周建軍，周文彬，盛 沙，李英順，耿思媛，馬景蘭

(北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京102617)

隨著軍事作戰(zhàn)原則的發(fā)展和高新技術(shù)在軍事裝備中的廣泛應(yīng)用，裝備的技術(shù)保障能力在部隊(duì)的戰(zhàn)斗力中占據(jù)了越來越重要的地位，已成為保證裝備完好、運(yùn)行安全可靠、形成作戰(zhàn)能力的先決條件[1-3]。炮控系統(tǒng)是坦克火力控制主線末端的執(zhí)行系統(tǒng)，承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定坦克火炮炮塔的作用，是充分發(fā)揮火控系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)“先敵開火、首發(fā)命中”的重要保證。對(duì)于坦克炮控系統(tǒng)而言，其復(fù)雜度較高、故障排除周期較長[4-5]。一些坦克修理廠修理任務(wù)繁重，而炮控系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)可快速完成檢修工作、提高檢修效率。為此，研制具有采集精度高、故障定位準(zhǔn)確和體積小等優(yōu)點(diǎn)的坦克炮控系統(tǒng)綜合檢測(cè)平臺(tái)是十分必要的。

國內(nèi)一些科研單位對(duì)坦克炮控系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備方面進(jìn)行了研究。朱斌等[6]研制了某型坦克炮控系統(tǒng)綜合檢測(cè)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某型坦克炮控系統(tǒng)各部件與中修相應(yīng)的性能工況檢查，包括陀螺儀組、配電盒、操縱臺(tái)和角度限制器等8個(gè)電氣部件。張成名等[7]設(shè)計(jì)了一種基于PC104總線的便攜式武器裝備電子系統(tǒng)綜合檢測(cè)儀，滿足了武器裝備基層級(jí)可更換單元的檢測(cè)診斷，該檢測(cè)儀具有通用性，可以完成武器裝備電子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。1個(gè)綜合檢測(cè)平臺(tái)只檢測(cè)1個(gè)型號(hào)坦克的幾個(gè)部件，存在占用空間大、資源利用率不高等問題，所以筆者設(shè)計(jì)了一款可以檢測(cè)5個(gè)型號(hào)坦克的炮控系統(tǒng)綜合檢測(cè)平臺(tái)。

故障樹分析法是一種知識(shí)組織方式，其打破了傳統(tǒng)診斷方法的產(chǎn)生式規(guī)則，避免了故障分析數(shù)據(jù)快速膨脹，可以將系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低，其優(yōu)越性還在于邏輯推理嚴(yán)謹(jǐn)且數(shù)學(xué)計(jì)算嚴(yán)密，既可以分析系統(tǒng)故障性質(zhì)類型，又可以分析頂事件受底事件的影響程度[8]。彭華亮等[9]利用故障樹分析方法設(shè)計(jì)了一種發(fā)射車電氣系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，并驗(yàn)證了其系統(tǒng)的通用性和有效性。李貴虎等[10]提出并建立了機(jī)械擊發(fā)機(jī)構(gòu)的故障樹，對(duì)可能擊發(fā)機(jī)構(gòu)故障起因進(jìn)行故障分析，并應(yīng)用于某火炮炮彈留膛故障，解決了傳統(tǒng)診斷方法不能徹底排除全部故障的問題。因此，筆者采用故障樹診斷方法與采集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)炮控系統(tǒng)的故障診斷。

1 綜合檢測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

坦克炮控系統(tǒng)綜合檢測(cè)平臺(tái)主要由檢測(cè)電纜、信號(hào)調(diào)理板、PCI數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和綜合檢測(cè)軟件等幾部分組成。該平臺(tái)可完成5種型號(hào)坦克的炮控箱、電機(jī)放大機(jī)控制盒、線加速度計(jì)和陀螺儀組等部件的故障檢測(cè)，達(dá)到系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)、板級(jí)3個(gè)層次的檢測(cè)維修，具有通用化、模塊化、信息化的特點(diǎn)。每種型號(hào)的坦克部件由一塊信號(hào)調(diào)理電路板完成檢測(cè)，這樣5種型號(hào)坦克部件檢測(cè)時(shí)相互獨(dú)立、互不影響。

