直升機傳動系統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)設計

邱云鵬，高 俊

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

直升機傳動系統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)設計

邱云鵬，高 俊

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

按照GJB2035-95《直升機傳動系統(tǒng)通用規(guī)范》的要求，直升機傳動系統(tǒng)的研制，需要大量試車臺對其設計合理性進行試驗驗證;通過對傳統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)建設經驗的總結，在滿足傳動系統(tǒng)試車臺技術指標的基礎上，基于模塊化設計思想，采用分布式結構和C/S模式測控網絡，開發(fā)一種具有通用性的測控系統(tǒng)，使其滿足不同規(guī)模結構、測試類型和試驗方法的試車臺建設任務;闡述了測控系統(tǒng)的結構和工作原理，詳細介紹了現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)服務器層及客戶層的通訊流程和程序實現(xiàn)方法;該系統(tǒng)在滿足實時性、可靠性的基礎上提高了試驗效率和測控精度，減少了試車臺建設和適應性改造的周期和難度，增強試車臺的靈活性和可維護性;系統(tǒng)已成功應用于多個傳動系統(tǒng)試車臺，且運行穩(wěn)定可靠。

試車臺；測控系統(tǒng)；分布式；通用性

0 引言

直升機傳動系統(tǒng)是直升機三大關鍵動部件之一，系統(tǒng)性能的好壞將直接影響直升機的戰(zhàn)術指標和可靠性[1]。隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，在直升機傳動系統(tǒng)型號研制過程中，需要大量試車臺為直升機傳動系統(tǒng)綜合性能提供準確、可靠的試驗數(shù)據(jù)來驗證其設計的合理性[2]。近年來，用于直升機傳動系統(tǒng)研制保障條件的試車臺建設問題越來越突出：一是直升機傳動系統(tǒng)型號、種類繁多，機械結構各不相同，需要建設的試車臺數(shù)量多、任務重；二是試驗對象和試驗方法各異，需求彈性大，經常需要對試車臺進行適應性改造。而測控系統(tǒng)作為試車臺的核心組成部分，在傳統(tǒng)的試車臺中需按照機械系統(tǒng)結構、測試類型和試驗方法等進行非標定制，往往一套測控系統(tǒng)只能滿足一個試車臺的需要。為此，開發(fā)一種通用化的測控系統(tǒng)，使其適用于各種類型的試車臺的需要，以減少試車臺建設及適應性改造的周期和難度，降低設計人員的工作強度，增強試車臺的靈活性和可靠性。

1 系統(tǒng)組成

測控系統(tǒng)是傳感技術、通訊傳輸、計算機、及網絡等信息技術的綜合，是綜合自動化中的子系統(tǒng)，是計算機網絡的節(jié)點，是由被控對象、檢測單元、控制器和執(zhí)行機構等基本單元組成。直升機傳動系統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)按照結構分為潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制與測試系統(tǒng)和變頻調試系統(tǒng)等幾種通用組件，分別完成輔助控制、溫度控制、扭矩控制、載荷控制、附件控制、數(shù)據(jù)測試、變頻調速等功能。這些組件中包含的測控參數(shù)類型多、數(shù)量大，且需要控制的對象各異，因此測控系統(tǒng)采用分布式結構，將各種控制和測試任務分配到不同的智能單元，并采用PROFIBUS、PROFINET、TCP/IP及EtherCAT現(xiàn)場總線網絡連接各智能單元，組建C/S模式測控網絡。基于以上的設計思想，將測控系統(tǒng)分成三層：客戶層、數(shù)據(jù)服務層和現(xiàn)場設備層，如圖1所示。數(shù)據(jù)服務層作為中間層，一方面從現(xiàn)場設備層獲取試驗信息，傳遞給客戶層，另一方面又從客戶層接受命令，控制底層的現(xiàn)場設備的運行。

