АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДОМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована в конструкциях стендов для испытаний сложных энергетических объектов широкого назначения, например, двигательных установок, в том числе, авиационных.
Известна система управления многофункциональным программируемым испытательным комплексом, включающим ротационную машину, имеющую статор, ротор, привод ротора, испытательное оборудование и устройства управления, причем привод ротора оснащен устройствами имитаций инерционного и электрического воздействий, и пневмосистемой, включающей устройства имитаций гидравлического и механического воздействий, статор оснащен приводом ударного механизма, а система управления содержит центральный управляющий компьютер, связанный с контроллерами ротора и статора, причем контроллер ротора предназначен для управления устройством имитации электрического воздействия и устройствами имитаций гидравлического и механического воздействий, установленными на роторе, а контроллер статора предназначен для управления регулирующими и контролирующими элементами пневмосистемы и приводом ударного механизма.
(см. патент РФ №2232381, кл. G01M 17/00, 2004 г.).
В результате анализа известной системы управления необходимо отметить, что она обладает ограниченными функциональными возможностями, так как обеспечивает управление только заданием механических и электрических имитационных воздействий.
Известна автоматизированная система управления испытательным стендом, содержащая локальные устройства управления, в каждое из которых входят первый, второй и третий контроллеры, подключенные первыми входами-выходами к резервированной сети связи для обмена информацией между ними, и к блоку синхронизации, который является источником сигналов единого времени для контроллеров во всех входящих в систему локальных устройствах управления.
В состав локальных устройств управления входят также устройство ввода-вывода дискретной информации, соединенное первым, вторым и третьим входами-выходами через адаптеры SpaceWire со вторыми входами-выходами контроллеров, и устройство ввода-вывода аналоговой информации, соединенное первым, вторым и третьим входами-выходами через адаптеры CAN с третьими входами-выходами контроллеров. Устройство ввода-вывода обеспечивает мажоритирование сигналов из контроллеров, их усиление и связь с объектом испытаний соответственно по дискретным и аналоговым входам-выходам. Мажоритирование аналоговой информации реализуется отбрасыванием наименьшего и наибольшего значений результатов испытаний.
Четвертые и пятые входы-выходы контроллеров подключены соответственно к первой и второй сетям оперативного управления, которые соответственно через первый и второй сетевые коммутаторы, волоконно-оптические кабели и третий и четвертый сетевые коммутаторы соединены с автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов, подключенными также к сети верхнего уровня с подсоединенным к ней комплектом автоматизированных рабочих мест инженеров, имеющим связь с внешней автоматизированной координирующей системой управления. АРМ операторов предназначены для выдачи команд оперативного управления с пульта на базе персональной электронно-вычислительной машины по указанию ведущих инженеров и в соответствии с заданием на испытание и необходимой реакцией на нештатные ситуации на стенде. Комплект АРМ инженеров предназначен для контроля состояния систем стенда и протекающих в них физических процессов. АРМ операторов выполняют также функции обслуживания контроллеров и контроля функционирования устройств системы.
Контроллеры каждого локального устройства управления соединены друг с другом.
В исходном состоянии контроллеры загружены из автоматизированных рабочих мест операторов программой управления, реализующей задание на испытание изделия. В процессе проведения испытания контроллеры со второго входа-выхода выдают команды через адаптеры SpaceWir в устройство ввода-вывода дискретной информации и значения аналоговых выходов с третьего входа-выхода в устройство ввода-вывода аналоговой информации через адаптеры CAN соответственно. Аналогично, но в обратном направлении контроллеры получают входную дискретную и аналоговую информацию.
Входной информацией для программы управления являются также команды внешней автоматизированной координирующей системы управления, подключенной к АРМ инженеров, и команды операторов, формируемые в АРМ операторов в центре управления испытаниями. Эти команды передаются в контроллеры по двум дублирующим друг друга путям. Первый - с первых входов-выходов АРМ операторов через третий сетевой коммутатор, волоконно-оптический кабель, первый сетевой коммутатор и сеть оперативного управления, к которой подсоединены четвертые входы-выходы контроллеров каждого из локальных устройств управления. Второй путь - со вторых входов-выходов АРМ операторов через четвертый сетевой коммутатор, волоконно-оптический кабель, второй сетевой коммутатор и сеть оперативного управления, к которой подсоединены пятые входы-выходы всех контроллеров.
Связь контроллеров с АРМ операторов является двухсторонней и служит также для отображения оператором реализации команд управления и состояния системы. АРМ операторов имеют выходы также в сеть верхнего уровня, к которой подключен комплект автоматизированных рабочих мест инженеров, через который обеспечивается одновременно связь с внешней автоматизированной координирующей системой управления, осуществляющей функции координации работ систем стенда.
