FADEC半實物仿真平臺測控系統(tǒng)設計

陳 盛

0 引言

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)，是決定航空發(fā)動機性能的一個關鍵功能系統(tǒng)，在航空發(fā)動機發(fā)展中占據(jù)了十分重要的地位。隨著電子集成化技術的飛速發(fā)展，使用全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)（以下簡稱 FADEC系統(tǒng)），以獲得易于操縱、便于維護、低燃油消耗、高性能的發(fā)動機，代表了發(fā)動機控制系統(tǒng)研究的重點和發(fā)展方向。采用更為先進的控制模式和控制方法，對于提高航空發(fā)動機的性能來說是一件事半功倍的事情，然而先進的控制模式和控制方法的實際應用，絕非一項輕而易舉的工作，從方案論證到最終定型會歷經(jīng)多個研制階段，每個階段都需要開展大量的設計及試驗驗證工作，其中應用仿真試驗技術，已逐漸發(fā)展成為研制工作的關鍵內(nèi)容之一。

仿真技術是以控制論、系統(tǒng)工程技術、信息技術為基礎，以計算機和專業(yè)物理設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際或設想系統(tǒng)進行動態(tài)試驗研究的一門多學科綜合技術。它具有良好的可控性、無破壞性、安全、不受氣候環(huán)境限制、可多次重復和經(jīng)濟性好的特點。作為仿真技術的重要分支，半實物仿真涉及的領域極廣，包括機電技術、液壓技術、控制技術等。從某種程度上講，一個國家的半實物仿真技術的發(fā)展水平，代表其整體的科技實力，半實物仿真是工程領域內(nèi)一種應用較為廣泛的仿真技術。

FADEC半實物仿真系統(tǒng)是由參試件（液壓機械裝置、數(shù)字電子控制器、傳感器等）、發(fā)動機數(shù)學模型及半實物仿真設備組成。由于盡可能多的導入了真實試驗件，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)在半實物仿真系統(tǒng)上的工作情況與在真實發(fā)動機上的工作情況極為相似，通過半實物仿真試驗對數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整，使系統(tǒng)的性能滿足設計要求，可初步得出FADEC系統(tǒng)是否滿足設計要求的結論，并降低發(fā)動機試車風險。

1 半物理仿真設備的組成

典型FADEC半實物仿真系統(tǒng)結構，如圖1所示：

圖1 典型FADEC半實物仿真系統(tǒng)結構

試驗設備主要由電氣傳動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、變幾何模擬系統(tǒng)、設備綜合管理系統(tǒng)、信號模擬系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成。

圖中電氣傳動系統(tǒng)主要用于驅(qū)動液壓機械裝置；燃油系統(tǒng)用于提供符合要求流量、壓力及清潔度的燃油；變幾何模擬系統(tǒng)用于模擬發(fā)動機導葉、壓氣機導向角度及噴口位移；信號模擬系統(tǒng)用于模擬采集發(fā)動機各截面參數(shù)的傳感器輸出信號；設備綜合管理系統(tǒng)完成設備檢查、啟停、監(jiān)控及運行保護功能；測控系統(tǒng)主要完成試驗設備及被試件狀態(tài)的采集，供發(fā)動機模型及設備綜合管理系統(tǒng)所使用。試驗過程中各分系統(tǒng)接收發(fā)動機數(shù)學模型輸出控制相關設備到指定狀態(tài)，并改變參試件狀態(tài)，在此過程中發(fā)動機模型、各設備間的電氣連接，是實現(xiàn)仿真效果的重要環(huán)節(jié)。由于FADEC系統(tǒng)的特點，半實物仿真環(huán)境是油、氣、強電、轉(zhuǎn)動件復合工作環(huán)境，常規(guī)試驗設備占地約有數(shù)百平方米，設備間距離長的有數(shù)十米，而且由于單一試驗設備需要滿足同一系列FADEC系統(tǒng)驗證要求，設備必須具備足夠的擴展性和充分的可配置性。

