聲測量試驗、煙度測定、漏氣量測定和燃油消耗率試驗等，部分試驗要求如下：

(1)調(diào)速性能試驗：發(fā)動機在標定工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，保持其轉(zhuǎn)速不變，逐步卸去全部負荷，然后逐步增加負荷至標定功率，由式(1)可計算穩(wěn)態(tài)調(diào)速率：

(1)

式中：δ為標定工況的穩(wěn)定調(diào)速率；nmax為實測最高空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，r/min；n0為標定轉(zhuǎn)速，r/min。

(2)外特性試驗：油門開度為100%時，發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5min后，選取額定點和最大扭矩點在內(nèi)的不少于8個穩(wěn)定工況，記錄每個工況的常規(guī)參數(shù)及煙度等指標。

(3)負荷特性試驗：發(fā)動機在標定工況下，保持轉(zhuǎn)速不變，分別按10%、25%、40%、50%、60%、75%、90%和100%負荷率依次增加負荷，測量并記錄各工況下的煙度、漏氣量以及常規(guī)參數(shù)等性能指標。

(4)振動測量試驗：依據(jù)GB10397-89[9]、GB7184-87[10]對發(fā)動機振動測量方法及振動評級的要求，采用五點法進行振動測量，測點布置示意圖見圖1。將測量值代入當量振動烈度公式(2)：

(2)

式中：Vs為當量振動烈度，mm/s；Vx、Vy、Vz為X、Y、Z三個方向上各振動測點的振動速度均方根值，mm/s；Nx、Ny、Nz為X、Y、Z三個方向的測點數(shù)。

1.發(fā)動機后端支撐 2.發(fā)動機前端支撐(左) 3.發(fā)動機前端支撐(右) 4.發(fā)動機前端上沿 5.發(fā)動機后端上沿

圖1 發(fā)動機振動測試測點布置圖

(5)耐久試驗：耐久試驗耗時較長(最高長達1000h)，試驗在標定轉(zhuǎn)速、全負荷最低轉(zhuǎn)速、低怠速、最大扭矩轉(zhuǎn)速和最高空車轉(zhuǎn)速時對設定點的特定循環(huán)并測量記錄各工況參數(shù)，實驗結束需對發(fā)動機拆機檢查關鍵零部件的磨損情況。

1.2 發(fā)動機試驗臺架測控功能分析

如前所述，發(fā)動機試驗內(nèi)容廣泛，需實現(xiàn)多種動靜態(tài)參數(shù)的測量及多對象的控制，輔以多種智能二次儀表實現(xiàn)上述的各種實驗內(nèi)容中各工況的測試，依據(jù)國標[8-10]要求，本系統(tǒng)實現(xiàn)測量和控制的參數(shù)如表1所示。

表1 測控參數(shù)

1.3 發(fā)動機試驗臺架測控系統(tǒng)總體架構

發(fā)動機實驗臺架由測控一體化系統(tǒng)、智能儀表測控系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、能量回饋系統(tǒng)、油/水液壓系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。總體架構如圖2所示。

圖2 發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以LabVIEW為上位機開發(fā)平臺，核心是NI-cRIO及多種C系列工業(yè)級I/O數(shù)采卡為下位機，輔以多種智能儀表、傳感器及調(diào)理電路，上位機通過以太網(wǎng)通訊方式經(jīng)網(wǎng)絡交換機實現(xiàn)與下位機的實時數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)設計選用工業(yè)級網(wǎng)絡交換機及串口服務器，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的設計目標及突破了每臺工控機提供的RS232接口數(shù)量的限制，串口服務器作為中間橋梁，實現(xiàn)了將RS232/485通信的智能儀表轉(zhuǎn)換為TCP/IP通信與上位機進行實時數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

鑒于上述的軟硬件不兼容、通訊困難的問題，為了實現(xiàn)測控一體化及網(wǎng)絡化的設計目標，經(jīng)選型設計選用美國NI公司的能夠以25ns時間分辨率執(zhí)行定時、觸發(fā)和自定義的復雜高速并行處理要求的cRIO-9068，實物見圖3。為了測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化目標實現(xiàn)及后續(xù)功能擴展及維護的可行性，系統(tǒng)對串口服務器及網(wǎng)絡交換機設計選用研華公司的16通道工業(yè)級設備。

圖3 NI-cRIO9068及C系列數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)國標對發(fā)動機振動信號測量方法的要求，將振動信號的測量單獨分配給以NI-CDAQ9188為核心數(shù)采設備的可移動數(shù)采箱，數(shù)采箱將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊經(jīng)網(wǎng)絡交換機，由上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時讀寫及后續(xù)處理。

選用6種C系列可熱插拔的數(shù)字I/O、模擬I/O 模塊，實物如圖3。通過VI直接訪問每個工業(yè)數(shù)字I/O、模擬I/O的輸入輸出電路，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的測控一體化的需求，系統(tǒng)單臺試驗臺架總體硬件架構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體硬件架構

