航空发动机电气附件导通性测试系统设计

孙兆荣 袁少帅 杨永飞

摘  要： 为了满足民航发动机维修需求，提高维修的可靠性及效率，降低维护成本，该文设计用于民航发动机电气附件导通性测试的自动测试系统。该系统包括硬件设备及软件控制系统。硬件系统包括低阻测量模块、动态组合切换模块、控制模块及转接线缆等，信号传输以PXI和LXI总线技术及网络协议为纽带，采用模块化的设计;软件系统基于LabVIEW平台开发，基于不同发动机机型数据库，完成硬件模块间的相互通信、导通性测量操作逻辑、导通性测量回路的切换、人机交互及用户管理。该系统已在发动机维修单位投入使用，良好地完成了电气附件导通性测试功能，能实现不同发动机机型的测试需求，可实现整机的自动测试，测试精度与测试速度得到大幅提高。

关键词： 航空发动机; 电气附件; 导通性测试; 系统设计; LabVIEW; 发动机机型数据库

中图分类号： TN928?34; TP216                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）12?0011?05

Abstract： An automatic test system for continuity testing of electrical accessories in civil aeroengine is designed in this paper to meet the maintenance requirement of the civil aeroengine， improve the maintenance reliability and efficiency， and reduce the maintenance cost. The system consists of the hardware equipment and software control system. The hardware system includes the low?resistance measurement module， dynamic combination switching module， control module and transfer cables. Modularized design is adopted for the signal transmission which takes the PXI and LXI bus technologies and network protocol as the link. The software system is developed based on the LabVIEW platform. The mutual communications between hardware modules， operation logic and loop switch of continuity measurement， human?computer interaction and user management are completed based on the database of different engine types. The system has been put into use in engine maintenance units， which can well complete the continuity test function of electrical accessories， and realize the test requirements of different engine types and automatic test of the whole engine. The tested accuracy and speed are greatly improved.

Keywords： aeroengine; electrical accessory; continuity test; system design; LabVIEW; engine type database

0  引  言

目前民航喷气式发动机运用了大量的电气附件，主要包括供电单元，如整体驱动的主发电机、交流永磁发电机，还包括用电设备，如点火激励装置、火警探测器、活门作动部件、电磁阀，用于测量位移、流量、压力、温度、速度、油量等传感器。普惠公司某型号发动机的电气附件分类如表1所示。航空发动机的电气附件种类繁杂，并且电气线路的连接错综复杂。电气附件安装的环境十分恶劣，既有高强度的振动、骤变的温度，还有燃油、滑油等的腐蚀，都可能引起电气附件可靠性的下降。如果出现电气短路、线路老化、接触不良等故障，都会引起电气附件导通性的变化[1]。机载电气附件的性能将会影响航空发动机的运转和实时的状态监控，影响发动机的电源及气源的输送，因此，电气附件的性能对飞机的可靠性来说是至关重要的。

多数民航发动机的电气附件数量都在百个以上，每个电气附件的测试端不止一对，并且某些电气附件需要通过极性互换完成导通测试。人工测试耗时长，需要测试人员完全值守，实现所有测试线路进行的100%测试[2]。如此一来，无论对于勤务要求还是电气化日趋强大的发动机，人工测试已经完全不能满足要求。因此，民航发动机电气附件导通测试的自动测试设备的研制具有良好的市场和经济价值。虽然国内外已经有很多相关的自动测试系统，国外的产品成熟性能可靠，但售价很高[3?4];国内的一些设计受架构制约，偏向于特定任务的专用设备，不太适合民航多机型扩展的要求[5?7]。本文设计一套基于目前较先进的主流测控技术标准的测试设备，方便功能扩展及后续升级，延长设备的使用寿命。

表1 某型民航发动机电气附件的分类统计表

1  硬件系统设计

根据自动测试系统需求，硬件系统设计采用LabVIEW、以太网、LXI、PXI等总线技术。通过更换测试系统与发动机之间的连接电缆和切换数据库，实现对不同机型航空发动机电气附件自动进行导通性测试。

1.1  硬件的选型及连接

测试系统硬件结构如圖1所示，其由工控机、数字万用表、矩阵开关、打印机、电缆等组成。为了方便功能的扩展和提高开发效率，硬件选择标准的PXI总线或LXI总线的测控仪器板卡[8?9]。工控机选择NI公司的PXIe机箱和PXIe控制器;数字万用表选择NI公司板卡，具有7位半的分辨率，可采用四线制或两线制进行导通电阻测量;矩阵开关选择Pickering公司的高电压矩阵开关，最多可连接300个测试点，通过LXI总线与工控机通信。

