發動機數據實時監控設計與實現

李運華，黎雯洋，車　鑫LI Yun-hua，　LI Wen-yang，　CHE Xin（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

發動機數據實時監控設計與實現

李運華，黎雯洋，車鑫
LI Yun-hua，LI Wen-yang，CHE Xin
（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

在民用航空發動機健康管理系統中，需要實時在線監測發動機工作參數、運行狀態及故障情況，從而及時判斷發動機內部關鍵部件的健康情況，提出了一種基于發動機監視裝置實現發動機數據的在線監測方案，該方案包括上下位機系統，綜合實時操作系統、虛擬儀器儀表、以及總線測試等技術。最后經實踐驗證了上述方案的可行性。

實時操作系統；虛擬儀器；實時監視；發動機健康系統

0　引言

近年來，航空發動機，特別是民用航空發動機普遍采用發動機健康管理系統（EHMS）監測發動機健康狀態［1］。發動機健康管理系統在確保發動機和飛行安全的同時，可以快速準確地預測、定位和修復故障，減少發動機的維修保障費用。當前，主流的先進發動機都有發動機健康管理系統，其關鍵功能就是采用各種監控方法，實現測量發動機各個部件的工作狀態和參數，完成在線的故障診斷、指示告警及數據記錄等，從而達到有效及時的查看發動機關鍵性能參數，且為地面故障診斷提供大量的飛行數據。

隨著航空發動機的智能化和信息化水平的提高，民用航空發動機均有獨立于發動機控制系統的健康管理系統，如GE的GEnx，RR的Trent900等。EHMS通常由機載設備和地面設備兩大部分構成［2］，機載設備負責發動機的壓力傳感器、加速度傳感器等信號的采集處理、故障診斷、狀態統計、并將以上結果實時發送至地面設備。地面設備負責接收機載設備的數據，并實時在線監測發動機的重要數據，以及進一步的歷史數據分析為維修保障提供支持，如圖1所示。

圖1　通用發動機健康監視系統（以Trent900示例）

本文基于目前主流的發動機健康管理系統，提出了一種發動機數據實時監測系統的設計與實現。其中機載設備為發動機監視裝置（EMU），地面設備為便攜式維護終端（PMAT），共同實現發動機數據在線監視功能。本文分別介紹發動機數據監控方案設計；發動機數據監控方案的實現，以及關鍵部件的軟件設計；經過對發動機監視系統的測試，驗證了該設計方案的可行性。

1　總體及硬件方案

本文所設計的發動機健康管理系統方案如圖1所示，該系統主要由安裝在發動機上的EMU和監視用傳感器，地面支持設備PMAT和地面站組成，其中EMU具有與電子控制器（EEC）和飛機的通訊功能。該系統運行原理如下：EMU主要負責采集和處理監視用傳感器的數據，以及接收EEC提供的燃油控制系統的數據，完成發動機氣路、燃/滑油、振動，以及燃油控制系統工作參數的收集，并據此進行發動機狀態監測、異常判斷、初步故障診斷和數據保存，最后通過總線通訊，將相關發動機監測數據發送給PMAT和面向飛機進行指示告警。地面站作為地面支持設備的一部分，采用基于歷史數據的故障診斷域趨勢預測等算法，離線分析存儲于EMU的發動機數據，與此相關內容，本文不作討論。

EMU作為機載設備，完成不同頻率信號的數據采集處理，尤其是高頻的振動、滑油金屬屑信（采集頻率達40kHz），對處理器性能要求較高，因此采用了PowerPC處理器，且利用VxWorks操作系統實現復雜的任務和數據管理功能。VxWorks支持優先級搶占和時間片輪詢調度策略［3，4］，支持多任務操作和任務間通信，便于EMU的軟件設計。

地面支持設備PMAT作為EMU設備的上位機硬件平臺采用加固的便攜式計算機，利用RS-422串口或以太網通訊，實時地接收EMU發送的發動機監控數據并通過界面顯示出來。為獲取更高效地界面設計和更美觀的效果，上位機軟件采用虛擬儀器儀表技術，利用DevExpress控件實現人機交互的界面，包括發動機曲線圖，虛擬儀器儀表盤，顯示更加直觀，便于觀測。

2　軟件實現

圖2　發動機健康監視系統方案

圖3　機載健康管理軟件任務分配

發動機健康監視功能包括兩部分：機載監控軟件和上位機監控軟件［5］，前者運行于EMU中，其基于VxWorks Cert6.6操作系統實現發動機信號采集處理，以及監視輸出。后者接收EMU實時傳輸的監控數據，利用數值、曲線或虛擬儀器儀表控件等多種形式顯示，此外具有數據保存和回放功能，以支持地面的數據分析。

2.1機載監控軟件

EMU需要對氣路、燃油系統、滑油系統的溫度、壓力、轉速、振動等信號的采集處理、并完成對發動機的狀態統計和故障診斷，并將結果發送至PMAT及飛機。由于不同信號的采樣頻率、信號處理周期及算法不同，因此發動機監視裝置機載軟件首先要解決如何采集和處理信號、診斷故障、統計狀態的問題。

針對不同信號采樣頻率、信號處理周期、故障診斷周期、通信周期等時間性能的要求，發動機監控任務的設計分為周期任務和非周期任務兩大類。如圖2所示，周期任務根據信號不同的采集處理周期和不同功能模塊的處理時間要求，如發動機的溫度、壓力、轉速處理時間周期要求不高于20ms，振動信號和金屬屑信號數據獲取時間要求不高于100ms，監控時間要求不高于200ms等，因此分別設計了20msTask，100msTask、200msTask等多個周期任務，各周期任務的基本功能如表1所示。而非周期任務用于完成由外部控制指令觸發的EMU設備維護功能，如EMU當檢測到外部發送的單機維護指令而須運行EMU單機維護軟件。