3 界面實現(xiàn)及應用

3.1 軟件功能要求

為了便于系統(tǒng)后期功能拓展及維護，采用模塊化設計的思想。圖5為系統(tǒng)軟件平臺的功能分解圖。測控系統(tǒng)軟件主要分為測試、控制、智能儀表讀寫、報表及退出五大功能模塊。其中測試程序基本功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存及數(shù)據(jù)查詢等模塊。控制程序包含手動/自動控制、狀態(tài)報警模塊。智能儀表讀寫包含通信參數(shù)設置和數(shù)據(jù)通信模塊。

圖5 軟件模塊化功能分解

測控系統(tǒng)軟件基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)，包含HOST.vi、RT.vi和FPGA.vi三層程序。FPGA.vi運行在底層可重入邏輯控制器上，能同步完成多通道自定義I/O的同步采集及高速并行處理，采集到的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸機制FIFO后，由運行在實時控制器上的RT.vi取出進行后續(xù)的信號分析，再通過TCP通信實時發(fā)送到HOST.vi進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和報表生成。三層程序功能見圖6。

圖6 軟件的程序架構

系統(tǒng)測控的動靜態(tài)參數(shù)種類繁多且掛接了上述的多種智能儀表，程序開始運行后，需對傳感器進行線性化及校準，對智能儀表通信參數(shù)進行設置。設置完成，選擇手動或自動控制試驗類型。試驗開始，多通道數(shù)據(jù)同步采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)上述功能由IPC進行實時曲線顯示并對異常數(shù)據(jù)進行報警。系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)具有連續(xù)保存的功能，為防止高頻信號因數(shù)據(jù)量大而產(chǎn)生溢出，系統(tǒng)實現(xiàn)了間隔保存。為了提高系統(tǒng)的自動化程度，可自動將試驗結果生成圖文并茂的報表。功能實現(xiàn)的流程如圖7。

圖7 測控系統(tǒng)軟件流程

3.2 界面設計

軟件的整體架構采用LabVIEW狀態(tài)機與生產(chǎn)者/消費者相結合的功能架構。主程序中采用While循環(huán)加事件結構的編程架構，由按鈕值的改變觸發(fā)調(diào)用不同子VI的事件。圖8所示為軟件的測試功能模塊，采集到的數(shù)據(jù)按性質(zhì)用選項卡控件的不同頁進行分類顯示，使程序界面直觀易用。系統(tǒng)實現(xiàn)了程序?qū)Χ鄬ο蟮目刂坪蛥?shù)的測量，實現(xiàn)了測控一體化的設計目標。

圖8 軟件測試模塊界面

3.3 軟件功能實現(xiàn)難點

(1)同步采集、處理及顯示功能

通過NI-cRIO對I/O通道可以直接訪問的編程方式， 實現(xiàn)了FPGA.vi實時同步采集。采集到的數(shù)據(jù)寫入FIFO，RT.vi從FIFO中取出數(shù)據(jù)經(jīng)線性化處理之后，實時同步顯示在同一個波形控件中并可通過TCP協(xié)議發(fā)送給IPC。通過曲線顯示方式選擇，可以根據(jù)需要對所有或某條曲線進行實時觀測。對于異常數(shù)據(jù)會以文本的形式實時顯示在報警文本控件中，具體功能界面如圖9，同步采集部分程序框圖如圖10。

圖9 多通道數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 同步采集部分程序代碼

(2)手/自動控制功能

依據(jù)國標[8]要求，手動實驗包括N/N、M/N、N/M和M/M四種實驗類型對應所需測量的發(fā)動機工況。手動控制界面可以對被測對象的轉(zhuǎn)速、加載電機的扭矩進行實時的設置，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)在所測的不同工況。自動控制通過可以實時讀寫的載荷譜完成參數(shù)的設置。依據(jù)數(shù)據(jù)流讀寫的邏輯順序完成發(fā)動機控制時序的設定。狀態(tài)報警界面可以對各參數(shù)及設備的狀態(tài)進行實時顯示。控制功能界面如圖11。

圖11 控制模塊功能界面

(3)智能二次儀表的通信

系統(tǒng)的特色亦是難點，就是通過TCP/IP通信實現(xiàn)與掛接的多種智能二次儀表進行數(shù)據(jù)通信。采用狀態(tài)機的編程架構，主要利用TCP偵聽和創(chuàng)建TCP連接功能VI，通過設置不同智能儀表的端口號及IP地址，實現(xiàn)與上位機的通信。通信代碼見表2，TCP通訊部分程序框圖見圖12。

