直升機(jī)旋翼塔動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

祝澤強(qiáng) 吳雙金 馬子生

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

某型直升機(jī)全系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是我國直升機(jī)領(lǐng)域最新研制的全尺寸試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)有3種構(gòu)型，旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)構(gòu)型，即旋翼試驗(yàn)塔，可進(jìn)行旋翼功能性試驗(yàn)以及旋翼旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)。動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)是該旋翼試驗(yàn)塔的關(guān)鍵子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極變速，以滿足旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)要求[1]。而動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控軟件直接控制動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)并精確控制旋翼的轉(zhuǎn)速，直接影響了旋翼塔試驗(yàn)過程中的轉(zhuǎn)速精度要求，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)效果[2]。此外，動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)功率等級(jí)達(dá)到了3500kW，考慮到電機(jī)工作時(shí)的噪聲及安全因素，試驗(yàn)人員不宜在現(xiàn)場操作；同時(shí)，動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)軟件還能與測試單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，交互試驗(yàn)數(shù)據(jù)、報(bào)警和故障等信號(hào)，因此開發(fā)一款運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件是必需的[3]。

在進(jìn)行某型號(hào)直升機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)由配套廠家基于WinCC平臺(tái)開發(fā)的動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)軟件功能不完善，且無法與旋翼塔其余系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈共享，因此為了更好地獲取開發(fā)接口、更方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展以及更低的維護(hù)使用成本，決定采用統(tǒng)一平臺(tái)LabVIEW開發(fā)新版動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)軟件。

1.軟件總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

新構(gòu)型旋翼塔動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)采用電力交流拖動(dòng)[4]，采用“中壓變頻電機(jī)＋中壓變頻器＋基于現(xiàn)場總線的PLC/PC監(jiān)控”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并包括相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)及輔機(jī)控制系統(tǒng)，主要包含高壓開關(guān)柜、變壓器、變頻器、變頻電機(jī)、PLC可編程控制器、上位機(jī)、部分傳動(dòng)系統(tǒng)以及輔機(jī)系統(tǒng)等組成，其中上位機(jī)和PLC可編程控制器[5]主要進(jìn)行邏輯控制顯示，包含外部輔機(jī)系統(tǒng)控制指令反饋、輸入信號(hào)、溫度、流量和壓力等監(jiān)控參數(shù)的采集和顯示；輔助系統(tǒng)主要指的是滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 旋翼塔動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)組成

1.2 功能性需求分析

動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)是旋翼塔的核心組成部分，試驗(yàn)過程中，用戶根據(jù)指令操作軟件控制電機(jī)啟停、旋翼旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并能保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及數(shù)據(jù)的采集和共享。因此。動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)的主要功能性需求如下：

（1）安全登陸功能。操作者憑用戶名及密碼才能登陸該軟件，以防止非相關(guān)人員進(jìn)行操作系統(tǒng)以及篡改軟件程序，目的在于保護(hù)系統(tǒng)和軟件。

（2）電機(jī)監(jiān)控功能。主要用于電機(jī)、變頻器等監(jiān)控，也要此控制軟件的核心，包括控制高壓開關(guān)控制、電機(jī)開車停車控制、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制、旋翼轉(zhuǎn)速精確控制以及各組成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

（3）輔機(jī)監(jiān)控功能。主要用于輔助系統(tǒng)監(jiān)控，包括滑油系統(tǒng)監(jiān)控、加熱系統(tǒng)監(jiān)控、水冷系統(tǒng)監(jiān)控、風(fēng)冷系統(tǒng)監(jiān)控以及組成設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

（5）指令初始化功能。當(dāng)初次運(yùn)行軟件或者當(dāng)故障排除后重啟軟件時(shí)，軟件自動(dòng)優(yōu)先讀取設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并將當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前指令下發(fā)給執(zhí)行設(shè)備。

（6）數(shù)據(jù)管理功能。主要用于生成工作報(bào)表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以供后續(xù)數(shù)據(jù)分析；并可以與旋翼塔其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.3 非功能性需求分析

非功能性需求指的是軟件為滿足使用而必須具備的除功能性需求之外的特性，軟件的非功能性需求分許如下：

（1）系統(tǒng)性能需求。根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)，軟件的性能需求如表1所示。

表1 軟件性能需求

（2）易用性需求。軟件界面布局設(shè)計(jì)合理，具有較高的可操作性。關(guān)鍵指令下發(fā)時(shí)，軟件能給出提示；操作按鈕等遵循一致的規(guī)范。

（3）安全性需求。需要對(duì)誤操作有相應(yīng)的保護(hù)措施，以防止用戶誤操作導(dǎo)致的破壞；另外當(dāng)出現(xiàn)極端意外情況時(shí)，有獨(dú)立的急停按鈕，以保證系統(tǒng)緊急停車。

（4）可擴(kuò)展性需求。能便捷地獲取開發(fā)接口，以進(jìn)行后續(xù)功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)方便與其余端口進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈共享。