圖1 分布式多層測控系統(tǒng)結構圖

結合近年來直升機傳動系統(tǒng)試車臺建設的經驗，將測控系統(tǒng)的硬件標準化，采用成熟度高的、經過實踐驗證的裝置和元器件，在滿足建臺技術要求、保障試驗設備安全運行的基礎上完成系統(tǒng)硬件設計。根據(jù)測控系統(tǒng)的總體設計方案，客戶層和數(shù)據(jù)服務層硬件選用西門子、研華等生產的服務器、工控機和工業(yè)交換機?，F(xiàn)場設備層硬件選用西門子公司的S7-300 2PN/DP型可編程控制器(PLC)完成變頻調速、輔助控制、溫度控制、扭矩控制、載荷控制、附件控制等系統(tǒng)功能，發(fā)送現(xiàn)場信息，接受控制命令，上傳電壓、電流、轉速、轉矩及軸承溫度等模擬量；選用美國儀器公司的CompactRIO實時控制器和各種類型的I/O模塊進行模擬信號和狀態(tài)信號的采集，用于監(jiān)控反映設備運轉情況的扭矩、載荷、溫度、壓力、流量等參數(shù)；選用美國儀器公司的CompactDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設備振動信號的采集處理。這樣的硬件選擇基本可滿足不同直升機傳動系統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)的要求。

按照系統(tǒng)硬件劃分的三個層次，系統(tǒng)軟件也由三大類別的程序組成：現(xiàn)場設備層程序、數(shù)據(jù)服務器程序和客戶機程序。

2 現(xiàn)場設備層程序設計

按照測控系統(tǒng)結構，現(xiàn)場設備層程序分為可編程控制器(PLC)程序、CompactRIO實時控制器程序、CompactDAQ數(shù)據(jù)采集器程序設計三個部分，完成現(xiàn)場過程參量和狀態(tài)參量的采集、進行適宜的運算、控制電機、馬達和加熱器等設備的任務。

2.1 可編程控制器程序設計

在傳動系統(tǒng)試車臺PLC一般都選用同一系列的產品，在性能指標，編程語言及指令系統(tǒng)上基本一致，而且在控制規(guī)模上各臺可編程序控制器都基本是負責控制一套或幾套完整的機械設備。這樣，制定PLC程序設計標準、規(guī)定程序的基本結構，使之具有靈活性和通用性的模版程序，稍加修改后就能適用于其它傳動系統(tǒng)試車臺的使用要求。

PLC程序組織塊采用梯形圖編程，功能和功能塊采用SCL語言編程[3]，程序完成以下功能：

1)獲取數(shù)據(jù)：獲取拖動控制系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，并從映像區(qū)復制開關輸入信號；

2)系統(tǒng)操作控制：調用上升沿切換功能塊控制操作模式；運行狀態(tài)綜合分析控制連鎖條件標志；進行相關試驗狀態(tài)指示；

3)開關設備啟停：邏輯組合開關設備的啟停聯(lián)鎖條件；調用起動與停止功能控制開關設備；

4)輸出命令：獲取開關命令輸出到映像區(qū)；獲取模擬調節(jié)命令至過程區(qū)；獲取遠程命令傳輸?shù)酵蟿酉到y(tǒng)。

通過結構化的共享數(shù)據(jù)塊存儲測量與控制數(shù)據(jù)，符號化編程，采用匈牙利命名法(變量名=屬性+類型+對象描述)進行變量命名。共享數(shù)據(jù)塊分為上傳數(shù)據(jù)塊(DB41)和下載數(shù)據(jù)塊(DB42)。數(shù)據(jù)塊定義如表1、表2所示。上傳數(shù)據(jù)塊的參數(shù)操作通過DB48定義的符號變量索引，下傳數(shù)據(jù)塊的參數(shù)操作通過DB49定義的符號變量索引。約定試驗設備共有128個開關設備(根據(jù)需要可擴展)，如電動機、電磁閥、指示燈和加溫器燈。故DB48數(shù)據(jù)塊定義有開關設備的狀態(tài)反饋索引變量區(qū)，首地址指向DB41.abPib[0]；控制狀態(tài)索引變量區(qū)，首地址指向DB41.abPqb[0]。而DB49數(shù)據(jù)塊定義有開關設備的遠程起動索引變量區(qū)，首地址指向DB42.abRun[0]；遠程停止索引變量區(qū)，首地址指向DB42.abOve[0]。這樣變量地址發(fā)生改變時，只需要修改DB48和DB49的索引值，重新定位變量地址即可，不需要修改FB塊和FC塊。

