彭先敏, 章貴川, 車兵輝, 尹欣繁,魏一博

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 低速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)是在風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境下模擬直升機(jī)前飛狀態(tài)、斜下降狀態(tài)等飛行狀態(tài),以測(cè)試旋翼模型升阻比、噪聲特性、結(jié)冰特性等相關(guān)性能的試驗(yàn)，簡(jiǎn)單地說就是在風(fēng)洞中遙控直升機(jī)飛行[1]。試驗(yàn)基于槳尖馬赫數(shù)相似原理實(shí)施，其旋翼槳尖速度與真實(shí)直升機(jī)槳尖速度相同(≥219 m/s)，為此直升機(jī)模型風(fēng)洞試驗(yàn)常出現(xiàn)由于危險(xiǎn)故障處理不及時(shí)導(dǎo)致故障損壞快速擴(kuò)大，造成嚴(yán)重?fù)p失的情況出現(xiàn)。比如在直升機(jī)模型風(fēng)洞試驗(yàn)中出現(xiàn)過減速箱軸承損壞卡死導(dǎo)致旋翼突然停轉(zhuǎn)受損；槳轂軸頸斷裂導(dǎo)致一片旋翼飛出，動(dòng)平衡失效，旋翼振動(dòng)快速增大至10 g以上，損壞試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試天平及傳動(dòng)部件；試驗(yàn)過程中操縱系統(tǒng)電動(dòng)缸失速至旋翼周期變距快速加大，氣動(dòng)力矩平衡失效，振動(dòng)快速加大，至旋翼天平嚴(yán)重?fù)p壞；試驗(yàn)中電機(jī)軸承受損至電機(jī)掃堂，旋翼模型因急速停轉(zhuǎn)而受損，如此等等，這些故障都是在幾秒鐘內(nèi)出現(xiàn)并造成較大損失。4米直徑旋翼模型以額定轉(zhuǎn)速1 050 rpm旋轉(zhuǎn)，其試驗(yàn)中斷裂飛出槳尖的動(dòng)能比一顆機(jī)槍子彈出膛的動(dòng)能還大?？梢娭鄙龣C(jī)模型風(fēng)洞試驗(yàn)是非?？焖俜浅ＮｋU(xiǎn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)提供旋翼模型旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力，在直升機(jī)模型風(fēng)洞試驗(yàn)出現(xiàn)危及試驗(yàn)安全的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，最常使用的處置措施是正常停車或者讓旋翼自由停車，因此試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)安全保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-5]。本文通過以動(dòng)力系統(tǒng)主控PLC為核心，構(gòu)建“全方位監(jiān)測(cè)——高速數(shù)據(jù)通訊—運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)—風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估—安全保護(hù)”的控制模式，從數(shù)字化、實(shí)時(shí)性、智能化等方面進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)智能化監(jiān)測(cè)與安全保護(hù)方法。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

