航空發(fā)動機燃燒室試驗通用測試系統(tǒng)設計與應用

張 毫，孫永飛，熊進星

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動機3大核心部件之一，其性能將直接影響發(fā)動機性能。先進航空發(fā)動機燃燒室技術研發(fā)離不開燃燒室試驗[1-2]，而且某項技術措施是否正確，必須由燃燒室試驗來鑒定?，F(xiàn)有的燃燒試驗軟件一般根據(jù)不同的試驗器獨立開發(fā)，使用的編程語言和運行環(huán)境不統(tǒng)一，并且設計思路往往只滿足當前任務，給試驗軟件后續(xù)的使用、維護和升級帶來很大困難[3-6]。隨著新型燃燒試驗任務需求的不斷變化，原有試驗軟件很難滿足，只能重新編制；后續(xù)試驗任務數(shù)量的不斷累積，對應的試驗軟件數(shù)量也不斷增加；編制人員不同，對試驗數(shù)據(jù)的計算處理方法和存儲格式也不相同，試驗結果不易追溯和試驗數(shù)據(jù)很難統(tǒng)一入庫，使試驗數(shù)據(jù)不能充分被挖掘利用，也為保存這些軟件和數(shù)據(jù)增加了管理成本。針對以上問題，對新燃燒試驗軟件提出了總體需求：燃燒試驗軟件通用化；計算鏈使用標準化；數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化；試驗配置信息管理動態(tài)化；顯示控制界面?zhèn)€性化。

目前國外提出了對同一產品從研發(fā)設計、試制、生產到使用的全壽命過程中，采用同一標準的測試設備和測試軟件，進行“綜合測試”的新概念。并取得一定的成果，例如美國阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）經過5年的努力，研制出了綜合信息系統(tǒng)。相比而言國內測試系統(tǒng)缺少標準和規(guī)范化，通用性低。

本文提出并開發(fā)了1種通用的燃燒室試驗測試系統(tǒng)，且在實際試驗過程中得到應用。

1 燃燒室試驗通用測試系統(tǒng)總體設計

燃燒試驗測試系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、顯示、試驗配置和試驗控制。分析總體需求和軟件主要功能發(fā)現(xiàn)，如果單一軟件集成所有功能會使軟件過于龐大和復雜，且很難滿足需求，比如實現(xiàn)軟件的通用化就很難滿足數(shù)據(jù)采集、顯示和控制界面的個性化[7-9]。所以采用分解軟件功能，開發(fā)多個單一功能完善、通用性強的獨立軟件，通過OPC(用于過程控制OLE,英文全稱：OLE for process control)服務器建立燃燒試驗軟件平臺工作模式，即多個獨立軟件協(xié)同工作，每個軟件功能完善和通用，數(shù)據(jù)傳輸保存格式統(tǒng)一標準。燃燒試驗軟件平臺設計了4個獨立軟件，主要工作流程如下：（1）通用采集軟件，與采集儀器通訊獲取原始數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入OPC服務器供其他軟件讀??；（2）燃燒試驗通用軟件，從OPC服務器讀取采集的原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理得到有效試驗數(shù)據(jù)，進行顯示、發(fā)送和保存，并有試驗配置管理功能；（3）顯示控制軟件，通過OPC服務器讀取和顯示處理后的試驗數(shù)據(jù)，同時與被控設備進行通訊，接收并顯示設備反饋數(shù)據(jù)和發(fā)送指令來調節(jié)被控設備，軟件平臺中可以有多個顯示控制軟件，也是軟件平臺中不通用的獨立軟件；（4）OPC服務器軟件，通過標準協(xié)議和規(guī)范，為其他軟件提供數(shù)據(jù)傳輸交換通道。燃燒試驗軟件平臺組成如圖1所示。

圖1 燃燒試驗軟件平臺組成

2 燃燒試驗通用軟件設計

燃燒試驗通用軟件采用Visual Basic 6.0編寫，主要功能將從OPC服務器讀取由通用采集軟件采集的試驗現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)，進行工程轉換并將轉換后的數(shù)據(jù)寫回OPC服務器中相應位置的變量中[10-11]。