綜合檢測(cè)軟件檢測(cè)部件某一項(xiàng)功能時(shí)，通過軟件控制開關(guān)量輸出卡和信號(hào)調(diào)理板控制被測(cè)部件相應(yīng)接觸器或繼電器開關(guān)，模擬被測(cè)試工況完成部件功能測(cè)試。軟件記錄PCI采集卡采集的檢測(cè)部件被測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算其與正常參考值的偏差，使用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果。該檢測(cè)平臺(tái)工作原理如圖1所示。

炮控系統(tǒng)被檢測(cè)信號(hào)可由3種信號(hào)組合完成各項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容。這3種信號(hào)分別為模擬輸入信號(hào)，信號(hào)調(diào)理到-10～10 V范圍內(nèi)；采集卡模擬輸出信號(hào)，范圍為-10～10 V，通過信號(hào)調(diào)理板可以調(diào)理到-10～135 V；開關(guān)量控制信號(hào)，可以通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如直接連接2個(gè)信號(hào)、信號(hào)供電或信號(hào)接地等。

數(shù)據(jù)采集卡選擇：綜合檢測(cè)平臺(tái)選用2塊PCI-1713完成信號(hào)采集。PCI-1713是一款適用于PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡。其提供了32個(gè)模擬量輸入通道。通道的采樣速率高達(dá)100 kS/s，分辨率為12 bit且提供2500V DC的隔離保護(hù)。

檢測(cè)平臺(tái)模擬量輸出卡選擇研華PCI-1724U板卡，是一種適用于PCI總線帶隔離的24通道模擬量輸出卡。PCI-1724U的每個(gè)模擬量輸出通道都配有1個(gè)14 bit的雙緩存DAC。

檢測(cè)平臺(tái)開關(guān)量輸出卡選擇研華PCI-1751板卡，PCI-1751是一款適用于PCI總線的48 bit數(shù)字量I/O卡。其可提供48 bit并行數(shù)字輸入/輸出通道以及3個(gè)計(jì)時(shí)器。

綜合檢測(cè)平臺(tái)控制信號(hào)由PCI-1724U和PCI-1751板卡經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)接板接入信號(hào)調(diào)理板，再給到被測(cè)部件。檢測(cè)信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理板，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)接板接入PCI-1713，綜合檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)采集。

2 信號(hào)調(diào)理板設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理板的主要功能是調(diào)理被測(cè)部件的信號(hào)(一般是電壓信號(hào))，是整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。測(cè)試過程中輸入輸出信號(hào)繁多，為適應(yīng)多車型檢測(cè)需求，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。部件被測(cè)信號(hào)范圍很寬，直流信號(hào)最大可達(dá)135 V，需要調(diào)理到數(shù)據(jù)采集卡的量程內(nèi)。

被檢測(cè)部件通過電纜連接檢測(cè)平臺(tái)相應(yīng)的航空插頭，檢測(cè)電纜將部件輸出信號(hào)首先發(fā)送給信號(hào)調(diào)理板，信號(hào)調(diào)理板通過信號(hào)調(diào)理模塊將信號(hào)調(diào)理到PCI數(shù)據(jù)采集卡允許的信號(hào)范圍內(nèi)后，工控機(jī)操作數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。工控機(jī)實(shí)時(shí)顯示被測(cè)部件的功能情況，發(fā)送控制與激勵(lì)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、顯示和存儲(chǔ)。

信號(hào)調(diào)理板設(shè)計(jì)及信號(hào)流向圖如圖2所示。

2.1 開關(guān)量控制電路

為了測(cè)試被測(cè)部件的工作性能，需要切換被測(cè)部件內(nèi)部不同的繼電器或接觸器開關(guān)，使部件工作于不同工況。開關(guān)量控制電路控制繼電器實(shí)現(xiàn)部件內(nèi)不同工況的切換。如其中部分開關(guān)電路如圖3所示，PC04是數(shù)字量輸出卡PCI-1751的1個(gè)引腳。當(dāng)PC04輸出高電平時(shí)，固體繼電器G25工作，被測(cè)部件X2_16接口接入+26 V電壓。