表1 上傳數(shù)據(jù)塊(DB41)定義表

表2 下載數(shù)據(jù)塊(DB42)定義表

2.2 CompactRIO實時控制器程序設計

CompactRIO是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，采用可重新配置I/O技術實現(xiàn)超高性能和可自定義功能[4]。cRIO程序設計主要實現(xiàn)兩個功能，一是完成cRIO本身I/O模塊的數(shù)據(jù)采集并通過網絡變量與上位機程序進行通訊，二是完成cRIO與可編程控制器之間的通訊，同樣的將可編程控制器中的數(shù)據(jù)打包為網絡變量供上位機程序使用。

2.2.1 CompactRIO實時控制器I/O模塊編程

傳統(tǒng)上，訪問cRIO I/O是通過對FPGA編程來實現(xiàn)的，自LabVIEW8.6[5]版本開始，cRIO增加了掃描模式自動監(jiān)測I/O模塊。使用掃描模式只需將I/O變量拖拽到LabVIEW Real-Time[6]及主機VI程序框圖中，即可讀寫I/O數(shù)據(jù)，無需FPGA編程或編譯。由于在測控系統(tǒng)中，cRIO控制器負責壓力、溫度、流量等對采樣頻率要求不高(不高于1 kHz)的物理量進行采集，所以采用掃描模式進行編程。掃描通道采用硬件定時的方式實現(xiàn)模塊間的同步。

cRIO子系統(tǒng)采用一塊cRIO控制器(cRIO-9025)和兩塊EtherCAT擴展機箱(NI-9144)組成，共有24個I/O插槽。由于試車臺功能與試驗對象的不同，使用的I/O模塊類型和通道數(shù)量會有所改變，所以在物理I/O通道上抽象出新的I/O層，將新I/O層中的每個模塊的虛擬通道數(shù)均定義為16個，并將虛擬通道與物理通道進行綁定。這就使程序僅針對虛擬通道進行讀寫操作，簡化了物理I/O發(fā)生改變時程序修改的工作量。CRIO控制器 I/O變量配置如圖2所示。

圖2 CRIO控制器I/O變量配置圖

在新的I/O層綁定結束后，將所有的抽象出的I/O變量按照所綁定的模塊順序依次寫入到網絡變量中供上位機數(shù)據(jù)服務器進行讀寫操作處理。這樣在I/O模塊發(fā)生改變的情況下，只需更改新的I/O層變量所綁定的值，重新部署編譯即可，不需要更改底層程序。這就解決了由于試驗對象不同而使用不同I/O模塊需要修改SubVI的情況。

2.2.2 與可編程控制器通訊程序設計

cRIO與可編程控制器通訊方式主要有兩種，一是通過LabVIEW調用PRODAVE S7軟件包的動態(tài)鏈接庫(prodave.dll)，實現(xiàn)對PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作[7]，優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸正確率高，缺點是在超過64個字后通訊速率超過300 ms，并且程序的后期維護和移植不方便。另外一種是通過TCP/IP協(xié)議直接讀寫PLC數(shù)據(jù)，這種方法的傳輸速率和穩(wěn)定性都很高，而且易于后期程序的維護和移植。所以系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議直接與PLC進行通訊。

將要進行讀寫的PLC數(shù)據(jù)塊參數(shù)如PLC的網絡地址、操作方式、塊號、變量地址、變量類型等保存至Excel表格文件，程序在運行時首先讀取Excel，確定要讀取或寫入的數(shù)據(jù)參數(shù)，然后通過網絡共享變量操作PLC中的數(shù)據(jù)塊。這樣如果要讀取數(shù)據(jù)塊參數(shù)發(fā)生改變，只需要對Excel文件做相應更改即可，這就減少了在試驗過程中試驗對象或現(xiàn)場設備發(fā)生改變時帶來程序修改的時間和工作量。