本次研究選擇的35例患者均順利完成檢測,獲得清晰圖像70支;對(duì)患者進(jìn)行圖像分析判定,有28例患者帶有明顯的血管異常情況,其中雙側(cè)10例,單側(cè)18例;35例患者輕度狹窄21例,中度狹窄10例,重度狹窄4例;狹窄位置位于頸動(dòng)脈分叉處25例,頸內(nèi)動(dòng)脈7例,多處狹窄3例。24例患者的頸動(dòng)脈可清晰見有軟斑塊,30例患者帶有血管壁鈣化情況。

1.4 功能模塊劃分

功能模塊的劃分原則包括：

（1）模塊功能要單一。

（2）在新增或擴(kuò)展功能時(shí)，減少對(duì)已有模塊的改動(dòng)，在新增模塊中實(shí)現(xiàn)功能。

（3）功能調(diào)整或修改BUG時(shí)，受影響的模塊數(shù)量要盡可能少。

（4）模塊間要松耦合，模塊接口盡可能少并且簡單。

根據(jù)上述軟件功能需求分析以及功能模塊劃分原則，將劃分8個(gè)功能子模塊，如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

1.5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)軟件運(yùn)行時(shí)，開始運(yùn)行主程序，從配置好的參數(shù)文件中讀取軟件配置信息，彈出安全登陸窗口，操作員輸入正確的用戶名及密碼后即可操作主程序。進(jìn)入程序后，首先與各PLC和設(shè)備建立通訊，讀取各設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，完成軟件初始化。然后，操作者根據(jù)現(xiàn)場指揮員指令控制電機(jī)和輔機(jī)設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行過程中監(jiān)控電機(jī)、變頻器、輔機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注旋翼轉(zhuǎn)速；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可從故障處理模塊獲取故障信息并采取相應(yīng)措施；軟件運(yùn)行后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)共享至旋翼塔測試單元，也可從液壓/操縱系統(tǒng)獲取當(dāng)前旋翼總距等運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 安全登陸模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安全登陸模塊的處理流程主要是：首先進(jìn)入登陸界面，輸入用戶名、密碼，單擊“登陸”按鈕，判斷用戶是否存在，如果不正確，則提醒密碼錯(cuò)誤并返回登陸界面，如果正確則進(jìn)入軟件操作界面。邏輯處理流程如圖4所示，界面如圖5所示。

圖4 安全登陸模塊處理流程圖

圖5 登陸界面

2.2 通訊模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通訊模塊是軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，通訊模塊由上位機(jī)、交換機(jī)、PLC 300以及PLC 1500等組成，其中PLC 1500包含電源模塊、CPU模塊、通訊端口、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。PLC 300、PLC 1500以及旋翼塔其他單元通過交換機(jī)接入以太網(wǎng)與上位機(jī)建立通訊，上位機(jī)通過UDP協(xié)議與旋翼塔其他單元進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；上位機(jī)通過OPC接口與PLC 300建立數(shù)據(jù)傳輸通道，監(jiān)控滑油系統(tǒng)；上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議與PLC 1500完成通訊，PLC 1500中插裝有PROFIBUSDP端口，通過網(wǎng)線與中壓變頻器PROFIBUS-DP口聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的PID控制[6]。因此，通訊模塊以PLC為核心，通過變頻器端通訊卡和上位機(jī)端通訊卡將變頻器、上位機(jī)連入系統(tǒng)，組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)；PLC為主站，上位機(jī)為二類主站，變頻器為從站，完成對(duì)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。通訊模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 通訊模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.3 電機(jī)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電機(jī)監(jiān)控模塊包括變頻電機(jī)、變頻電機(jī)、高壓控制柜等，變頻電機(jī)選用的是4.16kV電壓等級(jí)SIMATICS GM150的中壓變頻電機(jī)，電機(jī)同軸安裝脈沖光電編碼器作為轉(zhuǎn)速反饋裝置，以實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，同時(shí)，電機(jī)內(nèi)部安裝定子繞組、軸承溫度傳感器及風(fēng)冷回路溫度傳感器，用以監(jiān)控中壓變頻電機(jī)運(yùn)行狀況；變頻器選用SIMATICS GM150系列中壓變頻器，接收與發(fā)送的過程數(shù)據(jù)均放在特定的雙向RAM中，該雙向RAM中的每一個(gè)字都已編址，通過對(duì)被編址參數(shù)排序，可向變頻器寫入控制字、設(shè)定值或讀出狀態(tài)字及診斷信息，GM150變頻器的主要控制字和狀態(tài)字功能分配如表2和表3所示。