2.2 電壓預(yù)處理電路

被測(cè)部件輸出信號(hào)大于10 V時(shí)，采用分壓電阻進(jìn)行分壓，通過計(jì)算選擇合適阻值的分壓電阻，將部件輸出的電壓信號(hào)調(diào)理到數(shù)據(jù)采集卡接受的范圍內(nèi)。炮控箱的1個(gè)信號(hào)處理電路如圖4所示。XS的G2_1、G4_20信號(hào)電壓為15 V左右。選用2個(gè)62 kΩ和30 kΩ分壓電阻進(jìn)行分壓，分得的電壓應(yīng)為5 V左右，在數(shù)據(jù)采集卡接受范圍之內(nèi)，再由數(shù)據(jù)采集卡將該信號(hào)引至模擬量輸入卡PCI-1713的AI11、AI12管腳進(jìn)行測(cè)量。

2.3 交流預(yù)處理電路

交流信號(hào)處理電路原理圖如圖5所示，選用SPT204A電流型電壓互感器進(jìn)行交流電壓采集，此型號(hào)電壓互感器精度高、無漂移、可有效進(jìn)行電磁隔離，可以將三路交流信號(hào)調(diào)理到采集卡可接受的范圍。

2.4 信號(hào)放大電路

炮控系統(tǒng)中有一些微小的信號(hào)需要進(jìn)行放大后才能由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。因此，選用LM358雙運(yùn)算放大器，其內(nèi)部含有2個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，可適合于寬電源電壓范圍的單電源工作模式使用及雙電源工作模式。信號(hào)放大電路如圖6所示，放大器接正負(fù)15 V電源并附加電容C1、C2，信號(hào)輸入端接2個(gè)二極管及1個(gè)電容起保護(hù)和濾波作用，電阻R50、R54和運(yùn)算放大器構(gòu)成一路正相比例運(yùn)算放大器，電阻R53、R55和運(yùn)算放大器構(gòu)成另一路放大電路。同相比例放大倍數(shù)為：

輸出信號(hào)接入PCI-1713的通道實(shí)現(xiàn)電壓采集。

1個(gè)型號(hào)坦克部件檢測(cè)的信號(hào)調(diào)理板的印刷線路板實(shí)物圖如圖7所示。信號(hào)調(diào)理板尺寸為30 cm×140 cm。該型號(hào)坦克的信號(hào)調(diào)理板制作加工實(shí)物圖如圖8所示。

3 綜合檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

3.1 故障樹故障診斷方法應(yīng)用

炮控裝置綜合控制箱(炮控箱)是炮控系統(tǒng)的綜合控制部件，是炮控系統(tǒng)的心臟，幾乎與炮控系統(tǒng)的各個(gè)部件都有關(guān)系，其可靠性直接關(guān)系到坦克武器性能。因此，選擇硬件系統(tǒng)中的炮控箱進(jìn)行主要的研究和分析，并對(duì)其建立故障樹。

步驟1：確定頂事件。建立炮控箱故障樹是為了對(duì)炮控箱進(jìn)行有效的故障診斷，不論系統(tǒng)何處發(fā)生故障均可認(rèn)為是炮控箱發(fā)生故障，故頂事件選取為炮控箱故障，對(duì)應(yīng)事件代碼為T，如表1所示。

表1 故障事件編碼

步驟2：確定中間事件。對(duì)應(yīng)表1中的事件代碼M1～M5。

步驟2：確定底事件。對(duì)應(yīng)表1中事件代碼x1～x22。

所建立的故障樹如圖9所示。

故障樹定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能原因及其組合，識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的故障模式和分析系統(tǒng)潛在的故障[10]。故障樹中可以引起頂層事件發(fā)生的底事件合集稱為1個(gè)割集，最小割集是那些屬于去掉其中任何1個(gè)底事件就不再成為割集的底事件集合，僅當(dāng)最小割集所包含的底事件同時(shí)存在時(shí)，頂事件才發(fā)生。使用上行法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下：