為實現(xiàn)燃燒試驗通用軟件的通用化、標準化、統(tǒng)一化和動態(tài)化需求，該程序應具有以下功能：

（1）用戶管理功能：實現(xiàn)對不同訪問用戶的權限管理。

（2）試驗項目管理、通道管理、參數(shù)設置：實現(xiàn)試驗項目及通道參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足不同試驗器和不同試驗的配置需求。

（3）數(shù)據(jù)讀取、處理、存儲、導出、回放和傳感器在線檢測等功能：實現(xiàn)通用化、標準化、統(tǒng)一化和動態(tài)化需求。

分析功能需求可將試驗軟件使用狀態(tài)分為2種情況：（1）靜態(tài)使用，主要指用戶管理、項目管理、公式管理和日志管理等，針對配置文件進行操作；（2）動態(tài)使用，指配置讀取和數(shù)據(jù)管理等，對試驗數(shù)據(jù)流進行操作。程序結構如圖2所示。

圖2 程序結構

燃燒試驗通用軟件的主要功能是通過OPC通訊協(xié)議讀取通用采集軟件寫入OPC服務器的原始數(shù)據(jù)，進行工程轉換，得到試驗數(shù)據(jù)中的實際工程數(shù)據(jù)，再將工程轉換后的數(shù)據(jù)寫入OPC服務器供顯示控制軟件直接引用。

為實現(xiàn)該程序的通用性，該程序應具備實際通道配置和計算通道配置等功能。各試驗器根據(jù)其特定需求編寫相關試驗參數(shù)的計算公式，由于有些試驗參數(shù)的計算公式參考不同的規(guī)范或資料，導致其缺乏統(tǒng)一性和規(guī)范性，造成試驗結果不易追溯，使試驗數(shù)據(jù)不能被充分挖掘利用。同時，試驗軟件在使用過程中，由于計算公式的某些常量或變量需要根據(jù)不同試驗經常修改，新的試驗任務或新的試驗方法可能引入新的計算公式，導致試驗軟件更改頻繁，增加修改錯誤風險和軟件版本管理困難。為了解決以上問題，在燃燒試驗通用軟件設計中采用動態(tài)鏈接庫（DLL）技術，將標準規(guī)范的計算公式封裝，再通過完善公式配置對計算公式進行有效管理和使用。實現(xiàn)軟件在對常量和變量修改或計算公式更新時保持軟件主體程序不變，只需更新動態(tài)鏈接庫和相關配置即可，不但保證了計算公式的惟一性和安全性，也使燃燒試驗通用軟件兼顧穩(wěn)定性和易更新性。定義燃燒試驗計算公式的所有參數(shù)分為變量和常量，變量需引用自試驗通道，常量需根據(jù)應用環(huán)境進行調整，同時滿足單一、多個和不固定變量與常量的公式統(tǒng)一管理。通過計算公式管理功能，實現(xiàn)計算公式的變量和常量的有效管理，彌補長期以來試驗軟件的不足，通道配置界面如圖3所示。

圖3 通用試驗軟件通道配置界面

圖4 通用采集軟件功能模塊

3 通用采集軟件設計

通用采集軟件使用Visual C++6.0編寫并支持多種測試儀器的數(shù)據(jù)采集，動態(tài)管理測試儀器配置，具有數(shù)據(jù)經濾波功能等，滿足通用化、動態(tài)化和數(shù)據(jù)采集需求[12-13]。主要完成測試現(xiàn)場EX10xx系列設備、DSA數(shù)字壓力掃描閥和NI9411模塊等設備的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的原始數(shù)據(jù)寫入OPC服務器固定位置以供通用試驗軟件讀取并計算轉化為相應工程單位數(shù)值。為實現(xiàn)這些功能本采集軟件主要完成試驗器管理和儀器配置、通道管理和通訊配置、原始數(shù)據(jù)存儲等功能。

該程序主要包含設置向導、配置界面和主顯示界面。設置向導界面提供現(xiàn)有試驗器配置庫管理以及新試驗器配置庫的創(chuàng)建。配置界面提供采集儀器通道名稱及類型的設置并存入相應配置庫。主界面提供各種操作的菜單、工具欄以及采集參數(shù)的顯示。