直升機(jī)旋翼模型試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻控制器等組成，以Φ2米共軸試驗(yàn)臺(tái)為例，由于試驗(yàn)臺(tái)減速箱的潤(rùn)滑冷卻情況及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)情況(振動(dòng)位移量，以反應(yīng)傳動(dòng)軸的同心度狀態(tài))也嚴(yán)重影響動(dòng)力啟停運(yùn)行，本設(shè)計(jì)將該部分納入動(dòng)力系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)范疇，另外試驗(yàn)臺(tái)其它子系統(tǒng)的運(yùn)行及機(jī)械部件的振動(dòng)狀態(tài)(振動(dòng)加速度，反應(yīng)各機(jī)械部件如減速箱、軸承等的運(yùn)行狀態(tài))出現(xiàn)危及試驗(yàn)臺(tái)安全運(yùn)行時(shí)如何通知?jiǎng)恿ο到y(tǒng)停車等情況也是動(dòng)力系統(tǒng)安全運(yùn)行設(shè)計(jì)需要考慮的因素。由于可編程邏輯控制器PLC具有高度穩(wěn)定性及良好的抗干擾能力等，本設(shè)計(jì)以PLC為核心進(jìn)行構(gòu)建，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Φ 2米共軸試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)總體架構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)主要分潤(rùn)滑油車及主控兩部分組成，其中潤(rùn)滑油車部分PLC選用西門子S7-300PLC，主要完成減速箱潤(rùn)滑油車的控制及相關(guān)出口油壓、出口油溫，回油流量、回油油溫等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另外還要完成減速箱溫度(反應(yīng)減速箱的運(yùn)行狀態(tài))、傳動(dòng)軸振動(dòng)位移(反應(yīng)傳動(dòng)軸運(yùn)行時(shí)同心度情況)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水溫度、流量等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主控PLC選用西門子S1500PLC，主要完成與CT變頻器和潤(rùn)滑油車的通訊控制及電機(jī)軸承溫度的監(jiān)測(cè)，完成測(cè)控間、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的急?？刂疲瓿膳c振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)等其它子系統(tǒng)的通訊控制。主控PLC與變頻器、潤(rùn)滑油車PLC及上位機(jī)之間通過Profinet總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。試驗(yàn)臺(tái)其它子系統(tǒng)及急停信號(hào)與主控PLC之間通過I/O信號(hào)進(jìn)行連接。當(dāng)其它子系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)故障時(shí)，如速壓子系統(tǒng)發(fā)生電機(jī)故障、變頻器故障、冷卻系統(tǒng)故障及其它危險(xiǎn)故障時(shí)，產(chǎn)生24 V I/O高電平信號(hào)發(fā)送至主控PLC，主控PLC啟動(dòng)危險(xiǎn)情況處理流程，先產(chǎn)生I/O信號(hào)通知除速壓子系統(tǒng)以外的其它子系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)停車程序。試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)主要取監(jiān)測(cè)量的一階FFT幅值及相應(yīng)監(jiān)測(cè)量的時(shí)域均方根值進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，當(dāng)該監(jiān)測(cè)值在試驗(yàn)穩(wěn)轉(zhuǎn)速運(yùn)行過程(旋翼啟停過程中經(jīng)過共振點(diǎn)時(shí)振動(dòng)一般會(huì)大于所設(shè)門限閥值)中超過所設(shè)置門限閥值時(shí)[6-8]，振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)輸出一高電平I/O信號(hào)發(fā)送至主控PLC。

直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)中旋翼是唯一的負(fù)載，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如電機(jī)功率、電流、電壓等與旋翼的運(yùn)行狀態(tài)，如升力系數(shù)，旋翼功率、旋翼總距等相關(guān)，旋翼的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息主要由旋翼載荷監(jiān)視與采集系統(tǒng)提供。動(dòng)力系統(tǒng)上位機(jī)控制程序通過TCP通訊方式得到旋翼系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行信息，從而為判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)。

如此通過Profinet總線完成與潤(rùn)滑油車、變頻器完成相關(guān)信息交互，通過I/O信號(hào)方式完成與其它子系統(tǒng)的信息交互，通過TCP通訊完成與旋翼載荷監(jiān)視與采集子系統(tǒng)的信息交互，同時(shí)上位機(jī)程序還可以通過TCP通訊方式與試驗(yàn)管理軟件完成網(wǎng)絡(luò)指令任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)過程網(wǎng)絡(luò)控制。這樣將以往相互隔離的試驗(yàn)臺(tái)各子系統(tǒng)分離的信息孤島聯(lián)接成為一個(gè)整體[9]，為動(dòng)力系統(tǒng)的安全運(yùn)行乃至整個(gè)試驗(yàn)的安全運(yùn)行提供了充裕的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 高速數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)的高轉(zhuǎn)速及高風(fēng)險(xiǎn)特性，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，發(fā)生危險(xiǎn)故障1～2秒內(nèi)就會(huì)故障擴(kuò)散至產(chǎn)生較大的損失，因此對(duì)試驗(yàn)安全保護(hù)啟動(dòng)的時(shí)間要求在百毫秒級(jí)內(nèi)。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)通訊方式必須可靠且高速。

2.1 基于Libnodave的上位機(jī)與PLC通訊

上位機(jī)與西門子PLC之間常用的通訊方式主要有3種：OPC、西門子公司提供的接口函數(shù)庫PRODAVE和開源函數(shù)庫Libnodave。2014年理想能源設(shè)備(上海)有限公司的凌建華對(duì)采用POVDAVE和Libnodave函數(shù)庫完成上位機(jī)與PLC通訊速率進(jìn)行了對(duì)比研究，后者在PLC數(shù)據(jù)讀時(shí)間在15 ms以內(nèi)，寫數(shù)據(jù)時(shí)間基本在1 ms以內(nèi)，而PORDAVE庫函數(shù)相對(duì)要慢很多，特別對(duì)S7-300PLC讀寫數(shù)據(jù)需要花費(fèi)500 ms左右[8]。而OPC方式更慢，作者本人曾采用該方式編寫動(dòng)力系統(tǒng)控制程序，讀出的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線呈階梯狀，而相同系統(tǒng)程序采用Libnodave函數(shù)庫編寫，曲線連續(xù)性很好。因此本方案上位機(jī)程序采用Libnodave函數(shù)庫編寫與PLC的數(shù)據(jù)通訊。

