Измерительно - вычислительный комплекс для автоматизации учебно-исследовательских испытаний и диагностики ТРДД

УДК 627.7.018

В.А. Григорьев, А.В. Лапшин, В.А. Киреев Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, Российская Федерация

ИЗМЕРИТЕЛЬНО - ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ИСПЫТАНИЙ И ДИАГНОСТИКИ ТРДД

Рассмотрен измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для автоматизированных испытаний и диагностики ТРДД, который может использоваться для научных исследований, а также в учебных целях при проведении лабораторного практикума. При создании комплекса ставилась задача автоматизации всех предпусковых операций и процесса испытаний ТРДД. Созданный ИВК АСИ АИ-25 образует два уровня: нижний уровень, куда входят датчики, исполнительные механизмы, автоматизированный пульт управления, на котором находится РУД с электроприводом, контроллер Б1МЛТ1С Б7, демонстрационные панели и автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора и верхний уровень в составе сервера базы (БД) и АРМ преподавателя и студентов. Управление процессом испытаний может осуществляться при помощи виртуальных манипуляторов, отображаемых на АРМ оператора, а также автоматически по заранее задаваемой программе АСИ.

Диагностика осуществляется в автоматическом режиме с выдачей оператору сигнала о неисправности тех или иных компонентов системы. В режиме реального времени результаты диагностики системы отображаются на специальной мнемосхеме на АРМ оператора.

Автоматизированное рабочее место, автоматизированная система испытаний (АСИ), турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД), система измерения, пульт управления.

Введение

Большую роль в процессе создания ГТД имеют экспериментальные исследования на испытательных стендах. Испытания ГТД и их узлов проводят: при проведении научно-исследовательских работ (НИР), в процессе доводки новых двигателей, при серийном производстве.

Несмотря на современные компьютерные методологии создания ГТД, объем экспериментальных исследований и испытаний их в настоящее время весьма значителен. Основным направлением повышения эффективности испытаний ГТД является их автоматизация и применение автоматизированных систем испытаний (АСИ) ГТД.

При этом сокращается время и трудоемкость проведения испытания и обработки его результатов, повышается информативность испытания и достоверность получаемых параметров.

1. Формулирование задачи

Создание измерительно - вычислительного комплекса для ТРДД АИ-25 на учебном стенде кафедры теории двигателей летательных аппара-

тов СГАУ преследует следующие цели: ознакомление студентов с современным измерительно-вычислительным оборудованием, с современной технологией проведения автоматизированных испытаний, сокращение времени испытаний, экономия топлива и ресурса двигателя, снижение финансовых затрат и улучшение условий труда обслуживающего персонала.

Комплексная автоматизированная система должна обеспечивать автоматизацию процесса испытаний и всех предпусковых операций: открытия каналов всасывания и выхлопа, включения топливного насоса и источников питания, проверки готовности стендовых систем, выполнения градуировки измерительных каналов по заданной программе. После выполнения указанных операций АСИ должна производить запуск вспомогательного ГТД АИ-9, затем ТРДД АИ-25, устанавливать режимы работы двигателя после отключения АИ-9 и обеспечивать получение измерительной информации в реальном масштабе времени, а также результатов измерений и термодинамического анализа в темпе испытаний.

© В.А. Григорьев, А.В. Лапшин, В.А. Киреев , 2008

- 190 -

После завершения программы испытаний АСИ выдает команду на остановку двигателя и приводит стендовые системы в исходное состояние.

2. Решение задачи

2.1 Структурная схема построения ИВБ АСИ

Созданный ИВК АСИ АИ-25, отвечающий современному состоянию распределенных многоуровневых автоматизированных систем [1], образует два уровня:

— нижний уровень, куда входят датчики, исполнительные механизмы, пульт управления, где находится РУД с электроприводом, контроллер, демонстрационные панели и автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора;

— верхний уровень в составе сервера базы данных (БД), АРМ преподавателя и семь АРМ для студентов. Схема взаимодействия компонентов ИВК АСИ АИ25 показана на рис. 1.

Нижний уровень системы функционирует в реальном времени и обеспечивает автоматизированное управление двигателем, стендовыми системами, регистрацию и предварительную обработку параметров в процессе испытаний.

Система нижнего уровня строится на базе программно-аппаратных средств SIMATIC S7 фирмы Siemens. Аппаратные средства системы нижнего уровня включает программируемый контроллер SIMATIC S7-300 с набором модулей ввода/вывода, демонстрационные панели и АРМ оператора.