В системе управления используются высокопроизводительные процессоры в контроллерах, например, в стандарте «компьютер на модуле» типа NanoETXexpress фирмы Контрон, ФРГ с тактовой частотой процессора 1,6 ГГц, одномоментным началом процедуры выравнивания информации в контроллерах по высокопроизводительному интерфейсу SpaceWire со скоростью до 400 Мбит/с и небольшим временем обмена информацией между контроллерами и устройствами ввода-вывода дискретной информации также по высокоскоростному интерфейсу SpaceWire, который имеет отдельные линии для приема и для передачи информации, что повышает его пропускную способность и надежность.
(см. патент РФ №2434259, кл. G05B 19/00, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данной системы управления необходимо отметить, что в ней не предусмотрена синхронизация управления исполнительными органами, системами защиты и контроля рабочих элементов стенда с блоками испытуемого объекта. Указанный факт не позволяет в каждый момент времени испытаний обеспечить оптимальное согласование параметров стенда и испытуемого объекта, что не способствует качественному и безопасному проведению испытаний. Кроме того, отсутствие в системе блоков, позволяющих обеспечить в темпе эксперимента визуализацию испытаний и оперативную возможность выдачи автоматизированного протокола испытаний, затрудняет оперативность анализа результатов испытаний, а отсутствие средств архивации затрудняет накопление статистической информации о характеристиках испытуемых объектах и выявление общих закономерностей при детальном анализе данных после испытаний.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности работы системы управления стендом и ее функциональных возможностей, а также получение более полной информации о результатах испытаний и обеспечения безопасности проведения испытаний.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в автоматической системе управления стендом для испытания энергетических объектов, содержащая два локальных устройства управления, в состав каждого из которых входит контроллер, модуль синхронизации передачи данных, связанный с контроллерами, автоматизированные рабочие места операторов, новым является то, что в систему введены модуль отображения и модуль управления, связанные друг с другом, одно из устройств локального управления, предназначенное для управления стендом оснащено блоками управления исполнительными органами и технологическими системами стенда, связанными с модулем управления и контроллером своего устройства локального управления, а также блоком защиты и контроля, связанным с контроллером, другое устройство локального управления, предназначенное для управления объектом, оснащено блоком препарирования и блоком контроля и диагностики объекта связанными с контроллером данного устройства локального управления, имеющим возможность соединения с системой управления объекта, который также имеет возможность соединения с модулем управления, и с которым соединены автоматизированные рабочие места операторов, выходы модуля синхронизации передачи данных соединены с модулем отображения, блоками преобразования информации стенда и объекта, каждый из которых соединен с блоком хранения информации, а также с блоком первичной обработки информации, при этом, модули отображения и управления дополнительно связаны с системой управления более высокого уровня.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема автоматической системы управления стендом для испытания энергетических объектов.
В описании раскрыта система управления стендом, предназначенным для диагностирования авиационных газотурбинных двигателей. Система для управления стендами для контроля состояния других энергетических объектов будет аналогичной описанной выше.
Автоматическая система управления стендом содержит модуль управления 1 (центральную электронно-вычислительную машину). С входами модуля 1 связаны автоматизированные рабочие места (АРМ) персонала, например, оператора информационно-вычислительного комплекса (2), в состав которого входит стенд, оператора стенда (3), экспериментатора (4). Каждое АРМ является стандартным и содержит персональную электронно-вычислительную машину, в программный блок которой заложены программы проведения испытаний и контроля систем управления стенда. Каждое АРМ также оснащено пультом для задания режима работы системы управления стендом вида конкретного испытания объекта. Система также содержит модуль отображения 5, предназначенный для отображения результатов испытаний объекта, заданий на испытания, технического состояния системы управления, систем и агрегатов стенда при их диагностировании и в работе и пр. Модуль отображения 5 выполнен стандартным и обеспечивает визуализацию результатов испытаний и тестирования (для чего содержит дисплей), распечатку результатов испытаний и тестирования (для чего содержит печатающее устройство).
Система управления также содержит два локальных модуля управления, каждый из которых включает контроллеры 6 и 7.
Входы контроллера 6 первого локального модуля управления связаны с выходом блока 8 управления исполнительными органами (механизмами открытия створок на входе в испытуемый объект; механизмами эвакуации выхлопных газов; управления системами подготовки параметров рабочего тела, подаваемого в испытуемый объект (для ГТД это температура и давление воздуха, нагнетаемого в двигатель); системы организации неравномерности потока и пр.) стенда, с выходом блока 9 управления технологическими системами (системы подачи топлива, масла, охлаждающих сред и пр.) стенда, с блоком 10 защиты и контроля состояния контроллера 6, блоков 8 и 9. Блоки 8 и 9 также связаны двунаправленными связями с модулем управления 1.
Входы контроллера 7 второго локального модуля управления связаны с блоком 11 препарирования, предназначенного для связи с дополнительно установленными для целей эксперимента на испытуемом объекте датчиками (не показаны), с блоком 12 контроля и диагностирования проходящего испытания объекта, предназначенного для обеспечения контроля и оценки технического состояния испытуемого объекта (конструктивно может быть выполнен в виде отдельного цифрового блока (или аппаратно интегрирован в цифровой блок управления) и имеет возможность соединения с системой управления 13 объекта, проходящего испытания. Система управления 13 также имеет возможность соединения двунаправленной связью с модулем управления 1.
