航空發動機單管燃燒室試驗器測控系統設計

張 毫，王日先，熊進星

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發動機單管燃燒室試驗是對燃燒室結構、性能、火焰燃燒、流場分布等進行系統研究的手段，試驗成果對燃燒室的研發、定型產品的派生研制和改造等具有較高的參考價值[1-2]。該試驗器承擔的試驗項目種類較多，試驗任務重、難度高、測試需求彈性大。同時在試驗過程中還具有工作環境惡劣、危險性較高、狀態調節復雜、試驗持續時間長等特點。

針對單管試驗器的試驗需求及特點，采用傳統集中測控方式搭建的測控系統雖然具有可靠性高、維護方便等特點，但其通道成本較高、靈活性有限，不符合單管燃燒室試驗器試驗任務開展的需求。隨著各類結構緊湊、可靠性更高、可直接應用于試驗現場的分布式測控產品不斷問世及成功應用[3]，給試驗器測控系統設計提供更多選擇。

為滿足新型燃燒試驗需求，本文提出1種基于LXI總線的以太網分布式測控系統設計方案，遵循標準化、模塊化、通用化的設計原則，搭建測控系統，可以有效控制研制、使用和維護成本，使測控系統具有系統配置靈活、功能可拓展性和兼容能力強、開發周期短等特點[4-10]。

1 試驗器測試需求

試驗器測試參數數量大、類型多，包括電壓、頻率、壓力和溫度等，通道總數不少于350個，單通道采樣率不低于100 Hz，同時為了確保得到可靠精確的數據，用于后續分析和處理，要求具有較高的測試系統參數技術設計指標，見表1。

表1 主要測量參數技術指標要求

不同類型的試驗任務要求測控系統能夠覆蓋各種試驗，保證測試系統具有高穩定性和可靠性。測控軟件要滿足各型試驗任務需求，具有通用性好、功能完備、操作簡便，實時記錄和保存測試數據，并按需求生成試驗報表等。

2 測控系統總體方案

測控系統是單管燃燒室試驗器重要組成系統。該系統按實現功能由數據服務器、測試系統、空氣控制系統、燃油控制系統、冷卻水控制系統和加溫系統等子系統組成。測試系統主要對燃燒室試驗件性能參數和試驗器狀態參數進行測量，能夠對試驗過程中關鍵參數進行監控和報警，對試驗數據實時采集、分析、處理并生成試驗報告；空氣、燃油和冷卻水控制系統用來對空氣系統、燃油系統、冷卻水系統和加溫系統進行匹配調節，保證試驗器在給定工作狀態下完成試驗任務內容；數據服務器負責協調和管理各系統之間的數據流，保障各系統之間信息共享，數據同步。各子系統由以太網連接，組建試驗器局域網絡。試驗器測控系統按照試驗設備特性分布式放置，測試設備與計算機之間通過TCP/IP網絡協議進行通信，控制設備與控制計算機通過OPC協議進行通信。測控系統總體方案如圖1所示。

圖1 測控系統總體方案

2.1 測控系統硬件架構

測控設備選用基于以太網接口的數據采集和控制設備，以利于構建統一數據接口的測控系統平臺，為滿足測量精度的要求，測試儀器不確定度需小于標準需求的1/3～1/5，該系統選用儀器精度均小于0.05%，可以滿足需求。測控設備安裝在測控機柜內，測控機柜要符合現場高溫、震動、灰塵等惡劣工況環境要求。測控機柜分布式放置在集中測點部位旁邊，有效減少測試線纜長度，減小信號傳輸過程中引起的誤差，同時提高系統的響應速度和測量精度。

2.1.1 測試系統硬件設計

測試系統采集參數按采集信號類型分為壓力、溫度、流量、電壓等；按測點數量、位置類型需求以及測控性能指標要求綜合考量，選取適合的測控儀器。VTI公司EX1000A-TC測試儀器作為當前市場上最高級的熱電偶和電壓測量解決方案，具備上述考量指標。該儀器具有48通道對電壓信號/熱電偶信號進行高精度測量能力，儀器本身還帶有端對端自校準、內置冷端補償和開路監測功能，可用于惡劣的試驗環境，使用局域網連接方式，方便快捷搭建網絡化測試平臺。電偶信號、變送器信號和流量信號通過EX1000A-TC進行采集，并通過IEEE1588協議進行時間精準同步[11-13]。其中流量信號需利用F/V轉換裝置將頻率信號轉換成電壓信號，再進行測量；另外，空氣壓力信號采用美國掃描閥公司的DSA3217進行采集，具有16個壓力輸入通道，零點校驗采用內置的電磁閥配置，每秒每通道采樣為500次，每通道16 Bit A/D轉換。系統具有集成度高、體積小、通道掃描和計算速度快、采集精度穩定、安裝簡單方便等特點。并且具有以太網接口，能直接將壓力信號轉換成工程化數據。測試設備通過交換機與測試計算機進行連接。通過以太網協議進行數據通信，完成試驗數據測量。