2.3 CompactDAQ數(shù)據(jù)采集器程序設計

在一般的測控系統(tǒng)中，設備的振動信號經采集變換后輸出一個通頻值作為設備運行的狀態(tài)信息，但通頻值是原始的未經處理變換的由各頻率振動分量相互迭加后的總振動，只能反映設備運行狀態(tài)，如果通頻值瞬時上升，則無法判斷出具體的故障原因，這時就需要對分頻量進行轉換分析。所以在CompactDAQ數(shù)據(jù)采集器程序設計中，不僅給出振動的通頻值，而且將處理變換后的振動有效值基頻幅值(一倍頻幅值)和特征頻率下的幅值上傳至上位機程序。

cDAQ數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)由cDAQ9138 8槽機箱加7塊NI 9134 4通道動態(tài)信號采集模塊和一塊NI 9401雙向計數(shù)器模塊組成，NI 9134 I/O模塊內置可自動調節(jié)采樣率的抗混濾波器，每通道采樣頻率可達51.2 kHz，同時使用LabVIEW和NI 聲音與振動分析工具包，完成振動數(shù)據(jù)的采集和處理。程序設計時將每一個NI 9234采集到的原始信號和經過處理得到的振動RMS值、基頻幅值和特征頻率下的幅值組成16個通道數(shù)據(jù)寫入網絡變量進行上傳，如有需要也可將頻譜圖數(shù)據(jù)進行上傳。

3 數(shù)據(jù)服務器程序設計

數(shù)據(jù)服務器是客戶機與現(xiàn)場設備通訊的橋梁，為中間層，其規(guī)范了數(shù)據(jù)接口操作，盡量避免因硬件改動，而導致軟件的修改。數(shù)據(jù)服務器程序主要完成輸入輸出數(shù)據(jù)的通訊傳輸分發(fā)，主要特點如下：

1)具備成熟可靠的通訊協(xié)議接口，保證測控系統(tǒng)的實時性和可靠性；

2)定時接收和發(fā)送規(guī)范數(shù)據(jù)到現(xiàn)場端及網絡端；

3)診斷現(xiàn)場設備的運行和通訊狀態(tài)；

4)模擬產生現(xiàn)場信號，驗證程序的邏輯正確性。

數(shù)據(jù)服務器與現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交換時，將各通訊任務放在不同的線程中，并且作為主動者與現(xiàn)場設備進行通訊。而與客戶機通訊，獲取數(shù)據(jù)為事件驅動方式，發(fā)布數(shù)據(jù)則采用異步定時方式。數(shù)據(jù)服務器的網絡通訊見圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)服務器網絡通訊流程示意圖

數(shù)據(jù)服務器利用分布式系統(tǒng)管理器程序為各客戶機建立通訊目標(網絡變量)，并設置相應權限。每個客戶機均包括：測量數(shù)據(jù)、控制命令，通道數(shù)量和名稱等通訊目標(網絡變量)。然后利用NI-PSP協(xié)議對各種通訊目標依據(jù)相應權限進行讀寫操作。

4 客戶機程序設計

客戶機程序主要完成人機交互功能，控制試驗設備按預定的功能運行，程序編制中需要考慮如下問題：由于功能模塊眾多，模塊、變量名稱需統(tǒng)一，接口應有一致性；線程間數(shù)據(jù)傳遞考慮競爭問題，須有詳盡的運行狀態(tài)指示和記錄。如圖4客戶機程序結構框圖所示。程序按照試車臺的結構特征和測控系統(tǒng)的組成，采用模塊化結構，程序流程清晰，易于修改。

圖4 客戶機程序結構框圖

表征試驗設備運行狀況的參數(shù)有轉速、扭矩、壓力、溫度和金屬沫等，以及加載器、油泵、電磁閥和油缸的執(zhí)行器件。在程序操作性和可維護性的角度，將上述參數(shù)抽象為物理通道和邏輯通道的概念。使用結構表示單個通道的屬性，如表3、表4所示。而所有物理通道和邏輯通道采用不同的Excel線性列表存儲。

物理通道與數(shù)據(jù)服務器中上傳的數(shù)據(jù)相對應，邏輯通道與通過引用標記綁定物理通道，當傳感器接線位置、量程和類型發(fā)生改變的情況下只需將通道表中的物理通道引用標記做相應更改即可。如圖3通道參數(shù)設置圖所示，左側為讀取的邏輯通道線性列表，通過下拉菜單選擇與之綁定的物理通道。