2.2 PLC與變頻器的通訊

本設(shè)計(jì)中使用的變頻器是CT Unidrive SP型，其具有Profinet通訊卡，通過該卡可以與主控PLC之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通訊，通訊率可達(dá)100 Mbps。首先在變頻器參數(shù)配置中配置好Profinet通訊卡的IP地址，注意上位機(jī)與PLC的IP地址設(shè)置在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)；在西門子博途軟件中進(jìn)行設(shè)備組態(tài)時(shí)，配置從站時(shí)設(shè)備類型選擇CT Unidrive SP變頻器，在IP地址和子網(wǎng)掩碼項(xiàng)填寫變頻器通訊卡的相關(guān)參數(shù)，選擇自動(dòng)生成Profinet設(shè)備名稱，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)unidrive -sp名，在設(shè)備概覽欄中填寫要讀寫的變頻器參數(shù)[11]，如圖2所示。其PLC讀取變頻器程序如圖3所示。

圖2 PLC與變頻器通訊參數(shù)設(shè)置

圖3 PLC讀變頻器參數(shù)程序

2.3 上位機(jī)軟件與旋翼載荷監(jiān)視與采集軟件通訊

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊方式有多種，如UDP通訊、TCP通訊等，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)推出的DataSocket控件，它主要基于微軟的COM和ActiveX技術(shù)，對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高度封裝，面向測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，支持多種數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，用于共享和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是一種方便易用的高性能數(shù)據(jù)交互編程接口。在10 m網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率可達(dá)到640 kbps，而目前測(cè)控網(wǎng)速早已達(dá)到1 000 m，其數(shù)據(jù)傳輸速率更高，能夠滿足本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性的要求[1]。本設(shè)計(jì)中旋翼載荷監(jiān)視與采集系統(tǒng)作為Datasocket服務(wù)器端，實(shí)時(shí)發(fā)布其關(guān)鍵數(shù)據(jù)，動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件從中獲取升力系數(shù)、旋翼功率、操縱總距等與動(dòng)力相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3 運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

動(dòng)力系統(tǒng)即包含潤(rùn)滑油車及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件，也包含了試驗(yàn)臺(tái)減速器溫度及傳動(dòng)軸振動(dòng)位移等監(jiān)控，同時(shí)還包含了試驗(yàn)臺(tái)其它子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此本設(shè)計(jì)中運(yùn)行狀態(tài)主要針對(duì)部件級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要針對(duì)系統(tǒng)級(jí)。

3.1 運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)及保護(hù)措施

為滿足直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)保護(hù)的實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)主要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)快速判斷各部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并在上位機(jī)軟件上進(jìn)行相應(yīng)提示。根據(jù)對(duì)部件安全運(yùn)行的影響程度，將各部件運(yùn)行狀態(tài)分為正常、警告、危險(xiǎn)三級(jí)。其“正常”狀態(tài)即運(yùn)行狀態(tài)完全不影響部件的安全運(yùn)行；“警告”狀態(tài)即運(yùn)行狀態(tài)處于影響部件安全的邊界狀態(tài)，不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在完成該點(diǎn)試驗(yàn)的情況下最好終止試驗(yàn)運(yùn)行；“危險(xiǎn)”狀態(tài)即運(yùn)行狀態(tài)嚴(yán)重影響部件的安全，必須立即停止運(yùn)行?？刂栖浖鶕?jù)部件運(yùn)行狀態(tài)的判斷，在上位機(jī)軟件相應(yīng)部件監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示中將其顯示背景設(shè)置為本色(正常)、黃色(警告)、紅色(危險(xiǎn))，并在系統(tǒng)工作狀態(tài)中對(duì)警告及危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行記錄。

3.2 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

部件級(jí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法主要根據(jù)門限閥值進(jìn)行評(píng)估。門限閥值的設(shè)置有兩類：第一類根據(jù)廠家明確的工作范圍設(shè)置，如電機(jī)軸承溫度、減速箱工作溫度、電機(jī)電流等，嚴(yán)格按廠家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，該類稱為系統(tǒng)報(bào)警；該類閥值主要反映部件設(shè)計(jì)特性，不能反映部件特性隨運(yùn)行時(shí)間、工況等的累積變化情況， 為此根據(jù)根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)最能反映的該特性變化的特征值，溫度量的包絡(luò)曲線和溫升斜率，均方根等，振動(dòng)信息的特征頻率幅值、時(shí)域均方根、均方誤，轉(zhuǎn)速信息穩(wěn)定狀態(tài)下的均方誤差、電流信息的均方誤差等，每次運(yùn)行后將試驗(yàn)運(yùn)行信息記錄文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將歷史數(shù)據(jù)匯總分析，對(duì)這些特征數(shù)據(jù)分析，更有利于發(fā)現(xiàn)部件的性能變化。針對(duì)這此特征參數(shù)設(shè)置專門的門限閥值，我們稱之為特征警戒值，其警戒值計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

