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飞机的燃油系统是飞机安全运行的重要系统之一，保证该系统安全稳定地运行至关重要。作为飞机维护人员培训的核心部分，维修培训装置的设计也非常重要。当前培训系统相对落后，成本高、功能单一、扩展性差。 
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为了解决当前知识增长与系统落后的矛盾，本文综合应用当前流行的新技术手段，设计出一种软硬件有机结合的实验室教学系统。使该系统具有现实飞机燃油系统相同或者更多的一系列功能：燃油电气系统理论培训，包括燃油系统的组成、部附件的安装位置和工作原理以及内部结构和组成；燃油电气系统的操作模拟，包括手自动加油、手自动输油、应急放油等操作过程；燃油电气系统的模拟通电，完成维护规程规定的通电内容，比如左右前泵、左右后泵等通电检查；燃油电气系统部附件维护程序培训，利用虚拟现实或视频完成部附件的培训，燃油比如油泵的拆装和清洗等工作；故障注入和模拟故障排除功能，教员可利用教师机进行故障注入，学员可利用本系统进行模拟故障流程；实时监控和记录学员的培训过程，可供随后的分析和评价。该实验室系统主要用于实验室内培训，学员通过该系统的使用可以达到掌握并提高排除故障能力的目的。该系统已经投入使用。
1 系统整体结构 作为一种仿真培训装置，该装置以某型号战斗机的燃油系统为设计原型，操控逻辑完全遵循实际操控逻辑进行设计，采用实物操作与软件操作相结合的设计理念，开发过程以硬件搭建与软件开发相结合。该装置采用C#与组态王搭建出人机界面与演示画面，采用PLC技术实现各器件的电气逻辑控制，采用原理仿真技术实现了电路板对物理器件故障的仿真，采用CAN总线实现教员控制台、PLC及其它部件之间的连接通讯，采用故障树的形式将案例库存储在SQL数据库中。 CAN总线是一种支持分布式实时控制的串行现场总线。优点明显，适合实验室系统应用，节点数多，其总线接口节点数可以达到110个；多主总线工作方式，任何一个节点都可以作为主节点；传输速率在短距离内高。 系统整体结构图如图1所示。上位机、PLC、仿真单体及其它设备都通过CAN总线连接在双绞线上。为了方便的接入CAN总线，教员控制台安装了PCI-CAN板卡，PLC安装有CAN转RS-485转换器。使用双绞线传输数据，受外界干扰相同，因此可以利用接收器的高共模抑制特点，提高通信时的抗干扰能力，所以，在双绞线两端使用匹配电阻R来消除双绞线反射所引起的干扰。 进行交互操作的子系统有：供油分系统、输油控制分系统、动力燃油分系统、通气增压分系统、加油分系统、散热分系统、放油及应急放油分系统、油量耗量测量分系统、余油收集分系统、空中受油分系统、伙伴加油分系统。 教员控制台是整个试验系统的核心，其功能如下：控制完整的训练过程；设置特定的故障发生；取消故障；监视、记录并评估学员的排除故障操作；查看历史训练记录；对故障案例的数据库进行维护等。 学员控制台是学员进行理论学习与维护操作培训的场所，主要进行原理演示培训、虚拟拆装、排除故障训练、个人信息管理等。 综上，该系统可以实现燃油系统故障的模拟与再现。通过该系统的使用，可以对燃油系统的故障原理进行研究，帮助维修人员制定诊断与维修方案，在最短时间最准确地完成燃油系统的故障分析及诊断处理。 |
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2 硬件组成
硬件系统是实验系统的基础，主要由控制台（学员及教员）、交互式训练面板（座舱设备及地面设备仿真）、仿真单体、数据库服务器组成。该体系基于CAN总线的局域网，实现了横向与纵向信息的快速稳定传输，具有足够带宽及强大扩展性。 2.1控制台 控制台按照使用对象分为两部分，学员控制台与教员控制台。 物理结构包括工控机、数据采集卡、数据处理卡、信号调理卡以及外围设备。工控机安装有PCI-CAN转换卡，方便的连接到CAN总线上。 工控机安装有PCI-CAN转换卡，方便地连接到CAN总线网络中。具有开放性、实时性、人机界面友好及多任务多线程等优点。 PLC采用的西门子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其优点相当明显，编程容易、控制系统施工周期短、系统维护容易。燃油系统故障模拟装置中PLC的使用，实现燃油系统控制关系的仿真及电气故障设置，使响应时间减少，开关量的控制更加准确。 2.2 交互训练面板 交互训练面板主要由座舱设备及地面设备仿真组成。座舱操作仿真面板，是现实飞机座舱内关于飞机燃油系统全部操作的复制。地面监测设备仿真面板，仅仅对外部设备外形做适当改变。