表2 通信代碼意義

圖12 TCP/IP通訊的部分程序框圖

3.4 振動測量及評級中的應用

傳統(tǒng)發(fā)動機試驗臺中，如上述利用PLC[5]和NI-CDAQ9174[11]開發(fā)的系統(tǒng)，對高頻信號的測量及后處理要么無法實現(xiàn)要么受數(shù)據(jù)采集通道和傳輸距離的限制。依據(jù)國標要求，系統(tǒng)采用以NI-CDAQ9188為核心的移動數(shù)采箱不僅同步實現(xiàn)了5個三軸加速度，共計15個通道的高頻振動數(shù)據(jù)的同步采集，而且數(shù)采箱可在不同試驗臺間移動，提高了資源利用率。采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信總線與上位機進行遠距離的實時數(shù)據(jù)通信。

經(jīng)多次調(diào)試，設置采樣頻率為5kHz/s時，系統(tǒng)能實時有效的顯示出時域波形譜且計算機不會因數(shù)據(jù)量過大而出現(xiàn)明顯的斷點。應用結果顯示界面如圖13。

圖13 高頻信號處理、顯示界面

圖14 轉(zhuǎn)速為800r/min時NO.5測點ax時域譜

圖15 轉(zhuǎn)速為800r/min時NO.5測點ax頻譜圖

4 結論

經(jīng)應用驗證，通過以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境和以NI-cRIO9068為下位機開發(fā)的具備測控一體化及網(wǎng)絡化特點的測控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)試驗臺軟硬件不兼容、測控分離和功能單一的問題。NI-cRIO9068無需編寫通信協(xié)議，即可完成測控一體化的目標，使測控數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性。通過以NI-CDAQ9188為核心的數(shù)采箱完成了對發(fā)動機15個通道的振動測量及評級，達到了國標的相應要求。利用網(wǎng)絡交換機實現(xiàn)了測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)交互。基于LabVIEW開發(fā)的人機交互性上位機軟件，完成了多通道數(shù)據(jù)的同步采集及手/自動控制，具備數(shù)據(jù)保存、查詢及報表生成等功能，減輕了測試人員的勞動量。

[1] 廖明明，林偉健.發(fā)動機臺架試驗臺淺析[J].裝備制造技術，2010(4)：167-169.

[2] 朱世一.小型發(fā)動機臺架試驗測控系統(tǒng)的研制[D].南京：南京理工大學，2013.

[3] 祝敏，張輝，雷震.分布式測控系統(tǒng)在發(fā)動機試驗中的應用[J].火箭推進,2013,39(5)：98-102.

[4] 任友存.新能源汽車試驗臺測控系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[5] 廘麟，王少峰.小型航空發(fā)動機測控系統(tǒng)設計[J].自動化與應用,2013,32(1)：114-118.

[6] 劉金雷.汽車發(fā)動機測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設計[D].無錫：江南大學，2012.

[7] Yang Lufeng，Zeng Rong，Wang Minhua，et al. Measurement and Control System for an Aero-Engine Test Rig Running[J]. Measurement & Control Technology，2012,32(8)：137-139.

[8] JBT9773.1-1999 柴油機臺架試驗考核方法[S].

[9] GB7184-87-1987.中小功率柴油機振動測量方法[S].

[10] GB10397-89-1989.中小功率柴油機振動評級[S].

[11] 劉自然，朱亞娜，顏丙生，等.基于實時高頻分辨率的附件機匣振動測試系統(tǒng)[J].組合機床與自動化加工技術，2015(8)：86-89.

[12] 劉禎，王茂松.基于CRIO的汽車發(fā)動機實時測控系統(tǒng)設計[J].汽車實用技術，2011(3)：1-3.

[13] Li Hongdong，Wang Leitao，Yang Quanting. Design of measurement and control system for EEC of a type of aero-engine[J]. Transducer and Microsystem Technology，2012，31(1)：114-116.

[14] Su Sanmai，Yang Henghui，Tu Quanye，et al. Design of microturbo engine integrated measurement and control system [J].Journal of Aerospace power，2009，24(9)：2139-2144.

(編輯 李秀敏)

Research on Network Engine Measurement and Control System Based on NI-cRIO

AI Zhen-wei, HUANG Xiao-diao, CHEN Jie, CHEN Ke-an

(School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

Focusing on the problem of measurement and control separation and the function difficult to expand, The design plan of the network measurement and control system based on NI-cRIO to realize the integration of measurement and control is proposed in this paper, the architecture of the system and the configuration of the hardware are described in detail, a software system of engine test is developed by LabVIEW, which has data acquisition, data processing, data storage, data query, reporting, manual and automatic control and status alarm capabilities.The function and interface of software and the structure of program are introduced in detail, Verified by debugging the network system meet the design objectives of the integration of measurement and control.

NI-cRIO; integration of measurement and control; network; engine; LabVIEW

1001-2265(2016)12-0080-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.022

2016-04-06 ；返回日期：2016-04-20

國家自然科學基金(51375222)；2014高校“青藍工程”中青年學術帶頭人培養(yǎng)對象

艾真?zhèn)?1989—)，男，江蘇徐州人，南京工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為動態(tài)測試、機電液控制與控制技術，(E-mail)aizhenwei521719@163.com。

TH166;TG659

A