先進(jìn)的分布式飛機(jī)線纜測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，西安 710089）

在飛機(jī)總裝配、大修階段，經(jīng)常出現(xiàn)線纜接錯(cuò)、短路、漏電等導(dǎo)致的系統(tǒng)功能故障甚至機(jī)載設(shè)備燒毀的嚴(yán)重后果。鑒于此，必須在機(jī)載設(shè)備裝機(jī)通電前進(jìn)行線纜測(cè)試，保證機(jī)上電纜敷設(shè)正確，無(wú)絕緣磨損問(wèn)題。

傳統(tǒng)線纜測(cè)試過(guò)程使用萬(wàn)用表、兆歐表或指示燈，采用人工逐根線纜進(jìn)行測(cè)試的方式完成飛機(jī)線纜的通斷、絕緣等測(cè)試，這種測(cè)試方法存在局限性。由于飛機(jī)全機(jī)電纜的數(shù)量非常龐大，少則幾千根，多則幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)根，如全部進(jìn)行人工測(cè)試，則效率低，測(cè)試時(shí)間非常長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程很難全程監(jiān)控，極易出現(xiàn)錯(cuò)檢和漏檢等問(wèn)題，但如要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試又易產(chǎn)生大量的電纜接插工作，使試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)，試驗(yàn)線纜的保管難度大。

本文基于數(shù)字化測(cè)試原理，結(jié)合飛機(jī)線纜測(cè)試的特點(diǎn)，借鑒波音、空客的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了先進(jìn)的分布式飛機(jī)線纜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施方案，在保證基本測(cè)試內(nèi)容的前提下，使試驗(yàn)線纜的收放規(guī)整、提取方便，試驗(yàn)準(zhǔn)備快速，試驗(yàn)便捷，故障線纜定位高效、準(zhǔn)確，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠且具有可追溯性。同比節(jié)約大量人力財(cái)力，大大提高飛機(jī)線纜敷設(shè)質(zhì)量，提高出廠飛機(jī)的安全性。

1 線纜測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試模型

目前，飛機(jī)裝配、維修階段對(duì)電纜的測(cè)試項(xiàng)目主要包括：導(dǎo)通狀態(tài)測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、線纜電阻測(cè)試3個(gè)方面。其測(cè)試模型如圖1所示。

2 分布式線纜測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高線纜測(cè)試效率、試驗(yàn)準(zhǔn)確性，提出了分布式線纜測(cè)試系統(tǒng)方案。其分布式結(jié)構(gòu)[1]如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)主要由總控單元、執(zhí)行單元、總線網(wǎng)絡(luò)[2]、功率電纜、轉(zhuǎn)接電纜組成?？偪貑卧驁?zhí)行單元提供電源供給，并通過(guò)總線對(duì)執(zhí)行單元實(shí)施控制和信息交換；執(zhí)行單元通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜與飛機(jī)電纜連接，負(fù)責(zé)實(shí)施對(duì)飛機(jī)線纜的測(cè)試；總控單元和執(zhí)行單元通過(guò)CAN總線或1553B總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；功率電纜傳輸從總控單元來(lái)的測(cè)試激勵(lì)，可根據(jù)執(zhí)行單元的個(gè)數(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，功率電纜為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一電纜。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）總控單元與執(zhí)行單元之間采用基于CAN總線或1553B總線的菊花鏈控制電纜連接，可靠性好，適用于各種苛刻的測(cè)試環(huán)境。

圖1 線纜測(cè)試模型Fig.1 Cable testing model

（2）執(zhí)行單元可放置在遠(yuǎn)離總控單元的地方，構(gòu)建分布式測(cè)試系統(tǒng)，縮短了轉(zhuǎn)接電纜的長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化測(cè)試，降低了測(cè)試成本。

（3）一臺(tái)總控單元可控制由多個(gè)執(zhí)行單元組成的測(cè)試組或測(cè)試站既提高了系統(tǒng)靈活性又降低了成本

（4）只需增加執(zhí)行單元的個(gè)數(shù)和更改相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)就可便捷的擴(kuò)展測(cè)試通道、測(cè)試點(diǎn)數(shù)。

（5）通過(guò)對(duì)執(zhí)行單元外形、測(cè)試點(diǎn)數(shù)、個(gè)數(shù)的優(yōu)化使試驗(yàn)操作更簡(jiǎn)便。