Для обеспечения информационного обмена между контроллером и демонстрационными панелями используется сеть нижнего уровня Profibus.

Информационная подсистема верхнего уровня функционирует на базе локальной вычислительной сети (ЛВС) и включает сервер баз данных, автоматизированные рабочие места преподавателя и студентов, сервер видеоконференции.

Рис. 1. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса АСИ АИ-25

Все компьютеры подключаются к ЛВС с использованием стандартного сетевого адаптера 10/100 Мбит/с через коммутатор Ethernet.

На сервере БД формируется база данных технологической информации АСИ АИ-25 в целом, поддерживается возможность конфигурирования базы данных и сопровождения архива значений параметров.

Сбор и передача данных с АРМ оператора в архив на сервере БД осуществляется специализированным интерфейсным приложением.

Управление испытанием возможно и в ручном режиме, оно осуществляется оператором с пульта (рис. 2а), на котором размещаются все орга-

ны управления и штатные индикаторы вспомогательного ГТД АИ-9 и основного ТРДД АИ-25 (рис. 2б).

Управление процессом испытаний возможно также при помощи виртуальных манипуляторов, отображаемых на видеокадре АРМ оператора (рис. 3), а также автоматически по заранее задаваемой программе АСИ при помощи управляемых контроллером исполнительных механизмов.

Установка положения РУД производится с помощью электропривода, по сигналам с контроллера, а необходимый режим работы двигателя задается по частоте вращения ротора компрессора высокого давления.

Рис. 3. Виртуальные манипуляторы и приборы на видеокадре АРМ оператора

Функционально АСИ разделена на следующие подсистемы: подсистема управления двигателя; комплекс датчиков, преобразующих физические значения параметров в изменение электрических сигналов; комплекс исполнительных механизмов; программируемый логический контроллер для ввода, вывода и предварительной обработки контролируемых параметров и управляющих сигналов; демонстрационных панелей и АРМ оператора, обеспечивающих визуализацию процесса управления и получения измеритель-

ной информации; информационная подсистема, включающая сервер баз данных на основе СУБД Oracle для длительного хранения данных и учеб-ноисследовательские рабочие места, предназначенные для организации и визуализации процесса испытаний, проведений научно-исследовательских расчетов и выполнения учебных лабораторных работ.

Помимо вышеперечисленных компонентов в систему включены сервер видеоконференции и коммуникационное оборудование.

В АРМ преподавателя и студентов используются промышленные ПК Advantech IPC-510-SYS1-4, представляющие собой рабочие станции, которые имеют достаточно высокую вычислительную мощность для работы с современными АСУ.

Компьютеры имеют промышленное исполнение и способны работать в жестких условиях эксплуатации. На их работоспособность не могут повлиять ни высокая влажность, экстремальные температуры, вибрации или удары.

2.2. Система измерения ИВБ АСИ АИ-25

В системе измерения комплексной АСИ используются современные датчики и преобразо-вакли

Для преобразования аналоговых сигналов с датчиков давления, термопар, термосопротивлений в цифровой код в контроллере АСИ установлены восемь аналоговых 8-канальных модулей ввода типа SM 331.

Для обработки дискретных сигналов применен 16-канальный модуль типа SM 321, который используется в системе блокировки и сигнализации стенда.

В системе управления стендовым оборудованием и испытуемого двигателя использовался 32-канальный модуль вывода дискретных сигналов типа SM 322 с выходными параметрами U = 24 В, J = 0,5 А.

Обработка частотных сигналов с датчиков измерения частоты вращения роторов компрессоров низкого и высокого давлений производится с помощью частотного модуля-преобразователя типа FM 350-2.

Для измерения температуры воздуха на входе двигателя применяются платиновые термопреобразователи сопротивления типа ТСП 012-014.

Для измерения давлений в двигателе используются измерительные преобразователи избыточного давления типа SITRANS P, серии Z, которые позволяют измерять давление с погрешностью не более 0,5%.

Для измерения перепада давлений используются датчики дифференциального давления SITRANSP DS III с погрешностью 0,1%.

Измерение расхода топлива производится преобразователем типа MASS 2100 DI. 1.5, который обеспечивает измерение расхода топлива с погрешностью не более 0,25%.

Измерение тяги двигателя осуществляется с помощью устройства для измерения усилий SIWAREX Rсерии SB с погрешностью не более 0,1%.