其功能是实现燃油系统的功能指令的控制，及各种报警、油量及各种状态参数的显示。 包含全部子系统及其组件的特征图，并且与教员控制台设备相连，实现功能如下：各种参数数据的采集与上传；座舱显示与操作的模拟；各组件的状态控制；各开关指令的传输与控制；接收到教员控制台指令后做出相应故障现象；学员可以通过手动操作实现测试与维修。 2.3 仿真单体 内部硬件仿真体系结构与现实系统一致，并且其对外接口可以与现实装备连接，实现互操作。仿真单体具有软件网络与硬件网络两方面的功能：软件方面，实现了状态信息的接收、处理、执行、发送等任务，为用户提供方面的控制接口；硬件方面互联与实际系统一致，实现故障模拟、接口状态的设置、信息传输、数据处理、信号接收与转换，为操作维护训练提供有效硬件支持。 仿真单体是系统的重要组成部分，同时也是仿真系统的核心。物理上按照飞机实际位置布置在学员控制台上，可以使学员建立有效的空间概念。 图 2 仿真单体结构图 结构如图2所示，其通信模块的硬件电路由AT89C52单片机、SJA1000 CAN总线控制器、82C250 CAN收发器组成。82C250 CAN总线收发器可以增加通信距离，提高瞬间抗干扰能力，降低射频干扰(RFI)，保护总线，实现热防护等。 软件主要实现单片机与CAN总线控制器之间的通信，如初始化、发送、取消发送、接收、测试等。为了方便外部测量设备的使用，设计有测量接口，与现实接口完全相同，可以实现各种参数的直接测量。 例如，三相交流输油泵的仿真单体，可测量的外置接口有4针。该仿真板可以仿真电机正常及各种故障模式，如缺相、断路、短路等。从测量接口测量，管脚间电压分别为零、管脚间电阻无穷大、管脚间电阻为零等。 3 软件设计 该系统的上位机软件主要由三部分组成：教员端、学员端、数据库。 结构如图3所示，教员登录后获得高权限，除了具有学员的全部权限外，还可以进行标准故障案例的生成、数据库的维护、各种参数的设定、学员账号的管理、学员成绩的评估等。 图 3 软件体系结构 学员登录获得低权限，能够观看演示画面、通过演示画面在操作面板进行模拟排除故障培训、查阅本人历史成绩单。 图 4 上位机软件主要功能 数据库，主要是存储标准案例库、系统的各种历史参数、学员操作及成绩。数据库提供开放的OPC（OLE for Process Control，对象的连接与嵌入在工业控制领域的应用）接口。 功能如图4所示，主要由故障设置与排除、数据库管理与维护、标准排故流程、系统设置，四部分组成。 |
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5 应用与结论
为了能够清晰有效地演示各子系统的原理，更准确的表示出故障发生后产生的一系列现象。本系统采用的是组态王分别制作各子系统的演示画面。其中输油分系统组态演示画面如下图所示： 图 5 输油分系统组态画面 该系统的设计依据飞机燃油系统的原理完全达到培训要求，此外其大量功能是现实飞机外场无法实现的。该系统可以短时间内设置飞机任意状态，缩短培训时间；可以对某些典型故障深入反复学习，使学员短时间内积累大量经验；飞机外场不能设置的故障，该系统可以实现，如火警、掉电、进水等；可以不处理当前发生的故障，任由其造成更大损坏，使学员更深入了解故障危害；该系统可以对各种参数深入研究，以改进优化现役飞机燃油系统。总之，该系统成本低、研发时间短、大幅度提升了培训质量。 参考文献 [1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996. [2] 李瑞先.组态软件在监控系统中的应用[J].电气传动自动化,2006,(5):112-116 [3] 刘明, 朱其刚, 李世光.基于CAN总线驱动器PCA82C250的多主结构分布式工业测控系统的应用研究[J].电气自动化,2006,28(2):130-131 [4] 朱大奇.航空电子设备故障诊断新技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2002. [5] 朱大奇.电子设备故障诊断的原理与实践[M]. 北京:电子工业出版社,2004. [6] 蹇小平，王俊红，仇世侃，张春化.电控汽油机故障模拟实验系统设计[J].汽车技术,2007,(09):44-47. [7] 仇世侃.电喷发动机故障模拟试验台传感器信号采集系统开发研究[D].西安:长安大学,2005, [8] 王俊红.电控汽油发动机传感器信号模拟试验系统设计[D] .西安:长安大学,2008. [9] 万文彬.电控发动机故障诊断平台设计及其试验分析[D] .镇江:江苏大学,2005. |
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