（6）轉(zhuǎn)接電纜是具有數(shù)字化地址的專用電纜，可在任意執(zhí)行單元接插面板上的任意插座上隨意插接，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)接電纜的接插工作，縮短了連接時(shí)間。

2.1 總控單元

總控單元是線纜測(cè)試系統(tǒng)的核心功能單元，處理來(lái)自操作人員或測(cè)試程序的指令，根據(jù)測(cè)試指令來(lái)控制設(shè)定激勵(lì)、測(cè)量參數(shù)、執(zhí)行單元的切換測(cè)序，并從執(zhí)行單元收集測(cè)試結(jié)果。包括電壓源、電流源、工控機(jī)、測(cè)試激勵(lì)輸出控制模塊、測(cè)量模塊、總線通信板卡等組成，其內(nèi)部構(gòu)成如圖3所示。

（1）工控機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心[3]，負(fù)責(zé)控制試驗(yàn)流程和對(duì)其他硬件的調(diào)度。

（2）電流源和電壓源是線纜測(cè)試的源，由測(cè)試激勵(lì)輸出控制模塊接收工控機(jī)的指令控制其輸出，將電流源和電壓源設(shè)置在控制單元內(nèi)部而不是執(zhí)行單元，可減少電流源和電壓源的使用數(shù)量，降低執(zhí)行單元的重量、降低接線復(fù)雜程度、減少花費(fèi)。

（3）測(cè)量模塊負(fù)責(zé)測(cè)試激勵(lì)的輸出電壓和電流測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果送工控機(jī)。

（4）總線通信板卡是總控單元與執(zhí)行部件之間信息溝通的橋梁。

2.2 總線網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線或1553B總線網(wǎng)絡(luò)，這兩種總線都有分布處理、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、節(jié)點(diǎn)多、可靠性高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合分布式系統(tǒng)通信，其總線結(jié)構(gòu)如圖4[4]、圖5[5]所示。

2.3 功率電纜

功率電纜負(fù)責(zé)將總控單元內(nèi)電流源、電壓源的測(cè)試激勵(lì)發(fā)送給各執(zhí)行單元，功率電纜的規(guī)格相同，數(shù)量與執(zhí)行單元個(gè)數(shù)一致。

圖2 分布式線纜測(cè)試系統(tǒng)組成架構(gòu)Fig.2 Architecture of distributed aircraft cable testing system

2.4 轉(zhuǎn)接電纜

轉(zhuǎn)接電纜是線纜測(cè)試系統(tǒng)與機(jī)上電纜連接的過(guò)渡電纜，由ID插頭、電纜、與機(jī)上插頭（端子）對(duì)接的插頭（端子）組成，如圖6所示。

其中，ID插頭為專門定制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)插頭，內(nèi)置芯片，每個(gè)ID插頭有唯一的ID信息[6]， ID插頭與執(zhí)行單元對(duì)接后會(huì)將ID信息發(fā)送給執(zhí)行單元。ID插頭的每一個(gè)端子對(duì)應(yīng)一根機(jī)上線纜端頭，總控單元通過(guò)“ID信息+ID插頭端子編號(hào)”可獲知與該ID端子連接的機(jī)上電纜編號(hào)，其外形如圖7所示。

圖3 總控單元內(nèi)部構(gòu)成框圖Fig.3 internal structure diagram of general control unit

圖4 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 CAN bus network

圖5 1553B總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 1553B bus network

圖6 轉(zhuǎn)接電纜示意圖Fig.6 Connecting cable

圖7 ID插頭示意圖Fig.7 ID plug

飛機(jī)上位置接近的線纜插頭可共用一根轉(zhuǎn)接電纜，由一根轉(zhuǎn)接電纜分出不同的連接插頭（端子），飛機(jī)相近位置的插頭一般具有防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，可保證轉(zhuǎn)接電纜上連接插頭的防差錯(cuò)性。同一根轉(zhuǎn)接電纜上的連接插頭不宜太多，否則會(huì)影響轉(zhuǎn)接電纜可靠性以及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的整潔程度。

2.5 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元為分布式自動(dòng)控制繼電器開關(guān)箱，其內(nèi)部組成包括：微處理模塊、繼電器開關(guān)矩陣模塊、總線通信模塊、轉(zhuǎn)接電纜插頭ID識(shí)別模塊、測(cè)量模塊、轉(zhuǎn)接電纜連接端子面板等組成，執(zhí)行單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示[7]。

