動力系統的智能化監測與安全保護設計

　　摘 要：直升機旋翼模型風洞試驗是高轉速、高風險的動態試驗，為保護試驗的安全運行，必須實時、準確、可靠地監測試驗臺關鍵驅動設備——動力驅動系統及輔助系統的運行狀態，并根據運行狀態分級采取相應的保護措施。以動力系統主控 PLC 為基礎，打通試驗臺各系統之間的信息孤島，提出了一種基于歷史數據分析的設備運行狀態分級評價及風險評估方法，根據實時運行數據判斷動力系統運行風險，給出安全操作建議。風洞試驗應用效果表明構建的旋翼模型試驗臺動力系統智能監測與安全保護設計數據分析科學，狀態監測實時，安全保護可靠，極大提高了直升機試驗的安全可靠性。

　　關鍵詞：直升機;風洞試驗;動力系統;智能監測;安全保護;運行狀態;分級評價;風險評估

　　彭先敏; 章貴川; 車兵輝; 尹欣繁; 魏一博， 計算機測量與控制 發表時間：2021-11-18

　　直升機旋翼模型風洞試驗是在風洞試驗環境下模擬直升機前飛狀態、斜下降狀態等飛行狀態,以測試旋翼模型升阻比、噪聲特性、結冰特性等相關性能的試驗，簡單地說就是在風洞中遙控直升機飛行[1]。試驗基于槳尖馬赫數相似原理實 施 ， 其 旋 翼 槳 尖 速 度 與 真 實 直 升 機 槳 尖 速 度 相 同(≥219m/s)，為此直升機模型風洞試驗常出現由于危險故障處理不及時導致故障損壞快速擴大，造成嚴重損失的情況出現。比如在直升機模型風洞試驗中出現過減速箱軸承損壞卡死導致旋翼突然停轉受損;槳轂軸頸斷裂導致一片旋翼飛出，動平衡失效，旋翼振動快速增大至 10g 以上，損壞試驗臺測試天平及傳動部件;試驗過程中操縱系統電動缸失速至旋翼周期變距快速加大，氣動力矩平衡失效，振動快速加大，至旋翼天平嚴重損壞;試驗中電機軸承受損至電機掃堂，旋翼模型因急速停轉而受損，如此等等，這些故障都是在幾秒鐘內出現并造成較大損失。4 米直徑旋翼模型以額定轉速 1050r/min 旋轉，其試驗中斷裂飛出槳尖的動能比一顆機槍子彈出膛的動能還大。可見直升機模型風洞試驗是非常快速非常危險的動態試驗。

　　試驗臺動力系統提供旋翼模型旋轉的驅動力，在直升機模型風洞試驗出現危及試驗安全的風險時，最常使用的處置措施是正常停車或者讓旋翼自由停車，因此試驗臺動力系統是整個試驗臺安全保護的關鍵環節[2-5]。本文通過以動力系統主控 PLC 為核心，構建“全方位監測--高速數據通訊—運行狀態分級—風險評估—安全保護”的控制模式，從數字化、實時性、智能化等方面進行優化，設計實現了直升機風洞試驗動力系統智能化監測與安全保護方法。

　　1 總體架構設計

　　直升機旋翼模型試驗臺動力系統主要包括驅動電機、變頻控制器等組成，以 Φ2 米共軸試驗臺為例，由于試驗臺減速箱的潤滑冷卻情況及傳動機構的振動情況(振動位移量，以反應傳動軸的同心度狀態)也嚴重影響動力啟停運行，本設計將該部分納入動力系統的安全監測設計范疇，另外試驗臺其它子系統的運行及機械部件的振動狀態(振動加速度，反應各機械部件如減速箱、軸承等的運行狀態)出現危及試驗臺安全運行時如何通知動力系統停車等情況也是動力系統安全運行設計需要考慮的因素。由于可編程邏輯控制器 PLC 具有高度穩定性及良好的抗干擾能力等，本設計以 PLC 為核心進行構建，系統的總體架構如圖 1 所示。

　　2 高速數據通訊實現

　　直升機旋翼模型風洞試驗的高轉速及高風險特性，對監測數據的實時性要求很高，發生危險故障 1～2 秒內就會故障擴散至產生較大的損失，因此對試驗安全保護啟動的時間要求在百毫秒級內。為了保證監測數據的實時性，數據通訊方式必須可靠且高速。