В АСИ предусмотрена автоматизированная градуировка и аттестация измерительных каналов. При этом во время градуировки канала измерения тяги сигналы управления с контроллера подаются на электропривод нагрузочного устройства тягоизмерительного станка или на уп-

равляемый редуктор при градуировке датчиков давления.

Анализ особенностей методики обработки полученных экспериментальных данных при автоматизированных испытаниях двигателя, приведен в работе [2].

Диагностика двигателя в АСИ осуществляется по данным регистрации уровня вибрации с помощью штатных вибродатчиков и контроля температуры газа за турбиной, а также температуры масла в двигателе АИ-25. В случае превышения контрольных значений указанных параметров при испытании двигателя АСИ выдает команду на остановку двигателя.

Диагностика программных и технических средств АСИ АИ-25 включает в себя проверку работоспособности как аппаратных, так и программных средств автоматизированной системы. Компоненты автоматизированной системы имеют возможность диагностики и самодиагностики измерительных каналов до модуля ввода/вывода.

Для токовых аналоговых сигналов установлена сигнализация обрыва линии или короткого замыкания.

Для диагностики исполнительных механизмов предусмотрен контроль положения подвижной части с помощью коммутационных элементов или датчика положения. Также диагностируется состояние связи аппаратных средств нижнего уровня.

Диагностика осуществляется в автоматическом режиме с выдачей оператору сигнала о неисправности тех или иных компонентов системы.

В режиме реального времени результаты диагностики системы отображаются на специальной мнемосхеме на АРМ оператора.

Заключение

Создан измерительно-вычислительный комплекс для проведения автоматизированных учебно-исследовательских испытаний ТРДД с использованием современных высокоточных датчиков и вычислительной техники, что позволяет применять его в системе открытого образования, с возможностью управления процессом испытания и получения его результатов через информационные сети.

Литература

1. А.Н. Попов, Создание комплексной системы для испытаний авиационных двигателей, Двигатель № 5 (41) - 2005. - С. 4.

2. ВА. Григорьев, С.К. Бочкарев, А.В. Лапшин, С.А. Ильинский, Автоматизация испытаний и научных исследований ГТД, Самар. гос. аэрокосм. ун-т.//Учебн. пособ, Самара, 2007.- 134 с.

Поступила в редакцию 30.05.08

Рецензент: доктор техн. наук, профессор Данильченко В.П., СНТК имени Н.Д.Кузнецова, г. Самара.

Розглянуто вимгрювально-обчислювальний комплекс (ОК) для автоматизованих вип-робуванъ i дгагностики ТРДД, який може використовуватися для наукових досл1д-жень, а також в учбових цлях при проведент лабораторного практикуму. При створент комплексу ставилося завдання автоматизацП вах передпускових операцш i процесу випробувань ТРДД. Створений ОК АСВ АИ-25, утворюе два рiвнi: нижнш рiвень, куди входять датчики, виконавчi мехашзми, автоматизований пульт управлшня, на якому знаходиться робоче мсце (АРМ) оператора i верхнш рiвень у складi сервера бази (БД) i АРМ викладача i студентiв. Управлшня процесом випробувань може здшснюватися за допомогою вiртуальних манiпуляторiв, що вiдображуються на АРМ оператора, а також автоматично по програмi АСВ, що задавалася ранше.

Дiагностика здшснюеться в автоматичному режимi з видачею операторовi сигналу про несправтсть тих або шших компонентiв системи. Урежимiреального часу результа-ти дiагностики системи вiдображуються на спещальнш мнемосхемi на АРМ оператора.

Measuring Computer Complex (MCC) for the automation of studies and investigation test of is viewed and it can be used in research activities and for educational purposes during the laboratory practical work. The aim of the complex is to automate all the preoperational tests and the process of checkouting of TJBE. The MCC ASM AI-25 combines into two levels: the lower level, which consists ofthe sensors, the actuators, the automated control panel, the controller SIMATIC S7, the demonstrational board and the automated work place (AWP) for the operator. The upper level consists of the base server (BS) and the (AWP) of the instructor and the students. The control can be carried out by means of the virtual manipulators displayed on an automated workplace of the operator, and also by ATP "s adjusted program.

The diagnostics is carried out in automated regime showing the operator the malfunction in the components of the system. The results of system diagnosistics are reflected on a special symbolic circuit on the AWP of the operator in real time.