圖8 執(zhí)行單元內(nèi)部組成框圖Fig.8 Internal composition block diagram of execution unit

（1）微處理模塊：是執(zhí)行單元的信息處理模塊，負(fù)責(zé)信息的運(yùn)算和其他模塊的調(diào)度。

（2）總線通信模塊：負(fù)責(zé)完成執(zhí)行單元與總控單元之間的通信。

（3）繼電器開關(guān)矩陣模塊：受微處理模塊控制，決定轉(zhuǎn)接電纜連接端子面板上端子輸出。

（4）轉(zhuǎn)接電纜插頭ID識(shí)別模塊：每1個(gè)轉(zhuǎn)接電纜插頭（設(shè)備端）有自己的ID信息，識(shí)別模塊獲得ID信息后發(fā)送給微處理模塊。

（5）測(cè)量模塊：測(cè)量轉(zhuǎn)接電纜連接面板上端子的電壓或電流信息。

（6）轉(zhuǎn)接電纜連接面板與轉(zhuǎn)接電纜進(jìn)行物理連接：有多個(gè)適合ID插頭連接的插座（插座個(gè)數(shù)根據(jù)執(zhí)行單元的規(guī)模確定），因ID插頭有ID信息，ID插頭可隨意對(duì)接任何一個(gè)插座，總控單元會(huì)自動(dòng)識(shí)別出該ID插座所對(duì)應(yīng)的機(jī)上電纜接線關(guān)系，其面板示意如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)接電纜連接端子面板示意圖Fig.9 Schematic diagram of connecting cable terminal panel

執(zhí)行單元自總線端獲得總控單元發(fā)來(lái)的測(cè)控指令，向機(jī)上電纜發(fā)送測(cè)試激勵(lì)，將測(cè)得的輸入或輸出參數(shù)值通過(guò)總線發(fā)送給總控單元，總控單元經(jīng)過(guò)計(jì)算比較完成一次測(cè)試。

執(zhí)行單元的外形以及測(cè)試點(diǎn)數(shù)，根據(jù)飛機(jī)局部電纜的測(cè)試點(diǎn)密集程度、飛機(jī)部位是否容易接近確定。綜合考慮確定合適的執(zhí)行單元個(gè)數(shù)，既方便測(cè)試又節(jié)省資源。執(zhí)行單元可制作成機(jī)柜、機(jī)箱和LRU形狀。

機(jī)柜/機(jī)箱式執(zhí)行單元適合于地面放置。LRU式執(zhí)行單元不需轉(zhuǎn)接電纜，適合于設(shè)備柜內(nèi)等不易接轉(zhuǎn)接電纜的地方，執(zhí)行單元直接在機(jī)上原位替換機(jī)載設(shè)備，該類執(zhí)行單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，不同之處是該類執(zhí)行單元有ID信息，用于向總控單元反映被測(cè)電纜信息。

3 軟件

線纜測(cè)試系統(tǒng)的軟件包括：底層軟件、總線通信軟件、總控單元應(yīng)用軟件、執(zhí)行單元應(yīng)用軟件。

（1）底層軟件是線纜測(cè)試系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用、元素映射、硬件驅(qū)動(dòng)、試驗(yàn)?zāi)_本、調(diào)度等功能，其基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了所有的機(jī)上被測(cè)線纜的導(dǎo)線信息、ID插頭信息、測(cè)試判據(jù)等，測(cè)試系統(tǒng)使用前需將ID插頭的ID信息、ID插頭內(nèi)端子與機(jī)上線纜端頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系注入數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果這些信息發(fā)生變化時(shí)，需及時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)。總線通信軟件采用通用的CAN總線或1553B總線通信軟件。

圖10 底層軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Underlying software structure

（2）應(yīng)用層軟件分為總控單元應(yīng)用軟件和執(zhí)行單元應(yīng)用軟件，明確了測(cè)試邏輯、流程、完成人機(jī)交互，在該部分軟件中可修改、刪除、增加測(cè)試點(diǎn)，可將EXCEL格式的導(dǎo)線表（待測(cè)試機(jī)上電纜的端頭對(duì)應(yīng)關(guān)系）、信息轉(zhuǎn)化為測(cè)試指令，應(yīng)用層軟件流程如圖11所示，建議使用LABVIEW進(jìn)行編程，比較直觀[8]。