2.1.2 控制系統硬件設計

控制系統依照各自子系統技術功能要求進行開發設計，必須具有良好的兼容性，能在不同試驗任務中重復使用。采用OMRON PLC作為控制單元，控制電氣設備及監控試驗設備工作狀態。控制計算機通過以太網對PLC發出控制指令，PLC完成對控制器件（閥門、點火器等）的信號輸入，實現控制功能，控制系統原理如圖2所示。閥門位置反饋和極限位置信號由PLC采集并反饋給上位機監控軟件進行顯示。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部接線，使控制系統設計、建造和維護的周期大為縮減。更重要的是針對特殊電氣系統功能要求只需要修改軟件程序即可適應不同任務的需求。同時為了保證試驗過程中突發情況下設備安全，在操作臺上設計了應急按鈕，可快速切斷燃油供應。接庫格式，程序直接調用即可。DSA3217驅動程序按產品說明書提供的通信指令自行開發。

圖2 控制原理

軟件開發時還采用了多線程設計，數據流模式采集、多儀器時間同步等多項技術，確保軟件整體最佳性能。測試軟件具有數據采集、數據處理、實時顯示以及生成試驗報表等功能，能夠滿足試驗器開展不同試驗任務需求。軟件流程如圖3所示，軟件主界面如圖4所示。

2.2 測控系統軟件架構

測控系統軟件由測試軟件、控制軟件和數據服務器軟件3部分組成。測試軟件采用VC6.0開發，模塊化設計；控制軟件又分上位機控制軟件和嵌入PLC軟件，其上位機控制軟件采用組態王6.55軟件開發，按各崗位功能分別設計；嵌入PLC軟件采用CX-ONE軟件開發，并植入到PLC內部。數據服務器軟件作為測試系統和控制系統數據交互媒介，完成數據存儲、數據管理和數據發放。測試軟件和控制軟件數據交互采用通信方式為OPC協議[14-15]。

2.2.1 測試軟件設計

根據測控領域內成熟的軟件架構并結合單管燃燒室試驗器特點，測試軟件采用層次結構設計，遵循面向接口的設計理念，軟件形成各層次結構間低耦合、高內聚的組織關系。方便軟件維護和擴展，最大程度增加軟件通用性。測試軟件架構分為4層。

（1）界面層：提供人機交互接口，完成對測試系統的管理和調度。

（2）數據處理和功能實現層：向界面層提供訪問接口，將處理結果返回界面層，完成與數據庫的交互。

（3）數據訪問層：為業務層提供數據服務，業務層通過本次與數據服務器進行交互。數據庫基于Access2003開發。用于試驗任務數據、結果數據、過程數據管理。

（4）儀器驅動層：是應用程序實現儀器控制的途徑。其中LXI測試儀器驅動程序封裝成DLL動態鏈

圖3 軟件流程

2.2.2 控制軟件設計

圖4 測試系統軟件主界面

控制上位機軟件采用組態王6.55版本開發，主要基于虛擬儀器技術開發，構建虛擬儀表、按鈕開關、指示燈、閥門開度等控制組件。操作顯示軟件主要包括操作崗位監控，調節參數實時顯示、狀態報警、閥門等電氣操作以及數據發布等功能。控制上位機軟件與PLC之間通過OPC協議進行數據通信。控制上位機軟件通過數據服務器與測試軟件進行實時數據共享，方便操作人員監控狀態參數。各子系統控制軟件單獨開發，控制軟件界面為相應系統管路示意流程圖。嵌入PLC軟件采用CX-ONE軟件用梯形圖進行編程，實現對電氣設備的自動控制。控制系統軟件界面直觀友好，方便操作人員進行狀態調節，實時監控相應崗位狀態參數，有效保證試驗安全有序進行。以空氣控制系統為例，界面如圖5所示。

3 性能驗證與調試

圖5 空氣控制系統軟件主界面

該測控系統建成后，進行了充分的調試驗證工作。首先進行單元調試，采用標準信號源對測試系統輸入信號通道進行標定驗證，并利用測量不確定度方法對標定數據進行不確定度分析。計算方法如下：

計算

式中為N次測量的平均值；N為測量次數；Xi為第i次測量的結果。

計算A類標準不確定度

計算B類標準不確定度

式中：A為儀器誤差限。

計算合成不確定度

計算擴展不確定度

一般取置信概率P=95%時，k=2。

計算相對擴展不確定度

各主要測量參數測量不確定度指標見表2，表明測試系統測量參數滿足指標要求。

其次在現場試驗管道未通氣情況下，進行各電氣控制回路調試，確保開關動作符合控制要求；單元調試無誤后，對測控系統以及試驗器設備進行聯合熱態調試，保證各設備之間運行正常，相互間無干擾。

表2 主要測量參數較驗結果

最后，開展某型單管燃燒室性能試驗，結果表明：測控系統各項性能指標滿足試驗器測試需求，運行安全、穩定、可靠。

4 結束語

單管燃燒室試驗器測控系統建成以后，已經過1年多的試驗考核并完成多項試驗任務。運行結果表明，該測控系統具有建設周期短，運行穩定可靠，使用維護方便，擴展能力強等特點。測試系統滿足試驗器開展各類科研試驗任務的測試要求。

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