表3 物理通道屬性定義

表4 邏輯通道屬性定義

圖5 通道參數(shù)設置圖

客戶機程序采用多線程和異步定時方式對各種任務進行處理，是試驗的測控中心，客戶機通過事件驅動從數(shù)據(jù)服務器獲取來自現(xiàn)場的反饋信息，并以異步定時方式以固定頻率向現(xiàn)場設備發(fā)出控制命令。圖6為客戶機通訊程序流程示意圖。

按照測控系統(tǒng)設計原則，程序顯示界面需指示簡潔、形象，布局合理。測控系統(tǒng)客戶機程序包括主界面、表格顯示、設備控制和系統(tǒng)圖示等界面顯示。主界面是系統(tǒng)的起始界面，顯示包括報警信息在內的所有系統(tǒng)運行信息，其它界面則從主界面菜單欄按需打開；表格顯示界面讀取邏輯通道表格中的變量名稱，以安裝位置或功能的不同，生成不同的表格進行顯示；設備控制界面分為載荷譜控制及過程控制界面，分別用于

圖6 客戶機網絡通訊流程示意圖

自動控制和手動控制；系統(tǒng)圖示界面在圖示化試車臺結構的基礎上將試驗關鍵參數(shù)同時顯示。

5 試驗結果與分析

測控系統(tǒng)設計完成后在某型直升機傳動系統(tǒng)減速器試車臺和離合器試車臺分別進行布置，并按照測控系統(tǒng)設計原則進行試驗驗證。具體試驗結果如下：

1)數(shù)據(jù)通訊速率高，無延遲、數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；

2)系統(tǒng)程序邏輯合理，線程優(yōu)先級可在線設置；

3)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲等功能完備；

4)具備完善的安全保護處理機制和信息提示，報警提示、故障處理等功能可靠有效；

5)提供在線配置功能，增減通道或設備無需修改程序，滿足不同試驗對象的測控需求。

通過在多個試車臺上長時間的運行調試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能指標均滿足設計要求。

6 結論

直升機傳動系統(tǒng)試車臺測控系統(tǒng)設計不僅滿足了傳動系統(tǒng)試車臺建設的要求，且可以在不同規(guī)模結構、測試類型和試驗方法的試車臺上移植使用，大大降低了程序設計人員的工作強度，提高了工作效率，減少了試車建設及適應性改造的周期和難度。與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比具有更高的通用性、靈活性和可維護性。本測控系統(tǒng)已在某型直升機傳動系統(tǒng)減速器、動力軸及離合器等試車臺布置使用，運行穩(wěn)定可靠，使用維護方便，滿足各試車臺的設計要求，取得了令人滿意的效果，為直升機傳動系統(tǒng)型號研制發(fā)揮了重要的作用。

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MeasurementandControlSystemDesignofaHelicopterTransmissionSystemTestBed

QiuYunpeng,GaoJun

(AECCHunanAviationPowerpantResearchInstitute,Zhuzhou412002,China)

According to GJB2035-95 “helicopter transmission system general specification” requirements,helicopter transmission system developments need plenty of test-beds to perform test validating its design. Through the summary of the traditional test bed measurement and control system construction experience,on the basis of meet the technical indicators of the transmission system test-bed,using distributed structure and C/S model measurement and control network,designed a universality measurement and control system,to meet the different scale structure, test type and test method of the test bench construction tasks. The structure and working principle of the measurement and control system are described,the communication process and program implementation method of field device layer, data server layer and client layer are introduced in detail. The system improves the test efficiency and measurement and control precision on the basis of satisfying the real-time and reliability, reduces the cycle and the difficulty in the aspects of the construction and adaptability reform about test-bed and strengthens the flexibility and maintainability of the test-bed.The system is successfully applied to several transmission test-beds with stable and reliable operation.

test-bed; measurement and control software; distributed; universality

2017-03-24；

2017-04-24。

邱云鵬(1983-)，男，河南南陽人，工程師，主要從事直升機傳動系統(tǒng)測控系統(tǒng)開發(fā)等方向的研究。

1671-4598(2017)07-0120-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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