張 毫，王日先，熊進星

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)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(tǒng)研究的手段，試驗成果對燃燒室的研發(fā)、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(huán)境惡劣、危險性較高、狀態(tài)調節(jié)復雜、試驗持續(xù)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(tǒng)集中測控方式搭建的測控系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，可以有效控制研制、使用和維護成本，使測控系統(tǒng)具有系統(tǒng)配置靈活、功能可拓展性和兼容能力強、開發(fā)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(xù)分析和處理，要求具有較高的測試系統(tǒng)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(tǒng)能夠覆蓋各種試驗，保證測試系統(tǒng)具有高穩(wěn)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(tǒng)總體方案

測控系統(tǒng)是單管燃燒室試驗器重要組成系統(tǒng)。該系統(tǒng)按實現(xiàn)功能由數據服務器、測試系統(tǒng)、空氣控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、冷卻水控制系統(tǒng)和加溫系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。測試系統(tǒng)主要對燃燒室試驗件性能參數和試驗器狀態(tài)參數進行測量，能夠對試驗過程中關鍵參數進行監(jiān)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(tǒng)用來對空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和加溫系統(tǒng)進行匹配調節(jié)，保證試驗器在給定工作狀態(tài)下完成試驗任務內容；數據服務器負責協(xié)調和管理各系統(tǒng)之間的數據流，保障各系統(tǒng)之間信息共享，數據同步。各子系統(tǒng)由以太網連接，組建試驗器局域網絡。試驗器測控系統(tǒng)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(xié)議進行通信，控制設備與控制計算機通過OPC協(xié)議進行通信。測控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)總體方案

2.1 測控系統(tǒng)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(tǒng)一數據接口的測控系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)場高溫、震動、灰塵等惡劣工況環(huán)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(tǒng)的響應速度和測量精度。

2.1.1 測試系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)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(jiān)測功能，可用于惡劣的試驗環(huán)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(xié)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(tǒng)具有集成度高、體積小、通道掃描和計算速度快、采集精度穩(wěn)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(xié)議進行數據通信，完成試驗數據測量。

2.1.2 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)依照各自子系統(tǒng)技術功能要求進行開發(fā)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(jiān)控試驗設備工作狀態(tài)?？刂朴嬎銠C通過以太網對PLC發(fā)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(xiàn)控制功能，控制系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(fā)。

圖2 控制原理

軟件開發(fā)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(tǒng)軟件架構

測控系統(tǒng)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(fā)，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(tài)王6.55軟件開發(fā)，按各崗位功能分別設計；嵌入PLC軟件采用CX-ONE軟件開發(fā)，并植入到PLC內部。數據服務器軟件作為測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)數據交互媒介，完成數據存儲、數據管理和數據發(fā)放。測試軟件和控制軟件數據交互采用通信方式為OPC協(xié)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(tǒng)的管理和調度。

（2）數據處理和功能實現(xiàn)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(yè)務層提供數據服務，業(yè)務層通過本次與數據服務器進行交互。數據庫基于Access2003開發(fā)。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(xiàn)儀器控制的途徑。其中LXI測試儀器驅動程序封裝成DLL動態(tài)鏈

圖3 軟件流程

2.2.2 控制軟件設計

圖4 測試系統(tǒng)軟件主界面

控制上位機軟件采用組態(tài)王6.55版本開發(fā)，主要基于虛擬儀器技術開發(fā)，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(jiān)控，調節(jié)參數實時顯示、狀態(tài)報警、閥門等電氣操作以及數據發(fā)布等功能。控制上位機軟件與PLC之間通過OPC協(xié)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(jiān)控狀態(tài)參數。各子系統(tǒng)控制軟件單獨開發(fā)，控制軟件界面為相應系統(tǒng)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(xiàn)對電氣設備的自動控制?？刂葡到y(tǒng)軟件界面直觀友好，方便操作人員進行狀態(tài)調節(jié)，實時監(jiān)控相應崗位狀態(tài)參數，有效保證試驗安全有序進行。以空氣控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件主界面

該測控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)測量參數滿足指標要求。

其次在現(xiàn)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(tǒng)以及試驗器設備進行聯(lián)合熱態(tài)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(tǒng)各項性能指標滿足試驗器測試需求，運行安全、穩(wěn)定、可靠。

4 結束語

單管燃燒室試驗器測控系統(tǒng)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(tǒng)具有建設周期短，運行穩(wěn)定可靠，使用維護方便，擴展能力強等特點。測試系統(tǒng)滿足試驗器開展各類科研試驗任務的測試要求。

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