硬件系统内部构成如图2所示，将PXI数字万用表卡的DMM+，DMM-，S+，S-四个测量端子分别与电压矩阵开关X通道的固定端子连接。矩阵开关的其他X通道分成4组线束，分别连接在4个转接头上，通过转接线缆及航空插头连接发动机上的被测电气附件。每根转接线缆在发动机吊舱及EEC位置，按发动机测试数据库设计规则将测试转接线缆拆分成若干组，分别与发动机的EEC插头、吊舱的航空插头进行对接，实现电压矩阵开关与被测电气附件的连接。

图1 测试系统硬件结构图

图2 电气导通性测试接线图

1.2  硬件系统的工作原理

工控机上的测试软件通过LXI总线技术经路由器依次控制矩阵开关中设定的继电器闭合形成测量回路，并通过PXI总线控制PXI?4071数字万用表卡读取导通电阻值返回到测试软件中进行故障判断。测试软件将测量值和故障信息存储在数据库中，通过打印机打印成报表。

针对有些发动机电气附件导通性测试任务有对极性电容、二极管等极性元件进行表笔正反互换的测量要求，以及对不同导通电阻需要使用两线制测量或四线制测量的要求，在测试系统设计时针对电压矩阵开关设计了一套实现万用表红黑表笔互换以及矩阵开关任意相邻纵向通道建立两线制测量回路或四线制回路的方法，提高了测试系统连线的灵活性。

2  软件系统设计

测试系统软件设计基于LabVIEW平台，可实现电气附件导通测量、故障自动判断、测试数据记录、人机交互、报表及工单打印等功能。NI公司的LabVIEW软件是一种图形化的编程软件，集成了各领域的函数库，在系统测试、仪器测量等领域得到了十分广泛的应用。软件系统主要包括主程序模块、自检模块、导通测量模块、用户管理模块、数据库管理模块、报表生成模块、工单打印模块、万用表校验模块等。

2.1  测试软件主程序设计

测试软件主程序流程图如图3所示。

图3 软件主程序流程图

测试软件主程序开始后，打开登录子程序进行使用权限检查。如果有软件使用权限，会弹出主程序前面板，并且在数据库中生成一个新的记录表。该记录表在记录测试数据的同时，实时地将测试值返回测试界面的前面板进行显示。在生成报表时，报表生成模块将测试数据库中的测量结果进行打印。用户可以根据需求在主界面上选择实现万用表卡校验功能、自检功能或测试功能。如果执行导通测量功能，程序执行时自动将测试结果插入到测试数据库。测量结束后，自动弹出测试完成窗口，测试界面的控件复位。结束测试任务后，程序自动启动报表生成程序，读取写入到测试数据库的测试数据，并生成Excel报表，同时提示是否打印，执行完打印功能后测试功能程序关闭并退出。

2.2  测量程序设计

导通性测量程序流程图如图4所示。测量程序先根据机型和导通测量任务ID生成索引，在数据库的硬件配置表中找到对应的矩阵开关和数字万用表的配置信息，然后依此初始化矩阵开关和数字万用表。矩阵开关按照配置信息闭合选定的继电器以形成两线制或者四线制测量回路，数字万用表按照配置信息自动选择测量方式和量程，然后测量导通电阻值并将测量结果连同任务信息一起插入数据库的记录表中，最后硬件和软件复位。用户可以在软件前面板选择手动单步测试或自动测试，选择自动测试时会将该型发动机的所有导通测量任务遍历一遍。

图4 导通性测量程序流程图

2.3  数据库管理程序设计

数据库管理程序完成新测试表格创建、测试数据插入和测试数据读取等主要功能。数据库管理程序开发基于LabVIEW的ADO数据库VI控件，实时记录导通测量的测试数据，并实时读取显示。数据库创建连接后，根据机型打开给定路径的Access数据库，利用SQL语言实现数据库的操作，包括新表创建、数据插入、数据读取等，操作完成后关闭连接。进行数据库读取时，数据将从数据库返回。数据库相对路径是通过拆分数据库管理程序的给定路径获取，利于数据库的复制与移植。系统软件控制功能、导通测量功能和报表生成功能通过调用数据库管理程序实现对数据库的操作。

2.4  自检程序设计

自检程序主要用来检查矩阵开关所有继电器是否都能正常闭合，数字万用表是否能正常工作。设备自检时需要在转接头上接一个标准电阻阵列，自检程序扫描矩阵开关所有的继电器并将自检结果以Excel表格的形式输出。

2.5  测试报表生成程序

测试报表生成及工单打印功能是将测量结果输出为Excel表格，并以设计模板打印工单。程序运行时，首先创建新的Excel空白表格，按照测试功能+测试方式+测试时间自动命名。选择测试机型、测试人员及自动读取测试时间等内容，相应的测试信息将从数据库中读取并插入到新建Excel表中。打印机属性中设置页面自动缩小，打印方向为横向。按下打印按钮时将弹出是否打印的询问窗口。如果选择打印，测试表格将被打印，然后自动关闭程序;如果选择否，程序将直接关闭并退出。

