飛機(jī)的燃油系統(tǒng)是飛機(jī)安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一，保證該系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行至關(guān)重要。作為飛機(jī)維護(hù)人員培訓(xùn)的核心部分，維修培訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)也非常重要。當(dāng)前培訓(xùn)系統(tǒng)相對(duì)落后，成本高、功能單一、擴(kuò)展性差。為了解決當(dāng)前知識(shí)增長(zhǎng)與系統(tǒng)落后的矛盾，本文綜合應(yīng)用當(dāng)前流行的新技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出一種軟硬件有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)。使該系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)飛機(jī)燃油系統(tǒng)相同或者更多的一系列功能：燃油電氣系統(tǒng)理論培訓(xùn)，包括燃油系統(tǒng)的組成、部附件的安裝位置和工作原理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成；燃油電氣系統(tǒng)的操作模擬，包括手自動(dòng)加油、手自動(dòng)輸油、應(yīng)急放油等操作過程；燃油電氣系統(tǒng)的模擬通電，完成維護(hù)規(guī)程規(guī)定的通電內(nèi)容，比如左右前泵、左右后泵等通電檢查；燃油電氣系統(tǒng)部附件維護(hù)程序培訓(xùn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)或視頻完成部附件的培訓(xùn)，燃油比如油泵的拆裝和清洗等工作；故障注入和模擬故障排除功能，教員可利用教師機(jī)進(jìn)行故障注入，學(xué)員可利用本系統(tǒng)進(jìn)行模擬故障流程；實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄學(xué)員的培訓(xùn)過程，可供隨后的分析和評(píng)價(jià)。

該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培訓(xùn)，學(xué)員通過該系統(tǒng)的使用可以達(dá)到掌握并提高排除故障能力的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。

1   系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

作為一種仿真培訓(xùn)裝置，該裝置以某型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)的燃油系統(tǒng)為設(shè)計(jì)原型，操控邏輯完全遵循實(shí)際操控邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用實(shí)物操作與軟件操作相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)過程以硬件搭建與軟件開發(fā)相結(jié)合。該裝置采用C#與組態(tài)王搭建出人機(jī)界面與演示畫面，采用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)各器件的電氣邏輯控制，采用原理仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電路板對(duì)物理器件故障的仿真，采用CAN總線實(shí)現(xiàn)教員控制臺(tái)、PLC及其它部件之間的連接通訊，采用故障樹的形式將案例庫(kù)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

CAN總線是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行現(xiàn)場(chǎng)總線。優(yōu)點(diǎn)明顯，適合實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)數(shù)多，其總線接口節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到110個(gè)；多主總線工作方式，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主節(jié)點(diǎn)；傳輸速率在短距離內(nèi)高。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上位機(jī)、PLC、仿真單體及其它設(shè)備都通過CAN總線連接在雙絞線上。為了方便的接入CAN總線，教員控制臺(tái)安裝了PCI-CAN板卡，PLC安裝有CAN轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器。使用雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，受外界干擾相同，因此可以利用接收器的高共模抑制特點(diǎn)，提高通信時(shí)的抗干擾能力，所以，在雙絞線兩端使用匹配電阻R來消除雙絞線反射所引起的干擾。

進(jìn)行交互操作的子系統(tǒng)有：供油分系統(tǒng)、輸油控制分系統(tǒng)、動(dòng)力燃油分系統(tǒng)、通氣增壓分系統(tǒng)、加油分系統(tǒng)、散熱分系統(tǒng)、放油及應(yīng)急放油分系統(tǒng)、油量耗量測(cè)量分系統(tǒng)、余油收集分系統(tǒng)、空中受油分系統(tǒng)、伙伴加油分系統(tǒng)。

圖 1  系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

教員控制臺(tái)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，其功能如下：控制完整的訓(xùn)練過程；設(shè)置特定的故障發(fā)生；取消故障；監(jiān)視、記錄并評(píng)估學(xué)員的排除故障操作；查看歷史訓(xùn)練記錄；對(duì)故障案例的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)等。

學(xué)員控制臺(tái)是學(xué)員進(jìn)行理論學(xué)習(xí)與維護(hù)操作培訓(xùn)的場(chǎng)所，主要進(jìn)行原理演示培訓(xùn)、虛擬拆裝、排除故障訓(xùn)練、個(gè)人信息管理等。

綜上，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)故障的模擬與再現(xiàn)。通過該系統(tǒng)的使用，可以對(duì)燃油系統(tǒng)的故障原理進(jìn)行研究，幫助維修人員制定診斷與維修方案，在最短時(shí)間最準(zhǔn)確地完成燃油系統(tǒng)的故障分析及診斷處理。

2  硬件組成

硬件系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由控制臺(tái)（學(xué)員及教員）、交互式訓(xùn)練面板（座艙設(shè)備及地面設(shè)備仿真）、仿真單體、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。該體系基于CAN總線的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了橫向與縱向信息的快速穩(wěn)定傳輸，具有足夠帶寬及強(qiáng)大擴(kuò)展性。

2.1控制臺(tái)

控制臺(tái)按照使用對(duì)象分為兩部分，學(xué)員控制臺(tái)與教員控制臺(tái)。

物理結(jié)構(gòu)包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理卡、信號(hào)調(diào)理卡以及外圍設(shè)備。工控機(jī)安裝有PCI-CAN轉(zhuǎn)換卡，方便的連接到CAN總線上。

