數據采集系統在航空飛行器發動機試驗管理中的應用

袁俊

中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇常州，213022

0 引言

航空飛行器發動機作為航空飛行器的“心臟”，長期在高溫、高壓、高腐蝕、高應力等苛刻條件下工作，為了確保發動機及其系統的安全運行，在發動機整個使用壽命周期內，都需要對其進行多種高效率、嚴格的試驗。由于航空飛行器發動機試驗技術復雜、試驗運行費用高，這都要求發動機試驗必須采用較為先進、完善的數據采集系統，以實時準確記錄試驗中航空發動機的性能參數、特性數據，作為驗證航空發動機及系統安全性、穩定性的主要依據。

數據采集系統是航空飛行器發動機試驗的重要組成部分，該系統主要用于發動機試驗參數的測量和數據的自動采集，同時提供對大量試驗數據的管理功能，這對于檢驗發動機各部件的運行狀態與穩定性，驗證發動機系統設計構造方案的合理性，以及對發動機大量試驗數據的分析、匯總與管理都起到了重要作用[1]。為降低試驗過程中數據人工處理的負擔，進一步提升發動機試驗數據的管理效率，提升試驗數據采集與記錄的準確性、可靠性，以及試驗數據回溯的清晰性，本文從試驗前數據準備、試驗中數據管理、試驗后數據處理這三個環節入手，著重探討研究了數據采集系統在航空發動機試驗全壽命周期管理中的應用與實現。

1 航空飛行器發動機試驗中數據采集系統的應用特點及結構框架

1.1 航空發動機試驗中數據采集系統的應用特點

一是對數據采集系統的準確性、可靠性要求高。相較于航空飛行器的其他部件而言，航空發動機的結構更為復雜化、精細化，其運行于高溫、高壓、高轉速的條件中，負荷變化快、可靠性與安全性要求高，導致發動機試驗難度大、技術復雜，試驗耗費也非常大。為保證發動機試驗的順利進行，必須要求系統對數據的采集與記錄具有很高的準確性與可靠性，以保證每次試驗數據的準確、完整。

二是對數據采集系統試驗數據管理效率的要求高?，F代化的數據采集系統普遍都提供了對航空發動機大量試驗數據的分析、匯總與管理功能。對試驗數據的管理，則要求高效率與高質量，即通過對各試驗數據參數的快速準確的測量、記錄與管理，以減少航空發動機的試驗運行費用，提升發動機試驗效率，達到降低試驗成本的目的。

1.2 航空發動機試驗中數據采集系統的結構框架

數據采集系統是航空飛行器發動機試驗的重要組成部分，該系統主要用于發動機試驗數據的調理轉換、自動采集，同時提供對大量試驗數據的管理功能[2]。由此可見，數據采集系統由前端數據調理子系統、數據采集子系統、數據管理子系統這三個部分組成，并包含了傳感器、A/D采集卡、PXI控制器、監控設備、數據庫服務器、中央處理機等硬件設備。航空發動機試驗中數據采集系統的大致結構框架如圖1所示。

圖1 航空發動機試驗數據采集系統的結構框架圖

航空發動機試驗中測量參數數據的類型非常多，包括了壓力、轉速、溫度、速度、角位移、應力、扭矩、電流、機械功率、頻率、氣體成分等等。這就需要前端數據調理子系統將傳感器接收的響應信號，轉化為統一的0～5V電壓信號，并將信號分別送往數據采集子系統和數據管理子系統中進行數據的采集、記錄、分析與管理。三個子系統之間的數據交互以TCP/IP協議和局域網進行聯通，并結合數據庫服務器實現數據的相互調動。

2 數據采集系統在航空發動機試驗管理中的實現與應用

常見的航空飛行器發動機試驗主要有發動機功能試驗、發動機燃油控制系統試驗、發動機關鍵部位振動試驗、發動機各部件應力試驗、進氣畸變試驗等等。在進行各項試驗的過程中，數據采集系統對試驗全壽命周期內數據信息管理的工作流程，主要可分為試驗前數據準備、試驗中數據管理、試驗后數據處理這三個環節[3]。通過在這三個環節中試驗數據的高效率管理應用，不僅可以降低試驗過程中數據人工處理的負擔，還可以提升試驗數據采集與記錄的準確性、可靠性。以航空發動機燃油控制系統試驗為例，數據采集系統在三個環節試驗數據管理中的應用如下。

2.1 試驗前數據準備

航空發動機試驗要使用數據采集系統進行試驗數據管理，應首先登錄數據采集系統的管理子系統，并新建發動機機型、類別、狀態與階段，然后再在階段下創建發動機燃油控制系統試驗。具體數據準備工作包括：一是傳感器傳輸的數據參數換算；二是生成控制值數據；三是生成試驗大綱數據。整個工作流程如圖2所示。

