發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)設(shè)計

1 引 言

隨著發(fā)動機電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機測試提出了更高的要求。發(fā)動機試驗的自動化成為提高發(fā)動機測試效率和質(zhì)量的重要方法。虛擬儀器是用軟件將計算機與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化，以達到自動測試與分析的目的。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調(diào)理、過程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強和可重用度高，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模最小化，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

（1）系統(tǒng)組成

發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測發(fā)動機模塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)

主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量，如壓力、油耗等的測量工作。

cFP實時監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標(biāo)參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于完成對待測發(fā)動機各溫度點的實時監(jiān)測。

測功機模塊被用于為待測發(fā)動機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測發(fā)動機在該負載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標(biāo)參量轉(zhuǎn)換為 cFP實時監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號。

（2）工作原理

發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有：

1）發(fā)動機壓力曲線 （油、水、氣的進出口）。2） 發(fā)動機溫度曲線 （油、水、氣的進出口及環(huán)境）。3） 發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線。4） 發(fā)動機扭矩曲線。5） 發(fā)動機功率曲線。6） 發(fā)動機油耗曲線 。

自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試，負載測試下用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載同時完成對待測發(fā)動機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測發(fā)動機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。

手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作。

3 硬件結(jié)構(gòu)

發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖

（1）主控機

主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU，多功能數(shù)據(jù)采集卡和實時測溫模塊和實時監(jiān)控模塊。

（2）實時監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。作為工業(yè)級控制系統(tǒng)，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗干擾性，是用于完成系統(tǒng)最核心的實時采集與控制的部分。

（3）實時測溫模塊

實時測溫模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標(biāo)準(zhǔn)J、K、T、N、R、S、E和B型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補償以及各種熱電偶的溫度算法，用于發(fā)動機各待測溫度點的數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控。