2 ETHERCAT測控系統(tǒng)技術方案

半實物仿真平臺原來使用了基于 0槽控制器的集中式測控系統(tǒng)，各采集板卡一般是基于PCI、PXI或者VXI接口形式，各分系統(tǒng)信號均須用信號電纜匯總至測控計算機處，這一構型存在的問題是信號電纜易受干擾，由于電纜數(shù)量多，維護難度大，擴展成本高，可配置性差。隨著近年來，工業(yè)總線的興起，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)的大量使用，使半實物仿真平臺的有了更多選擇，通過對常用各類工業(yè)以太網(wǎng)技術的分析比較，最終選定了ETHERCAT技術作為測控協(xié)議平臺，如表1所示：

表1 常用工業(yè)以太網(wǎng)參數(shù)比較表

Ethercat是一種實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術，采用主從介質(zhì)訪問方式，主站控制所有從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時讀取相關報文中的輸出數(shù)據(jù)，同時，從站的輸入數(shù)據(jù)插入到同一數(shù)據(jù)幀的報文中。當該數(shù)據(jù)幀經(jīng)過所有從站并完成數(shù)據(jù)交換后，由 Ethercat系統(tǒng)的末端從站將數(shù)據(jù)幀返回，整個過程中報文只有幾個ns的時間延遲。另外，Ethercat幾乎支持任何拓撲類型，而且不受限于級聯(lián)交換機或集線器的限制，兩個設備間距離最大可支持1000m，十分符合航空發(fā)動機控制系統(tǒng)半實物仿真平臺的需要。

基于EtherCat的仿真平臺如硬件構架，如圖2所示：

圖2 仿真平臺硬件構架示意圖

3 軟件實現(xiàn)

依據(jù)半實物仿真平臺功能劃分及軟件構架，半實物仿真軟件系統(tǒng)主要由3部分子系統(tǒng)組成：測控采集子系統(tǒng)、仿真設備管理子系統(tǒng)、發(fā)動機模型子系統(tǒng)。測控采集子系統(tǒng)完成基于Ethercat總線的各類數(shù)據(jù)采集及給定；仿真設備管理子系統(tǒng)實現(xiàn)設備邏輯控制、運行監(jiān)控及狀態(tài)記錄；發(fā)動機模型子系統(tǒng)完成發(fā)動機數(shù)學模型的運行、顯示、操控及數(shù)據(jù)存儲。仿真平臺軟件構架，如圖3所示：

圖3 仿真平臺軟件構架示意圖

3.1 測控采集子系統(tǒng)

Ethercat提供的虛擬主站Twincat可取代常規(guī)的可編程控制器，測控采集子系統(tǒng)在Twincat基礎上完成各項測控功能，開發(fā)環(huán)境分別由完成變量定義的系統(tǒng)管理器（system mananger）及完成采集功能處理的軟 PLC組成，軟件主要開發(fā)工作集中在軟PLC環(huán)境下完成，軟件運行周期為1ms。

軟PLC部分的軟件主要有下列模塊組成：開關量消抖模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、ADS通訊接口模塊。開關量消抖模塊實現(xiàn)5個運行期的開關量輸入及輸出的軟消抖；數(shù)據(jù)處理模塊完成對于各類模擬量、開關量及多種通訊協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、濾波處理，通訊協(xié)議包括Profibus、CAN、RS-232/422、Ethercat-RT等；ADS通訊接口模塊主要完成軟PLC程序通過ADS與windows環(huán)境下設備管理子系統(tǒng)及模型子系統(tǒng)的接口工作，包括ADS通訊數(shù)據(jù)結構的維護、當期數(shù)據(jù)的打包及解碼、通訊指令的解析以及軟PLC運行監(jiān)控字的獲取及維護。

3.2 仿真設備管理子系統(tǒng)