表2 變頻器控制字功能分配

表3 變頻器狀態(tài)字功能分配

電機(jī)監(jiān)控模塊的處理流程是：操作員進(jìn)入程序，系統(tǒng)指令初始化之后進(jìn)行高壓合閘，等待母線電壓達(dá)到4.16kV時(shí)確認(rèn)旋翼旋轉(zhuǎn)方向，電機(jī)驅(qū)動(dòng)開車，輸入旋翼目標(biāo)轉(zhuǎn)速，變頻器進(jìn)行PID修正直到達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)束后輸入0轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速回零后執(zhí)行停車程序；操作過程中需輔機(jī)系統(tǒng)配合，并且全程注視電機(jī)及變頻器運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)監(jiān)控模塊處理流程如圖7所示。

圖7 電機(jī)監(jiān)控模塊處理流程

2.4 輔機(jī)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

輔機(jī)監(jiān)控模塊主要包括滑油系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、空冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等，其中滑油系統(tǒng)單獨(dú)接入PLC 300，其余接入PLC 1500。輔機(jī)監(jiān)控模塊的處理流程是：在電機(jī)合閘前開啟滑油系統(tǒng)，確保電機(jī)軸承的潤滑以及散熱；開啟水冷系統(tǒng)，打開左、右冷卻器，保證電機(jī)冷卻，另外，水冷系統(tǒng)還分流至液壓/操縱系統(tǒng)；關(guān)閉主電機(jī)加熱器以及冷卻器加熱器，打開電阻柜風(fēng)機(jī)和冷卻器風(fēng)機(jī)，保證電阻柜和冷卻器的散熱效果；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉水冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)，打開加熱系統(tǒng)。其中，空冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)為互鎖狀態(tài)，不能同時(shí)運(yùn)行，且試驗(yàn)時(shí)只能是空冷系統(tǒng)運(yùn)行，加熱系統(tǒng)關(guān)閉；無試驗(yàn)任務(wù)時(shí)，只能是加熱系統(tǒng)運(yùn)行，空冷系統(tǒng)關(guān)閉。輔機(jī)監(jiān)控模塊處理流程如圖8所示。

圖8 輔機(jī)監(jiān)控模塊處理流程

2.5 故障處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

故障處理模塊的處理流程是：接受系統(tǒng)各設(shè)備的故障信息，及時(shí)定位，根據(jù)與故障信息報(bào)警顯示，并進(jìn)行故障診斷、處理；當(dāng)電機(jī)三相繞組或軸承溫度過高時(shí)，執(zhí)行緊急停車程序；故障消除后，系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行。邏輯處理流程如圖9所示。

圖9 故障處理模塊處理流程圖

2.6 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊的處理流程是：當(dāng)軟件開始運(yùn)行時(shí)，根據(jù)當(dāng)前日期創(chuàng)建日志文件，存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將水冷系統(tǒng)運(yùn)行信息共享至旋翼塔液壓/操縱系統(tǒng)，將電機(jī)運(yùn)行信息共享至旋翼塔測試系統(tǒng)和液壓/操縱系統(tǒng)，同時(shí)接受液壓/操縱系統(tǒng)發(fā)送的旋翼總距變化等信息。數(shù)據(jù)管理模塊邏輯處理流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)管理模塊處理流程圖

2.7 界面顯示及軟件調(diào)試

PLC編程軟件采用的是TIA PORTAL V15，將需要控制和監(jiān)視的變量及參數(shù)通過TCP/IP傳輸協(xié)議以“REAL”作為數(shù)據(jù)類型與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)采用的是LabVIEW平臺(tái)[7]，軟件界面大體上分為3個(gè)部分，分別是系統(tǒng)操控窗口、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視窗口以及故障報(bào)警顯示窗口，如圖11所示。

圖11 軟件界面

完成所有軟件設(shè)計(jì)工作之后進(jìn)行軟件調(diào)試，在空載的狀態(tài)下，由變頻器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，脫開傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如表4所示。經(jīng)分析，調(diào)試結(jié)果滿足軟件要求，可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表4 動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

3.試驗(yàn)驗(yàn)證

完成軟件開發(fā)和調(diào)試后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)驗(yàn)證，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后得到旋翼塔動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)的加速特性曲線、減速特性曲線、轉(zhuǎn)速精度曲線以及輸出功率曲線，如圖12所示。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與功能需求進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求，可用于旋翼塔試驗(yàn)。

圖12 試驗(yàn)結(jié)果

表5 試驗(yàn)結(jié)果與功能需求對(duì)比

4.結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了某型直升機(jī)旋翼試驗(yàn)塔動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，充分分析了軟件的功能需求，劃分軟件功能模塊，進(jìn)而確定軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。以PLC 1500作為系統(tǒng)的控制單元，采用TIA PORTAL V15編寫PLC程序，使用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)編程軟件，完成軟件調(diào)試之后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求，可用于往后旋翼塔試驗(yàn)。并且該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型號(hào)直升機(jī)旋翼功能性試驗(yàn)以及旋翼旋轉(zhuǎn)動(dòng)特性試驗(yàn)，系統(tǒng)安全可靠，能夠精確控制旋翼轉(zhuǎn)速。