圖2 試驗前數據準備的工作流程

一是生成試驗任務書。在航空發動機燃油控制系統試驗中，主要是對油量傳感器、環壓傳感器傳輸的燃油控制系統數據參數進行換算。傳感器支持TCP/IP協議，可以通過網絡進行信號收集讀取，然后將耗油量、燃油控制過載量、速壓口壓力、引氣口壓力等參數數據，直接轉化為0～5V的電壓值。在傳感器信號讀取的過程中，需要試驗人員從燃油控制系統中標定的數據中挑選出各項參數“高度H”相同的數據，然后生成試驗任務書，以方便后續將數據換算成電壓值[4]。在航空發動機燃油控制系統試驗中，試驗任務書如表1所示。

表1 航空發動機燃油控制系統試驗中生成的試驗任務書

二是生成控制值數據?？刂浦禂祿侵干珊娇瞻l動機燃油控制系統試驗所需的控制參數理論值，包括箱體高度（m）、系統速壓箱壓力（kPa）、系統引氣壓箱壓力（kPa）、系統環壓壓力（kPa）、燃油流量（L/h）。

三是換算傳感器數據，生成試驗大綱。在控制參數理論值生成后，即可利用數據管理子系統對試驗任務書的數據進行換算處理。然后，試驗人員再將換算后的數據以表格的形式顯示到子系統顯示界面中，并可對表格進行相關物理量的編輯處理，即可完成試驗大綱的生成。在航空發動機燃油控制系統試驗中，需使用到的換算公式主要如下：

燃油控制系統俯仰角換算公式為：

燃油控制系統傾側角換算公式為：

系統速壓箱壓力換算公式為：

系統引氣箱壓力換算公式為：

流量=耗油量/油液密度

2.2 試驗中數據管理

數據采集系統在航空飛行器發動機試驗過程中的數據管理，主要是對試驗數據參數進行導出、篩選和分類配置[5]。其中，數據導出是指將試驗數據以特定的格式導出到數據庫中，以便試驗后數據的進一步分析處理；數據篩選是指試驗人員利用數據管理子系統的搜索功能，將數據的時間、類型、權重等作為搜索條件，以搜索滿足試驗條件的相關數據參數。

而在整個試驗過程中，為提升數據采集系統的試驗數據管理效率，關鍵是要做好試驗數據的分類配置管理。這是由于每次航空發動機試驗的試驗對象、試驗內容都不盡相同，且每次試驗后都需要保存各次試驗的相關數據。隨著航空發動機試驗次數的增加，試驗人員很難對所有試驗數據進行有效管理與分類，試驗結束后也難以高效開展各階段、各類比試驗數據的比對。結合實踐工作經驗，筆者建議利用數據管理子系統中的Tree List控件來實現航空發動機試驗數據的分類配置管理。具體而言，就是通過Tree List控件建立試驗數據信息的信息樹結構，以航空發動機系統作為整個信息樹的樹根，以發動機試驗機型、試驗類別、試驗狀態、試驗階段、具體試驗、試驗數據等依次作為信息樹的樹形結構（圖3）。

圖3 航空發動機試驗數據的信息樹結構示意圖

2.3 試驗后數據處理

數據采集系統在航空飛行器發動機試驗過程后的數據處理，主要是做好試驗數據比對和數據回放。其中，數據比對主要是利用數據管理子系統的數據預處理模塊，對確定的控制參數理論值和實際采集的數據信息進行對比分析，并形成兩項數據信息的曲線對比圖，以便于試驗人員進行分析比對[6]。

而數據回放主要利用數據管理子系統的顯示窗口，對各項發動機試驗數據實現表格回放、曲線回放和圖像回放功能，從而實現對發動機試驗狀態、試驗數據進行實時記錄、分析與監控[7]。試驗人員應尤其重視試驗數據回放功能，部分發動機試驗數據發生異常的時間往往只有零點幾秒的時間，這就需要利用試驗數據的實時動態曲線回放功能，以彌補試驗人員肉眼監控數據的不足，提升航空發動機試驗的準確性。

3 結論

本文從航空飛行器發動機試驗中數據采集系統的應用特點、工作流程出發，探討了數據采集系統在航空發動機試驗全壽命周期管理中的應用與實現。通過數據采集系統在發動機試驗管理中的高效率應用，以降低試驗過程中數據人工處理的負擔，提升試驗數據采集與記錄的準確性、可靠性。