設備管理子系統(tǒng)按照運行模式不同，可分為運行期和配置期兩種模式，各模式下功能，如圖4所示：

圖4 設備管理子系統(tǒng)模式示意圖

設備管理子系統(tǒng)通過ads獲取采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要完成數(shù)據(jù)標定、設備配置、設備控制、設備運行期監(jiān)控、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)存儲，并具備部分自動化試驗功能，根據(jù)不同運行狀態(tài)，將模塊功能劃分為配置期及運行期，配置期主要子系統(tǒng)處于非周期運行狀態(tài)，完成各類配置參數(shù)的修改，子系統(tǒng)在運行期處于 20ms定時周期運行狀態(tài)，定時基于windows多媒體定時器實現(xiàn)，主要完成設備邏輯處理、顯示及存儲等功能。

運行期完成參試參數(shù)的標定、監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)存儲，該部分功能較多，但各功能間界面較清晰，主要是分成了3層。首先是參數(shù)層，預計參數(shù)配置列表，對ads獲取數(shù)據(jù)進行批量處理，完成標定、采集數(shù)據(jù)分發(fā)及控制數(shù)據(jù)填充。第二層是邏輯層，依據(jù)采集數(shù)據(jù)表征的設備狀態(tài)，按照設定邏輯完成設備三級報警檢查、設備控制字生產(chǎn)及用戶操作指令響應。第三層操作輔助層，主要完成用戶指令接口、參數(shù)及曲線繪制、報警信息顯示、數(shù)據(jù)存儲等。

設備管理子模塊涉及信號眾多，為提高程序結構性及可復用性，打破了設備分類模式，按照信號類型統(tǒng)一進行了處理。

3.3 發(fā)動機模型子系統(tǒng)

發(fā)動機模型子系統(tǒng)，主要完成參數(shù)獲取、數(shù)學模型運行、用戶操縱接口、數(shù)據(jù)存儲等功能。根據(jù)發(fā)動機模型不同的類型，子系統(tǒng)結構存在微調(diào)。對于以dll/lib等庫文件形成的數(shù)學模型，模型子系統(tǒng)在 windows以多媒體定時器周期調(diào)用庫文件，而非庫文件則直接將模型改寫到軟PLC中，于測控采集子系統(tǒng)在同一層運行，用戶接口及數(shù)據(jù)存儲等輔助功能，則保留在windows環(huán)境下。

4 實施結果

完成方案設計后，進行了半實物仿真平臺的建設。建成的仿真平臺具有兩個Ethercat子網(wǎng)絡，累計具有模擬量采集130余路，開關量輸入300余路、開關量輸出40余路，模擬量輸出20余路，其它CAN、RS232/RS422、PROFIBUS等數(shù)字通訊通道10余路，各類參數(shù)采集及輸出運行于1ms的軟 PLC環(huán)境中，用戶界面及功能模塊運行于 20ms的win32環(huán)境中。

試驗結果表明：實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定，通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)的各參數(shù)穩(wěn)態(tài)精度可滿足要求，設備運行良好。5 結論

工業(yè)以太網(wǎng)因具有低成本、高時效、高擴展性等特點，必將成為未來工業(yè)網(wǎng)絡的主流，Ethercat由于其拓撲結構的多樣性、實時性及對 windows環(huán)境的友好支持成為工業(yè)以太網(wǎng)的重要選擇。

本文構建了完整的基于Ethercat總線的航空發(fā)動機半實物仿真系統(tǒng)，并投入實用，系統(tǒng)的測試結果表明，系統(tǒng)構架方案合理高效，各現(xiàn)場站點工作穩(wěn)定，可滿足仿真系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集的需要。

[1]王常力, 羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS) 設計與應用實例[M].北京電子工業(yè)出版社, 2004: 386 - 390

[2]沈蘭蓀 數(shù)據(jù)采集急速[M].合肥 中國科學技術大學出版社 1990

[3]韓志峰, 宋執(zhí)環(huán).基于嵌入式網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集與分布式計算機系統(tǒng)[J].傳感技術學報, 2006 , 6 (3) :885-889.

[4]姚 遠, 易本順, 等.基于 10/ 100M 網(wǎng)絡的嵌入式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設計[J].計算機應用, 2004，24(S2) : 287-288.

[5]Beckhoff GmbH.Et herCAT - t he Et hernet fieldbus .[C]EthercAT Technology Group.2006.