M5=x21+x22

(1)

M4=x15+x16+x17+x18+x19+x20

(2)

M3=x10+x11+x12+x13+x14

(3)

M2=x6+x7+x8+x9

(4)

M1=x1+x2+x3+x4+x5

(5)

T=M1+M2+M3+M4+M5

(6)

故得：T=x1+x2+x3+x4+…+x22

(7)

所以炮控箱故障的最小割集為：

{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，…，{x22}

由以上分析可得炮控箱故障樹的22個(gè)最小割集，表示炮控箱發(fā)生故障的22種模式，由于最小割集均為1個(gè)基本事件組成的一階割集，因此每一基本事件的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。

3.2 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

利用visual C#.net語言和SQL Server數(shù)據(jù)庫編寫綜合檢測(cè)軟件，軟件應(yīng)用程序安裝于工控機(jī)上[11]。軟件在設(shè)計(jì)過程中采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)方法，綜合檢測(cè)軟件主要包括部件檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、故障分析模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊。部件檢測(cè)模塊完成被測(cè)試部件的功能檢測(cè)，并完成一鍵檢測(cè)。數(shù)據(jù)查詢模塊進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的按日期查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。故障分析模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析故障可能發(fā)生的位置。系統(tǒng)維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)用戶和密碼管理功能。軟件的工作流程圖如圖10所示。綜合檢測(cè)軟件炮控箱性能檢測(cè)界面如圖11所示，用戶可以從下拉列表框中選擇檢測(cè)項(xiàng)完成單項(xiàng)檢測(cè)，測(cè)試值顯示在表格中，也可以以曲線形式顯示，通過不同的給定條件觀察測(cè)試項(xiàng)的輸出信號(hào)變化。點(diǎn)擊“全部自動(dòng)測(cè)試”按鈕，軟件自動(dòng)完成每個(gè)測(cè)試項(xiàng)自動(dòng)檢測(cè)功能。

4 綜合檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

檢測(cè)平臺(tái)主要包括工控機(jī)IPC-610L、計(jì)算機(jī)接口板、信號(hào)調(diào)理板、檢測(cè)電纜、AC 400HZ電源箱、DC 電源箱、設(shè)備操作面板、顯示屏(22吋觸摸式彩色屏)和武器部件接口板。計(jì)算機(jī)接口板實(shí)現(xiàn)AO、DO板卡輸出信號(hào)的一對(duì)多轉(zhuǎn)換，這樣每一塊信號(hào)調(diào)理板都可以引入AO和DO信號(hào)。電源箱可以提供4種電壓：24 V DC 25 A、 ±15 V DC 5 A、±18 V DC 3 A、5 V DC 500 mA。炮控系統(tǒng)綜合檢測(cè)平臺(tái)的內(nèi)部視圖如圖12所示。綜合檢測(cè)平臺(tái)可對(duì)5種車型的主要部件進(jìn)行檢測(cè)。1個(gè)信號(hào)調(diào)理板檢測(cè)1個(gè)車型的部件，計(jì)算機(jī)接口板用于連接信號(hào)調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集卡。檢測(cè)部件時(shí)通過檢測(cè)電纜連接被測(cè)部件，根據(jù)手冊(cè)操作說明完成各部件的功能檢測(cè)。

5 結(jié)論

針對(duì)某型坦克炮控系統(tǒng)，利用工控機(jī)作為主控單元，集成5塊PCI數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)炮控系統(tǒng)的部件檢測(cè)?；诠收蠘渲悄茉\斷方法實(shí)現(xiàn)了炮控箱故障定位。此設(shè)備經(jīng)有關(guān)單位使用，檢測(cè)準(zhǔn)確率高、軟件界面友好、方便操作使用，較好地解決了有關(guān)型號(hào)坦克快速檢修的問題。