　　3 運行狀態分級及風險評估

　　動力系統即包含潤滑油車及驅動電機等部件，也包含了試驗臺減速器溫度及傳動軸振動位移等監控，同時還包含了試驗臺其它子系統的運行狀態，因此本設計中運行狀態主要針對部件級，風險評估主要針對系統級。

　　4 軟件設計

　　4.1 下位機軟件設計

　　下位機軟件包括主控 PLC 程序及潤滑油車 PLC 程序兩部分，其中潤滑油站 PLC 主要完成潤滑油溫的控制、數據采集、油站本地控制(遠程則上位機通過主控 PLC 進行控制)等功能;主控 PLC 在完成不同數據采集、與潤滑油站 PLC 和變頻器通訊獲取相關數據的基礎上，完成相應狀態判斷及安全保護操作，根據上位機的指令完成相關設備啟停控制。 PLC 軟件采用模塊化的編程思路編程，將不同功能的子程序放在不同的功能塊 FB 和 FC 里，然后從程序組織模塊 OB 里根據需要調用相應的功能塊;將需要與上位機交互的數據依次放到 PLC 的不同的 DB 模塊中[19]。

　　4.2 上位機程序

　　上位機程序結構如圖 6 所示。從上圖可以看出，上位機軟件主要由與主控 PLC 通訊模塊、數據顯示模塊、數據記錄模塊、數據共享模塊、智能控制模塊、安全保護模塊及數據分析模塊等構成。其中還包括兩個知識庫，一個是根據系統以往運行信息分析得出的安全閥值庫，軟件會根據旋翼模型參數等方面知識選擇合理的安全閥值，從而實時準確評判系統運行狀態。另一個知識庫則是變頻電機轉速控制 PID 參數知識庫，結合模糊控制和 PID 控制[20]，以解決由于旋翼模型的不同，導致在大功率階段，旋翼轉速控制精度達不到優于 0.1%的目標。另外歷史數據分析在每次試驗完成后自動分析該條試驗運行信息記錄文件，將相關門限閥值調整寫入系統參數配置文件，將其它分析結果數據寫入專門文件或數據庫，以作系統故障演化過程分析。

　　5 試驗結果與分析

　　系統研制完成以后，參與 Φ2 米共軸試驗臺場面調試及 FL14 風洞試驗。試驗過程中動力系統軟件在啟動電機后自動實時所有與動力運行相關的運行狀態數據，直到電機停轉。經專門編寫的動力系統運行狀態數據分析軟件，對數據進行后期處理，并作為歷史特征數據文件保存。

　　這里以電機驅動端軸承溫度為例進行說明，根據廠商技術指標，設置電機驅動端軸承溫度第一類報警限為 85℃，停車限為 100℃。根據運行歷史數據分析，其分析特征數據如下表所示：

　　在設備第二類門限閥值時，根據上述歷史數據分析發現，平均溫度和極差受試驗平均功率和運行時間影響較大，從而也影響每分鐘平均溫升的數據有效性，且分析發現每分鐘溫升離散度較大。功率溫升(極差/平均功率)能夠較好克服功率和運行時間的影響，所示在設置溫度類狀態數據第二類門限閥值時，選擇功率溫升作為關鍵特征量。

　　根據式 3-1，計算得電機驅動端軸承溫度的功率溫升第二類警戒值為 0.8689。對電機非驅動端軸承溫度和繞組溫度、減速箱溫度等進行相同算法處理。在今年試驗臺維護運行過程中，發現減速器溫度范圍正常，功率溫升(0.747)高于警戒值(0.548)。檢查減速箱發現其潤滑油進油量較小、調整進油量，再運行，各項參數正常。

　　6 結束語

　　本文以 Φ2 米共軸試驗臺為例，就直升機旋翼模型風洞試驗動力系統安全監測保護的整體架構、數據通訊、運行狀態分級評價及風險分析，軟件設計等進行了詳細論述。該設計通過多種方式打通了試驗臺各子系統之間的聯系，根據運行數據為狀態評估提供了多種評判依據，為動力系統的安全狀態分級及試驗風險評估提供了科學、準確的數據依據，保證了安全保護的可靠性和科學性。目前該設計已廣泛應用到直升機旋翼模型風洞試驗動力系統控制，試驗應用效果表明該設計狀態監測評估準確、實時，安全保護可靠，有利于提前對設備健康狀態進行預警，充分滿足了直升機旋翼模型風洞試驗對安全性的需求。