周期任務本質上由同一時鐘源控制，每個任務綁定一個二值信號量，通過計數器來控制信號量的狀態，實現周期任務的調度。在任務并發運行過程中，采用優先級搶占機制進行任務間的切換，設計原則為周期任務優先級高非周期任務，而周期任務中截止時間越短的任務優先級越高，具體優先級設置如表1所示。

表1　所分配任務情況

由于在線監視數據是給飛行員或者試驗人員觀測的，根據人機工程學的研究成果表明200ms的周期刷新數據是較為適合人眼觀察的，數據刷新周期太快，人眼無法分辨，達不到有效監視的效果。因此，在線監視數據的通信周期設置為200ms。為了方便數據組包，數據緩存設計根據不同信號周期分為20ms周期數據緩存隊列、100ms周期數據緩存隊列，在通信數據組包時分別選取20ms數據緩存隊列和100ms周期數據緩存隊列的最新數據。

2.2上位機監控軟件

上位機監控軟件功能和處理流程參如圖3所示，分為UI人機界面和后臺處理業務兩部分，兩者相結合完成接口配置、協議配置、數據監控、故障注入/激勵、以及數據回放等功能，其在滿足對EMU數據實時監控的同時，還兼顧支持系統或軟件測試要求。

圖4　上位機監控軟件功能和處理流程

與EMU通訊接口可以配置成以太網或RS-422串口。以太網配置參數包括IP地址和端口號；RS-422串口配置參數包括端口號、波特率、停止位和校驗位等。以太網/RS-422協議包都由用戶定義。接口屬性和數據協議包都可定制，滿足系統移植性和適應性要求。

上位機監控軟件采用多種監測方法，當前數值、歷史數值表、波形圖、以及儀器儀表等形式，其中，波形圖和儀器儀表采用DevExpress控件實現［6］，開發快捷，且界面友好，部分儀器儀表盤效果圖如圖5所示。

圖5　儀器儀表效果圖

3　系統應用

為了最大程度上模擬真實的發動機管理系統的真實工況，本文開發了EMU調試裝置和振動信號發生器給EMU提供傳感器信號和通信輸入，EMU完成信號采集處理、通信接收、在線故障診斷后，將結果通過RS422或者以太網發送至PMAT，PMAT將結果通過界面顯示出來，以便于觀測，發動機健康管理監視系統環境圖如圖6所示。

圖6　發動機健康監視系統環境圖

其中，EMU調試裝置包括飛機模擬單元、發動機及其接口模擬單元和電子控制器模擬單元三部分組成，其中飛機模擬單元主要模擬飛機與EMU的通信接口，暫時采用RS-422串口；發動機及其接口主要模擬傳感器接口，為EMU提供模擬量輸入；而電子控制器模擬單元主要采用兩路RS-422串口分別模擬兩路EEC的通信接口。并利用振動信號發生器專門模擬振動信號輸入，用于驗證系統的振動信號采集和處理功能。

在上述的發動機監視系統平臺上，發動機依次經過地面起動、慢車、最大起飛，巡航等狀態，監視曲線如圖7所示。此外，可以利用數據回放，查看整個試驗過程的數據，供離線分析。結果表明，整個系統和數據傳輸通道能夠保證信號采集、傳輸的一致性。

4　結論

目前，發動機數據實時監視已成為航空發動機健康管理系統的基本功能，也是發動機故障診斷最直觀最有效的手段。根據發動機機載健康管理系統的要求，本文基于機載設備+地面系統的健康管理構架實現了發動機數據實時監視功能，機載設備采用VxWorks操作系統，合理創建任務，保證軟件的實時性；地面設備采用虛擬儀器儀表控件，界面友好，且配置便捷，能夠有效支持機載設備的軟件研制。本文提出的發動機監視系統方案，經過驗證合理可行；為發動機健康管理系統的設計提供了一種可行的方案和技術路線，并可進一步豐富機載或地面的發動機故障診斷算法，使發動機健康管理系統功能更具有針對性和實用性。

圖7　發動機數據監控

［1］ 孫斌，張紹基，孫津.發動機狀態監視與故障診斷地面軟件系統的總體方案研究［J］.航空發動機，2000，02.

［2］ 黃猛，姜鳳，王俊莉.發動機電氣系統健康診斷功能開發與設計［J］.測控技術，2014（33）.

［3］ Wind River Systems，Inc.:VxWorks Cert Programmer's Guide，6.6.4.1［R］.Sep.2012.

［4］ 萬柳，蔡斌，郭玉東.VxWorks中信號量實現任務間通信與同步機制分析［J］.信息工程大學學報.2004，02.

［5］ 劉成材，黃曉琪，郭宏志，張敏，等.航空發動機地面試車臺滑油在線監測系統［J］.測控技術，2014（33）.

［6］ 張國梁.DevExpress圖表控件XtraCharts在監控軟件中的應用［J］.電腦與電信，2011（06）.

Design for real-time monitoring of aero engine

V241.02

A

1009-0134（2016）06-0032-04

2016-03-17

李運華（1979 -），男，江蘇人，工程師，碩士，主要從事航天導航制導信號處理、以及航空發動機健康管理研究與應用工作。