軟件功能如圖4所示。

（1）試驗器配置模塊：新建試驗器配置庫或獲取現(xiàn)有配置庫名稱。

（2）通道配置模塊：設置通道類型并存入配置庫。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊：顯示現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)傳輸模塊：將現(xiàn)場數(shù)據(jù)寫入OPC服務器相應位置。

（5）數(shù)據(jù)采集模塊：采集試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)參數(shù)。

（6）數(shù)據(jù)存儲模塊：將實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

通用采集軟件主要用于配置測試儀器相關參數(shù)，顯示試驗原始數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)寫入OPC服務器相應位置，該軟件可以配置儀器數(shù)量和通道屬性參數(shù)，只采集并記錄儀器的原始數(shù)據(jù)，不計算處理，在一定程度上提高了程序運行效率。最終該程序將采集到的原始數(shù)據(jù)寫入OPC服務器供通用試驗軟件讀取并計算處理。

由于各種類型的試驗器實際測試通道數(shù)量差異較大，為提高本程序的適用性，本程序最大可滿足對10塊EX10xx系列設備、30塊DSA數(shù)字壓力掃描閥以及3塊NI9411模塊進行數(shù)據(jù)采集。用戶可根據(jù)各試驗器采集儀器具體類型和數(shù)量進行勾選配置，配置界面如圖5所示。

圖5 通用采集軟件配置界面

4 OPC服務器軟件設計

OPC（OLE for Process Control）是以 Microsoft公司的OLE/COM技術為基礎，采用客戶/服務器模型制定的1種工業(yè)控制領域的開放式標準，在工業(yè)控制設備與應用軟件之間建立了統(tǒng)一的軟件接口標準。使工業(yè)控制過程中的數(shù)據(jù)交換更具高效性、可靠性、開放性和可互操作性。

作為對象鏈接和嵌入技術，OPC在過程控制方面有極大優(yōu)勢。其采用客戶/服務器模式為工業(yè)自動化軟件面向對象的開發(fā)提供了統(tǒng)一的標準，定義了在基于PC客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。采用該標準硬件開發(fā)商簡化了軟件開發(fā)商為自己硬件產品開發(fā)統(tǒng)一的OPC接口程序，而軟件開發(fā)商同樣可以免除開發(fā)驅動程序的工作，充分發(fā)揮特長，節(jié)省研發(fā)時間，將更多的經歷投入到其核心產品的開發(fā)上。

為實現(xiàn)通用采集軟件與燃燒試驗通用軟件之間的數(shù)據(jù)交換，本文設計了基于OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范的數(shù)據(jù)采集服務器是1個實時數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)， 也是過程控制系統(tǒng)與系統(tǒng)應用程序之間的橋梁，為實現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用化，將OPC服務器中變量分為原始數(shù)據(jù)和計算后數(shù)據(jù)2部分，并開發(fā)顯示界面方便用戶隨時查看原始數(shù)據(jù)和計算后數(shù)據(jù)[14-15]。通用采集軟件將采集到的原始數(shù)據(jù)寫入OPC服務器中；采用燃燒室通用試驗軟件讀取原始數(shù)據(jù)后將計算結果回寫到OPC服務器以供其他顯示控制界面引用，具體結構如圖6所示。OPC服務器程用于顯示通用采集軟件寫入的原始數(shù)據(jù)和通用試驗軟件寫入的經工程轉換后的數(shù)據(jù)。

圖6 OPC服務器數(shù)據(jù)結構

5 結束語

本文建立了航空發(fā)動機燃燒室試驗通用測試系統(tǒng)；建立了組態(tài)王OPC服務器，并開發(fā)了通用數(shù)據(jù)采集軟件與燃燒室通用試驗軟件，解決了不同試驗器間測試軟件不通用、數(shù)據(jù)存儲格式不統(tǒng)一的問題；在多個燃燒室試驗器平臺上的應用，縮短了測試系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了測試系統(tǒng)維護成本，提高了燃燒室試驗的質量和效率。