3  实  验

在民航发动机维修车间对某型民航发动机的传感器、作动器等電气附件进行测试，如图5所示，并对测试设备进行精度实验和自动测试的速度实验。

图5 现场测试

航空发动机电气附件导通测试中，同时对发动机的134项任务进行顺序测试。根据布线及矩阵开关插针分布配置数据库中的矩阵开关与万用表卡的配置信息，通过测试系统软件遍历测试所有部件，对比配置数据库中预期数值与测试报告中的测量值，部分测试数据如图6所示。测试结果均在测试要求范围内，证明配置信息无误，测试设备正常，同时发动机电气附件无异常。

在精度验证实验中，采用标称阻值分别为1 Ω，2.2 Ω，3.3 Ω的电阻各3个，180 Ω，360 Ω，1 kΩ的电阻各2个。标称电阻1 Ω的电阻标称相对误差为1%，其余电阻的标称相对误差为5%。为了保证测试条件的一致性，采用四线制测量法，手动单步测量所有的标称电阻，其测试结果如表2所示。根据测试结果计算出测试系统的相对误差为0.64%，相对误差的标准差为0.27%，满足民航发动机手册中对电气附件导通测试的精度要求。

图6 某型发动机电气附件导通性测试数据

表2 导通测试系统的精度测试结果

4  结  论

自动测试的速度实验中，使用上述测试设备的自动测试功能对某型民航发动机进行电气附件导通测试，能在20 min内完成134项导通性测量任务，测试结束后能自动生成并打印测试报告，大大提高了测试效率。该设备可用7位半的分辨率，在10 mΩ～2 MΩ的范围内对导通电阻进行高精度测量。可以通过在数据库中添加新机型的测试设置表和更换适配电缆来扩展可测量的发动机型号。LabVIEW虚拟仪器技术能方便地支持新的硬件模块，以扩展新的功能，体现了测试时间短，测量精度高，扩展性强的优点。

参考文献

[1] 王俊莉，彭仁强.俄式发动机电气故障静态诊断系统研制[J].测控技术，2013，32（z1）：227?229.

WANG Junli， PENG Renqiang. Development and research on Russian aero?engine electric diagnostic system [J]. Measurement & control technology， 2013， 32（S1）： 227?229.

[2] 吴明果.整机电缆综合测试系统设计[D].成都：电子科技大学，2007.

WU Mingguo. Design of integrated test system for whole machine cable [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2007.

[3] 欧阳炜.航空电缆检测技术的应用与发展[J].科技信息，2013（24）：467?468.

OUYANG Wei. Application and development of aero?cable detection technology [J]. Science & technology information， 2013（24）： 467?468.

[4] 张汝韬，林晖，王烜.WEETECH W454线缆测试实验台配置方法[J].产业与科技论坛，2013，12（13）：86?87.

ZHANG Rutao， LIN Hui， WANG Xuan. WEETECH W454 configuration method of cable test table [J]. Industrial & science tribune， 2013， 12（13）： 86?87.

[5] 樊华.航空电缆综合测试系统的研究[D].西安：西安石油大学，2012.

FAN Hua. Research of aviation cable integrated test system [D]. Xian： Xian Shiyou University， 2012.

[6] 楊建.某型歼击机电气盒综合检测评估系统中检测控制部分研制[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2011.

YANG Jian. Design of detecting and control in comprehensive detection and evaluation system for electrical boxes in some fighter aircraft [D]. Shenyang： Shenyang Aerospace University， 2011.

[7] 曹成俊，张宏伟.自动测试系统中的总线技术[J].现代电子技术，2008，31（14）：159?163.

CAO Chengjun， ZHANG Hongwei. Bus technology in the ATS [J]. Modern electronics technique， 2008， 31（14）： 159?163.

[8] 徐昕，徐玮，肖勇.LXI总线接口的设计及其在军用测试系统中的应用[J].计算机测量与控制，2009，17（10）：1996?2000.

XU Xin， XU Wei， XIAO Yong. Design of LXI bus interface and its application in military testing system [J]. Computer measurement & control， 2009， 17（10）： 1996?2000.

[9] 黄韬，彭刚锋，樊江峰.LXI：新一代测试总线技术[J].航空计算技术，2007，37（1）：106?110.

HUANG Tao， PENG Gangfeng， FAN Jiangfeng. LXI： a next?generation bus technology [J]. Aeronautical computing technique， 2007， 37（1）： 106?110.