祝澤強 吳雙金 馬子生

（航空工業(yè)直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

某型直升機全系統(tǒng)試驗臺是我國直升機領域最新研制的全尺寸試驗臺，該試驗臺有3種構型，旋轉(zhuǎn)動特性試驗構型，即旋翼試驗塔，可進行旋翼功能性試驗以及旋翼旋轉(zhuǎn)動特性試驗。動力拖動系統(tǒng)是該旋翼試驗塔的關鍵子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)電機的無極變速，以滿足旋轉(zhuǎn)動特性試驗要求[1]。而動力拖動系統(tǒng)監(jiān)控軟件直接控制動力拖動系統(tǒng)的運行情況，進而驅(qū)動旋翼運轉(zhuǎn)并精確控制旋翼的轉(zhuǎn)速，直接影響了旋翼塔試驗過程中的轉(zhuǎn)速精度要求，進而影響試驗結(jié)果和試驗效果[2]。此外，動力拖動系統(tǒng)功率等級達到了3500kW，考慮到電機工作時的噪聲及安全因素，試驗人員不宜在現(xiàn)場操作；同時，動力拖動系統(tǒng)軟件還能與測試單元進行實時通訊，交互試驗數(shù)據(jù)、報警和故障等信號，因此開發(fā)一款運行穩(wěn)定、安全可靠的遠程監(jiān)控軟件是必需的[3]。

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

1.軟件總體設計

1.1 系統(tǒng)概述

新構型旋翼塔動力拖動系統(tǒng)采用電力交流拖動[4]，采用“中壓變頻電機＋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，并包括相應的傳動系統(tǒng)及輔機控制系統(tǒng)，主要包含高壓開關柜、變壓器、變頻器、變頻電機、PLC可編程控制器、上位機、部分傳動系統(tǒng)以及輔機系統(tǒng)等組成，其中上位機和PLC可編程控制器[5]主要進行邏輯控制顯示，包含外部輔機系統(tǒng)控制指令反饋、輸入信號、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 旋翼塔動力拖動系統(tǒng)組成

1.2 功能性需求分析

動力拖動系統(tǒng)是旋翼塔的核心組成部分，試驗過程中，用戶根據(jù)指令操作軟件控制電機啟停、旋翼旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)動速度，并能保證系統(tǒng)的安全運行以及數(shù)據(jù)的采集和共享。因此。動力拖動系統(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，以防止非相關人員進行操作系統(tǒng)以及篡改軟件程序，目的在于保護系統(tǒng)和軟件。

（2）電機監(jiān)控功能。主要用于電機、變頻器等監(jiān)控，也要此控制軟件的核心，包括控制高壓開關控制、電機開車停車控制、電機旋轉(zhuǎn)方向控制、旋翼轉(zhuǎn)速精確控制以及各組成設備運行狀態(tài)實時顯示。

（3）輔機監(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、風冷系統(tǒng)監(jiān)控以及組成設備狀態(tài)實時顯示。

（5）指令初始化功能。當初次運行軟件或者當故障排除后重啟軟件時，軟件自動優(yōu)先讀取設備當前運行狀態(tài)，并將當前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為當前指令下發(fā)給執(zhí)行設備。

（6）數(shù)據(jù)管理功能。主要用于生成工作報表，記錄系統(tǒng)運行狀態(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)試驗技術指標，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。軟件界面布局設計合理，具有較高的可操作性。關鍵指令下發(fā)時，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。需要對誤操作有相應的保護措施，以防止用戶誤操作導致的破壞；另外當出現(xiàn)極端意外情況時，有獨立的急停按鈕，以保證系統(tǒng)緊急停車。

（4）可擴展性需求。能便捷地獲取開發(fā)接口，以進行后續(xù)功能擴展和系統(tǒng)升級，同時方便與其余端口進行數(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;對患者進行圖像分析判定,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;狹窄位置位于頸動脈分叉處25例,頸內(nèi)動脈7例,多處狹窄3例。24例患者的頸動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）在新增或擴展功能時，減少對已有模塊的改動，在新增模塊中實現(xiàn)功能。

（3）功能調(diào)整或修改BUG時，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

動力拖動系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)結(jié)構如圖3所示，當軟件運行時，開始運行主程序，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。進入程序后，首先與各PLC和設備建立通訊，讀取各設備的當前運行狀態(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和輔機設備，系統(tǒng)運行過程中監(jiān)控電機、變頻器、輔機等設備的運行狀態(tài)，重點關注旋翼轉(zhuǎn)速；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可從故障處理模塊獲取故障信息并采取相應措施；軟件運行后，系統(tǒng)自動記錄數(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)獲取當前旋翼總距等運行狀態(tài)。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構

2.軟件詳細設計與實現(xiàn)

2.1 安全登陸模塊設計與實現(xiàn)

安全登陸模塊的處理流程主要是：首先進入登陸界面，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，則提醒密碼錯誤并返回登陸界面，如果正確則進入軟件操作界面。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 通訊模塊設計與實現(xiàn)