特征警戒報(bào)警主要作為故障狀態(tài)的提前預(yù)警信號(hào)，試驗(yàn)時(shí)采用運(yùn)行數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均的方法計(jì)算方差和峰峰值等，并根據(jù)警戒值進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，評(píng)估為危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)(在系統(tǒng)報(bào)警安全范圍內(nèi))，主要在該次試驗(yàn)完成后進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，給出相應(yīng)部件狀態(tài)分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)論，并對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行安全檢查及維護(hù)[12]。

另外，在直升機(jī)試驗(yàn)中，對(duì)與旋翼模型參數(shù)(如槳葉片數(shù))，旋翼工作狀態(tài)等有關(guān)聯(lián)的部件參數(shù)，如電機(jī)工作電流、功率，電機(jī)溫度等參數(shù)，則在根據(jù)旋翼穩(wěn)轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下相應(yīng)曲線(如圖4為4米直徑旋翼模型電機(jī)工作電流與旋翼操縱總距關(guān)系曲線)。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)值與相應(yīng)曲線的預(yù)估值的偏差與預(yù)估值的比值進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)該值大于20%，該條試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性存疑，需要正常停下進(jìn)行系統(tǒng)排查，多期試驗(yàn)后可對(duì)比例進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖4 不同旋翼模型電機(jī)電流與旋翼總距的關(guān)系曲線

3.3 風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估及安全保護(hù)

研究其它行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程，確定旋翼試驗(yàn)中動(dòng)力系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法：風(fēng)險(xiǎn)等級(jí):嚴(yán)重度(S)、發(fā)生可能性(O)、可避免度(A)。評(píng)價(jià)參考因素:對(duì)試驗(yàn)安全的影響(TI)、對(duì)設(shè)備安全的影響(SI)、故障發(fā)生概率(FP)、故障發(fā)生頻率(FF)。系統(tǒng)所有部件特征變化對(duì)試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的影響評(píng)價(jià)權(quán)重:無影響 1 分;輕微 2 ～ 3 分;一般 4 ～ 6 分;嚴(yán)重 7 ～ 8 分;很嚴(yán)重 9 ～ 10 分[17-18]。風(fēng)險(xiǎn)分析根據(jù)評(píng)價(jià)參考因素，分解系統(tǒng)各測(cè)試參數(shù)取對(duì)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重，且總和為100分。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)求系統(tǒng)的總的風(fēng)險(xiǎn)值，公式如下：

(4)

其中:R為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值，xi為各監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)值，F(xiàn)S為各監(jiān)測(cè)值的最大工作值(一般取運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估中第一類方法的危險(xiǎn)閥值上/下限之差)，V為各參數(shù)權(quán)重。

當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)值R≤60時(shí)，系統(tǒng)處于低風(fēng)險(xiǎn)(風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)A)，試驗(yàn)正常進(jìn)行；6085，系統(tǒng)處于嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)(S+)，試驗(yàn)需要采用緊急停車保護(hù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件包括主控PLC程序及潤(rùn)滑油車PLC程序兩部分，其中潤(rùn)滑油站PLC主要完成潤(rùn)滑油溫的控制、數(shù)據(jù)采集、油站本地控制(遠(yuǎn)程則上位機(jī)通過主控PLC進(jìn)行控制)等功能；主控PLC在完成不同數(shù)據(jù)采集、與潤(rùn)滑油站PLC和變頻器通訊獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)狀態(tài)判斷及安全保護(hù)操作，根據(jù)上位機(jī)的指令完成相關(guān)設(shè)備啟?？刂啤LC軟件采用模塊化的編程思路編程，將不同功能的子程序放在不同的功能塊FB和FC 里，然后從程序組織模塊OB里根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的功能塊；將需要與上位機(jī)交互的數(shù)據(jù)依次放到PLC的不同的DB模塊中[19]。