圖11 應(yīng)用層軟件測(cè)試流程Fig.11 Application layer software testing process

4 線纜收納系統(tǒng)

線纜測(cè)試要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，必然產(chǎn)生數(shù)量龐大的試驗(yàn)電纜。本文所設(shè)計(jì)的線纜測(cè)試系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，已縮減試驗(yàn)電纜的數(shù)量，但試驗(yàn)電纜尤其是轉(zhuǎn)接電纜還是相當(dāng)多。如果保管不善，各線纜易打結(jié)、混亂、甚至破損，嚴(yán)重影響試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間以及試驗(yàn)準(zhǔn)確性。為方便保管、存取試驗(yàn)電纜，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的線纜存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)原理類似超市自動(dòng)儲(chǔ)存柜[9]和數(shù)字化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)[10]，由存儲(chǔ)柜和管理電腦組成。

線纜測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)電纜有3類，分別是總線電纜、功率電纜、轉(zhuǎn)接電纜。總線電纜只有1根可集中在1個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)空間內(nèi)放置；功率電纜的規(guī)格相同且數(shù)量較少，也可集中在1個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)空間放置；數(shù)量最多且各不相同的轉(zhuǎn)接電纜需有區(qū)別的放置并方便存取?；谏鲜鏊悸罚O(shè)計(jì)了如圖12所示的線纜收納系統(tǒng)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)接電纜倉(cāng)儲(chǔ)空間內(nèi)有1個(gè)ID識(shí)別插座，轉(zhuǎn)接電纜放置在自己的倉(cāng)儲(chǔ)空間時(shí)需將其ID插頭與ID識(shí)別插座快速對(duì)接，這樣收納系統(tǒng)就會(huì)識(shí)別出轉(zhuǎn)接電纜信息。

圖12 線纜收納系統(tǒng)示意圖Fig.12 Cable reserve system schematic diagram

管理電腦由人機(jī)界面和內(nèi)部的微計(jì)算機(jī)構(gòu)成，微計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)了所有轉(zhuǎn)接電纜ID信息以及所對(duì)應(yīng)的機(jī)上電纜信息，操作人員只要在人機(jī)界面輸入機(jī)上線纜號(hào)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)接電纜倉(cāng)儲(chǔ)門會(huì)自動(dòng)打開，效率和準(zhǔn)確性很高。需要將電纜放置回收納系統(tǒng)時(shí)，在人機(jī)界面一鍵打開所有空倉(cāng)儲(chǔ)門，隨意選擇倉(cāng)儲(chǔ)空間放置且高效、方便、準(zhǔn)確。

5 時(shí)間比較

自動(dòng)化線纜測(cè)試系統(tǒng)可將一對(duì)觸電的測(cè)試時(shí)間縮短至ms級(jí)（按100ms計(jì)算），以20000點(diǎn)的機(jī)上電纜測(cè)試為例，需要30min左右，加上試驗(yàn)電纜準(zhǔn)備時(shí)間需要1h。

如果采用人工，兩個(gè)工人測(cè)一對(duì)觸點(diǎn)需要約40s，以20000點(diǎn)計(jì)算，兩個(gè)工人測(cè)試時(shí)間為220h，轉(zhuǎn)換成1h的總測(cè)試時(shí)間則需要400多人。對(duì)比自動(dòng)化線纜測(cè)試系統(tǒng)和人工線纜測(cè)量方式的時(shí)間和人力消耗，自動(dòng)化線纜測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)制造尤其是飛機(jī)的總裝集成是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，包含了很多需要人工參與的工作，并不像普通的商品可以通過(guò)自動(dòng)化的流水線進(jìn)行高效率的自動(dòng)批量生產(chǎn)。但是通過(guò)技術(shù)手段提高自動(dòng)化制造的比例，卻已是各飛機(jī)制造商提高飛機(jī)生產(chǎn)效率的主要方法。分布式線纜測(cè)試系統(tǒng)能夠解放勞動(dòng)力，大大提高線纜測(cè)試效率并早已在波音、空客飛機(jī)整機(jī)線纜測(cè)試時(shí)使用。本測(cè)試系統(tǒng)解決了自動(dòng)化測(cè)試時(shí)試驗(yàn)電纜連接、收納的復(fù)雜以及費(fèi)時(shí)問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)該線纜測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化處理過(guò)程，可方便質(zhì)量部門監(jiān)控試驗(yàn)流程，提高質(zhì)量管理水平。

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