通訊模塊是軟件設計的難點，通訊模塊由上位機、交換機、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接入以太網(wǎng)與上位機建立通訊，上位機通過UDP協(xié)議與旋翼塔其他單元進行數(shù)據(jù)共享；上位機通過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)接以實現(xiàn)對變頻器的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端通訊卡將變頻器、上位機連入系統(tǒng)，組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡；PLC為主站，上位機為二類主站，變頻器為從站，完成對變頻電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。通訊模塊硬件結(jié)構如圖6所示。

圖6 通訊模塊硬件結(jié)構

2.3 電機監(jiān)控模塊設計與實現(xiàn)

電機監(jiān)控模塊包括變頻電機、變頻電機、高壓控制柜等，變頻電機選用的是4.16kV電壓等級SIMATICS GM150的中壓變頻電機，電機同軸安裝脈沖光電編碼器作為轉(zhuǎn)速反饋裝置，以實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，同時，電機內(nèi)部安裝定子繞組、軸承溫度傳感器及風冷回路溫度傳感器，用以監(jiān)控中壓變頻電機運行狀況；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中的每一個字都已編址，通過對被編址參數(shù)排序，可向變頻器寫入控制字、設定值或讀出狀態(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

電機監(jiān)控模塊的處理流程是：操作員進入程序，系統(tǒng)指令初始化之后進行高壓合閘，等待母線電壓達到4.16kV時確認旋翼旋轉(zhuǎn)方向，電機驅(qū)動開車，輸入旋翼目標轉(zhuǎn)速，變頻器進行PID修正直到達到目標轉(zhuǎn)速，試驗結(jié)束后輸入0轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速回零后執(zhí)行停車程序；操作過程中需輔機系統(tǒng)配合，并且全程注視電機及變頻器運行狀態(tài)。電機監(jiān)控模塊處理流程如圖7所示。

圖7 電機監(jiān)控模塊處理流程

2.4 輔機監(jiān)控模塊設計與實現(xiàn)

輔機監(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)單獨接入PLC 300，其余接入PLC 1500。輔機監(jiān)控模塊的處理流程是：在電機合閘前開啟滑油系統(tǒng)，確保電機軸承的潤滑以及散熱；開啟水冷系統(tǒng)，打開左、右冷卻器，保證電機冷卻，另外，水冷系統(tǒng)還分流至液壓/操縱系統(tǒng)；關閉主電機加熱器以及冷卻器加熱器，打開電阻柜風機和冷卻器風機，保證電阻柜和冷卻器的散熱效果；試驗結(jié)束時，關閉水冷系統(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)，不能同時運行，且試驗時只能是空冷系統(tǒng)運行，加熱系統(tǒng)關閉；無試驗任務時，只能是加熱系統(tǒng)運行，空冷系統(tǒng)關閉。輔機監(jiān)控模塊處理流程如圖8所示。

圖8 輔機監(jiān)控模塊處理流程

2.5 故障處理模塊設計與實現(xiàn)

故障處理模塊的處理流程是：接受系統(tǒng)各設備的故障信息，及時定位，根據(jù)與故障信息報警顯示，并進行故障診斷、處理；當電機三相繞組或軸承溫度過高時，執(zhí)行緊急停車程序；故障消除后，系統(tǒng)進行運行。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)管理模塊設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊的處理流程是：當軟件開始運行時，根據(jù)當前日期創(chuàng)建日志文件，存儲系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將水冷系統(tǒng)運行信息共享至旋翼塔液壓/操縱系統(tǒng)，將電機運行信息共享至旋翼塔測試系統(tǒng)和液壓/操縱系統(tǒng)，同時接受液壓/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)類型與上位機進行數(shù)據(jù)交換。上位機采用的是LabVIEW平臺[7]，軟件界面大體上分為3個部分，分別是系統(tǒng)操控窗口、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視窗口以及故障報警顯示窗口，如圖11所示。

圖11 軟件界面

完成所有軟件設計工作之后進行軟件調(diào)試，在空載的狀態(tài)下，由變頻器直接驅(qū)動電機，脫開傳動系統(tǒng)對動力拖動系統(tǒng)進行運行調(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)進行試驗驗證。

表4 動力拖動系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

3.試驗驗證

完成軟件開發(fā)和調(diào)試后進行旋轉(zhuǎn)動特性試驗驗證，將數(shù)據(jù)進行分析之后得到旋翼塔動力拖動系統(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。將試驗數(shù)據(jù)與功能需求進行對比，對比結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明：該系統(tǒng)設計滿足試驗要求，可用于旋翼塔試驗。

圖12 試驗結(jié)果

表5 試驗結(jié)果與功能需求對比

4.結(jié)語

本文詳細介紹了某型直升機旋翼試驗塔動力拖動系統(tǒng)軟件總體設計和詳細設計，充分分析了軟件的功能需求，劃分軟件功能模塊，進而確定軟件系統(tǒng)結(jié)構，再進行系統(tǒng)的詳細設計。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平臺進行上位機編程軟件，完成軟件調(diào)試之后進行試驗驗證，結(jié)果顯示系統(tǒng)設計滿足試驗要求，可用于往后旋翼塔試驗。并且該系統(tǒng)已成功應用于某型號直升機旋翼功能性試驗以及旋翼旋轉(zhuǎn)動特性試驗，系統(tǒng)安全可靠，能夠精確控制旋翼轉(zhuǎn)速。