主控PLC變頻電機(jī)控制流程圖如圖5所示。圖中所有數(shù)據(jù)代表一項(xiàng)門限閥值(主要是狀態(tài)評(píng)估中第一類門限閥值，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析作調(diào)整)，該閥值有專門的DB塊，由上位機(jī)軟件在完成程序與主控PLC連接后首先進(jìn)行寫入。在試驗(yàn)運(yùn)行過程中不會(huì)修改，當(dāng)完成本次試驗(yàn)旋翼模型第一次額定轉(zhuǎn)速的懸停試驗(yàn)運(yùn)行后，結(jié)合本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，上位機(jī)軟件分析運(yùn)行信息后，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)門限閥值修改。

圖5 主控PLC控制流程

圖中關(guān)鍵部件振動(dòng)加速度1階幅值>0.3 g這一條主要是由振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)通過I/O高電平信號(hào)輸出至主控PLC相關(guān)狀態(tài)。試驗(yàn)過程中程序會(huì)巡檢振動(dòng)及其它系統(tǒng)危險(xiǎn)故障信號(hào)。

4.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

從圖6可以看出，上位機(jī)軟件主要由與主控PLC通訊模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)共享模塊、智能控制模塊、安全保護(hù)模塊及數(shù)據(jù)分析模塊等構(gòu)成。其中還包括兩個(gè)知識(shí)庫，一個(gè)是根據(jù)系統(tǒng)以往運(yùn)行信息分析得出的安全閥值庫，軟件會(huì)根據(jù)旋翼模型參數(shù)等方面知識(shí)選擇合理的安全閥值，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確評(píng)判系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。另一個(gè)知識(shí)庫則是變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制PID參數(shù)知識(shí)庫，結(jié)合模糊控制和PID控制[20]，以解決由于旋翼模型的不同，導(dǎo)致在大功率階段，旋翼轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)不到優(yōu)于0.1%的目標(biāo)。另外歷史數(shù)據(jù)分析在每次試驗(yàn)完成后自動(dòng)分析該條試驗(yàn)運(yùn)行信息記錄文件，將相關(guān)門限閥值調(diào)整寫入系統(tǒng)參數(shù)配置文件，將其它分析結(jié)果數(shù)據(jù)寫入專門文件或數(shù)據(jù)庫，以作系統(tǒng)故障演化過程分析。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)研制完成以后，參與Φ2米共軸試驗(yàn)臺(tái)場(chǎng)面調(diào)試及FL14風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中動(dòng)力系統(tǒng)軟件在啟動(dòng)電機(jī)后自動(dòng)實(shí)時(shí)所有與動(dòng)力運(yùn)行相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，直到電機(jī)停轉(zhuǎn)。經(jīng)專門編寫的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，并作為歷史特征數(shù)據(jù)文件保存。

這里以電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度為例進(jìn)行說明，根據(jù)廠商技術(shù)指標(biāo)，設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度第一類報(bào)警限為85 ℃，停車限為100 ℃。根據(jù)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析，其分析特征數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度歷史特征數(shù)據(jù)

在設(shè)備第二類門限閥值時(shí)，根據(jù)上述歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，平均溫度和極差受試驗(yàn)平均功率和運(yùn)行時(shí)間影響較大，從而也影響每分鐘平均溫升的數(shù)據(jù)有效性，且分析發(fā)現(xiàn)每分鐘溫升離散度較大。功率溫升(極差/平均功率)能夠較好克服功率和運(yùn)行時(shí)間的影響，所示在設(shè)置溫度類狀態(tài)數(shù)據(jù)第二類門限閥值時(shí)，選擇功率溫升作為關(guān)鍵特征量。

根據(jù)式(1)，計(jì)算得電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度的功率溫升第二類警戒值為0.868 9。對(duì)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度和繞組溫度、減速箱溫度等進(jìn)行相同算法處理。在今年試驗(yàn)臺(tái)維護(hù)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)減速器溫度范圍正常，功率溫升(0.747)高于警戒值(0.548)。檢查減速箱發(fā)現(xiàn)其潤(rùn)滑油進(jìn)油量較小、調(diào)整進(jìn)油量，再運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)正常。

6 結(jié)束語

本文以Φ2米共軸試驗(yàn)臺(tái)為例，就直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)保護(hù)的整體架構(gòu)、數(shù)據(jù)通訊、運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)分析，軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)論述。該設(shè)計(jì)通過多種方式打通了試驗(yàn)臺(tái)各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)為狀態(tài)評(píng)估提供了多種評(píng)判依據(jù)，為動(dòng)力系統(tǒng)的安全狀態(tài)分級(jí)及試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，保證了安全保護(hù)的可靠性和科學(xué)性。目前該設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用到直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)控制，試驗(yàn)應(yīng)用效果表明該設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)，安全保護(hù)可靠，有利于提前對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，充分滿足了直升機(jī)旋翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)安全性的需求。