工控機(jī)安裝有PCI-CAN轉(zhuǎn)換卡，方便地連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中。具有開放性、實(shí)時(shí)性、人機(jī)界面友好及多任務(wù)多線程等優(yōu)點(diǎn)。

PLC采用的西門子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯，編程容易、控制系統(tǒng)施工周期短、系統(tǒng)維護(hù)容易。燃油系統(tǒng)故障模擬裝置中PLC的使用，實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)控制關(guān)系的仿真及電氣故障設(shè)置，使響應(yīng)時(shí)間減少，開關(guān)量的控制更加準(zhǔn)確。

2.2 交互訓(xùn)練面板

交互訓(xùn)練面板主要由座艙設(shè)備及地面設(shè)備仿真組成。座艙操作仿真面板，是現(xiàn)實(shí)飛機(jī)座艙內(nèi)關(guān)于飛機(jī)燃油系統(tǒng)全部操作的復(fù)制。地面監(jiān)測(cè)設(shè)備仿真面板，僅僅對(duì)外部設(shè)備外形做適當(dāng)改變。其功能是實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)的功能指令的控制，及各種報(bào)警、油量及各種狀態(tài)參數(shù)的顯示。

包含全部子系統(tǒng)及其組件的特征圖，并且與教員控制臺(tái)設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)功能如下：各種參數(shù)數(shù)據(jù)的采集與上傳；座艙顯示與操作的模擬；各組件的狀態(tài)控制；各開關(guān)指令的傳輸與控制；接收到教員控制臺(tái)指令后做出相應(yīng)故障現(xiàn)象；學(xué)員可以通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)測(cè)試與維修。

2.3 仿真單體

內(nèi)部硬件仿真體系結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一致，并且其對(duì)外接口可以與現(xiàn)實(shí)裝備連接，實(shí)現(xiàn)互操作。仿真單體具有軟件網(wǎng)絡(luò)與硬件網(wǎng)絡(luò)兩方面的功能：軟件方面，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)信息的接收、處理、執(zhí)行、發(fā)送等任務(wù)，為用戶提供方面的控制接口；硬件方面互聯(lián)與實(shí)際系統(tǒng)一致，實(shí)現(xiàn)故障模擬、接口狀態(tài)的設(shè)置、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換，為操作維護(hù)訓(xùn)練提供有效硬件支持。

仿真單體是系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是仿真系統(tǒng)的核心。物理上按照飛機(jī)實(shí)際位置布置在學(xué)員控制臺(tái)上，可以使學(xué)員建立有效的空間概念。

圖 2  仿真單體結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)如圖2所示，其通信模塊的硬件電路由AT89C52單片機(jī)、SJA1000 CAN總線控制器、82C250 CAN收發(fā)器組成。82C250 CAN總線收發(fā)器可以增加通信距離，提高瞬間抗干擾能力，降低射頻干擾(RFI)，保護(hù)總線，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

軟件主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與CAN總線控制器之間的通信，如初始化、發(fā)送、取消發(fā)送、接收、測(cè)試等。為了方便外部測(cè)量設(shè)備的使用，設(shè)計(jì)有測(cè)量接口，與現(xiàn)實(shí)接口完全相同，可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的直接測(cè)量。

例如，三相交流輸油泵的仿真單體，可測(cè)量的外置接口有4針。該仿真板可以仿真電機(jī)正常及各種故障模式，如缺相、斷路、短路等。從測(cè)量接口測(cè)量，管腳間電壓分別為零、管腳間電阻無窮大、管腳間電阻為零等。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件主要由三部分組成：教員端、學(xué)員端、數(shù)據(jù)庫(kù)。

結(jié)構(gòu)如圖3所示，教員登錄后獲得高權(quán)限，除了具有學(xué)員的全部權(quán)限外，還可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)故障案例的生成、數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)、各種參數(shù)的設(shè)定、學(xué)員賬號(hào)的管理、學(xué)員成績(jī)的評(píng)估等。

圖 3  軟件體系結(jié)構(gòu)

學(xué)員登錄獲得低權(quán)限，能夠觀看演示畫面、通過演示畫面在操作面板進(jìn)行模擬排除故障培訓(xùn)、查閱本人歷史成績(jī)單。

圖 4  上位機(jī)軟件主要功能

數(shù)據(jù)庫(kù)，主要是存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)案例庫(kù)、系統(tǒng)的各種歷史參數(shù)、學(xué)員操作及成績(jī)。數(shù)據(jù)庫(kù)提供開放的OPC（OLE for Process Control，對(duì)象的連接與嵌入在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用）接口。

功能如圖4所示，主要由故障設(shè)置與排除、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)排故流程、系統(tǒng)設(shè)置，四部分組成。

5 應(yīng)用與結(jié)論

為了能夠清晰有效地演示各子系統(tǒng)的原理，更準(zhǔn)確的表示出故障發(fā)生后產(chǎn)生的一系列現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用的是組態(tài)王分別制作各子系統(tǒng)的演示畫面。其中輸油分系統(tǒng)組態(tài)演示畫面如下圖所示：

圖 5  輸油分系統(tǒng)組態(tài)畫面