Выходы модуля 1, контроллеров 6 и 7 соединены с входами модуля 14 синхронизации передачи данных. Выходы модуля 14 связаны с модулем 5 отображения, с модулем управления 1, с преобразователем 15, который связан с блоком 16 (архивом) хранения информации системы управления и агрегатов стенда, с преобразователем 17, который связан с блоком (архивом) 18 хранения информации об объекте и с блоком 19 первичной переработки информации об объекте, который связан с модулем отображения 5 и с информационно-управляющей шиной 20, которая связана с внешней автоматизированной координирующей системой управления (системой управления более высокого уровня (не показана). Данная шина также связана с модулем 1 управления и модулем визуализации 5.
Конструктивное выполнение блоков и модулей системы не является предметом патентной защиты и в данной заявке не раскрыто. Блоки и модули системы являются известными для специалистов.
Для связи блоков и модулей используются стандартные шины и блоки сопряжения.
В качестве модуля управления 1 может быть использована стандартная электронно-вычислительная машина с пакетом прикладных программ.
Блоки 10, 11, 12, могут быть выполнены в виде цифровых контролеров.
Модуль 14 синхронизации передачи данных может быть выполнен в виде цифрового таймера, обеспечивающего систему единого времени.
Блоки 15 и 17 могут быть выполнены в виде цифрового процессора.
Блоки 16 и 18 могут быть выполнены в виде цифрового сервера.
Блок 19 может быть выполнен в виде цифрового процессора.
Автоматическая система управления стендом для испытания энергетических объектов работает следующим образом.
Перед проведением испытаний объекта, например, авиационного газотурбинного двигателя, оператор стенда со своего АРМ 3 дает команду на диагностирование состояния блоков управления, агрегатов и систем стенда. С пульта управления он задает параметры (программу) проверки и направляет ее в модуль 1, с которого она поступает на блоки 8 и 9, в результате чего по заданной программе осуществляется диагностирование данных блоков, приводов агрегатов и систем стенда. Данные о результатах диагностирования передаются в контроллер 6, в котором осуществляется сравнение результатов диагностированных параметров с заданными и результаты сравнения через модуль 14 синхронизации передачи данных передаются на преобразователь 15, где переводятся в формат, удобный для архивирования и направляются в блок 16 для хранения. Кроме того, с контроллера 6 информация передается на модуль 5 для отображения и в модуль 1. Это позволяет убедиться в работоспособности блоков управления агрегатов и систем стенда. С блока 16 данные могут быть переданы по запросу на АРМ 2, 3, 4 или в систему управления более высокого уровня.
Для проведения испытания объекта (пусть это будет авиационный газотурбинный двигатель) систему управления 13 двигателя соединяют с контроллером 7 и с модулем управления 1. К двигателю подключают технологические системы и исполнительные органы стенда. Стенд готов к проведению испытаний объекта.
Для проведения испытаний с АРМ 4 системе 13 управления двигателем через модуль управления 1 задаются режимы работы двигателя, на которых проводятся испытания. Задание визуализируется на модуле 5. С АРМ 4 также задаются режимы работы систем стенда, которые через модуль 1 подаются на блоки 8 и 9. Проводятся испытания двигателя. В блоке 11 формируется информация от дополнительно установленных на испытуемом изделии датчиков, а в блоке 12 формируется информация о техническом состоянии испытуемого объекта.
В любой момент проведения испытаний с АРМ 2 или с системы более высокого уровня по шине 20 могут быть заданы особые режимы проведения испытаний или осуществлено оперативное управление, например, если блок 10 выдает данные о нештатной ситуации, полученной в результате обработки данных блоков 8 и 9 Блок 10 аналогично блоку 12 формирует информацию о техническом состоянии технологических систем стенда.
Результаты работы системы управления стендом подаются через блок 14 на блок 15, где обрабатываются в форму, удобную для хранения и архивируются в блоке 16.
Результаты работы системы управления объекта подаются через блок 14 на блок 17, где обрабатываются в форму, удобную для хранения и архивируются в блоке 18.
В блоке 19 в темпе эксперимента формируется оперативная информация о параметрах, полученных в результате испытаний, которая передается на блок 5 визуализации и в систему верхнего уровня по шине 20.
Достоинством данной системы управления является то, что она позволяет в каждый момент времени проведения испытаний обеспечить оптимальное согласование параметров стенда и испытуемого объекта, что способствует обеспечению качественного и безопасного проведения испытаний. Кроме того, обеспечивает в темпе эксперимента визуализацию результатов испытаний и оперативную возможность выдачи автоматизированного протокола испытаний, оперативность анализа результатов испытаний, накопление в архиве статистической информации о характеристиках испытуемых объектах для выявления общих закономерностей при детальном анализе данных после испытаний.