Система автоматизации серийных стендовых испытаний авиационных двигателей

В статьях, опубликованных в журнале «СТА» в 1999 и 2012 годах, мы рассказывали о проектах автоматизированных информационно-измерительных систем (далее – АИИС) для стендовых испытаний авиационных двигателей.
В 2016–2017 годах был создан ряд проектов новых АИИС, базировавшихся на ранее отработанных и хорошо зарекомендовавших себя решениях. Традиционно в АИИС испытательных стендов Уфимского моторостроительного производственного объединения (ПАО «ОДК-УМПО») широко применяется оборудование и ПО из номенклатуры поставок компании ПРОСОФТ:

• корпуса промышленных компьютеров Advantech;
• промышленные процессорные платы Advantech;
• источники бесперебойного питания APC;
• блоки питания Schroff;
• флэш-память Innodisk;
• контроллеры ввода-вывода FASTWEL I/O;
• операционная система QNX.

При построении новых АИИС (рис. 1) для серийных испытаний авиационных двигателей (АД) решались задачи:

• использовать измерительное оборудование из числа сертифицированных средств измерения;
• при выборе оборудования в первую очередь использовать продукцию отечественного производства;
• снизить затраты на приобретение аппаратной части АИИС;
• применить защищённую сертифицированную операционную систему реального времени;
• самостоятельно разработать прикладное программное обеспечение (ПО) АИИС.

Измерительное оборудование на базе сертифицированных средств измерения

Задача вытекает из необходимости сертифицировать АИИС в целом перед началом эксплуатации и выполнения периодических поверок каналов измерения АИИС в ходе эксплуатации. Применение измерительного оборудования с утверждённым типом средств измерения существенно упрощает получение аттестата испытательного оборудования стенда. Оптимальным выбором по соотношению цена/качество оказалась крейтовая система измерения LTR производства ООО «Л Кард».
Крейтовая система LTR обладает широким набором модулей и обеспечивает измерения большинства сигналов, встречающихся в ходе серийных стендовых испытаний АД, c требуемой частотой и необходимой погрешностью.
В АИИС были применены следующие модули:

• LTR22 – для измерения сигналов вибрации;
• LTR27 – для измерения сигналов датчиков по току и напряжению;
• LTR51 – для измерения частотных сигналов;
• LTR212 – для измерения сигналов тензодатчика тягоизмерительной системы;
• LTR114 – для измерения сигналов потенциометрических датчиков.

Вторым решением стало применение сертифицированных датчиков и приборов, имеющих цифровой выход (Ether­net или последовательные каналы связи RS-485, RS-232). Прежде всего, это датчики давления с цифровым выходом. После опробования разных моделей наилучшими для решения наших задач оказались датчики МИДА-15 с цифровым интерфейсом RS-485 производства ПГ МИДА. Датчики могут объединяться в шину, подключаться к одному порту RS-485 и выдавать в АИИС готовые показания измеренного давления в нужных единицах измерения по протоколу Modbus-RTU. Эти датчики являются интеллектуальными: они программируются на нужные параметры последовательного порта, частоту измерения и порядка встроенного цифрового фильтра, но являются однодиапазонными.
Также используются кориолисовый расходомер MicroMotion с цифровым интерфейсом RS-485 для измерения массового расхода топлива и весовой терминал с цифровым интерфейсом производства ЗАО «Весоизмерительная компания «Тензо-М» для канала измерения эталонного усилия тяги при прямом нагружении.
Ещё один пример – интеллектуальные модули Метран-970 производства компании Метран, которые передают готовый результат измерения по сети Ethernet по протоколу Modbus TCP.

Применение комплектующих АИИС отечественного производства

Успешно применены видеомониторы промышленного исполнения, изготовленные компанией «Билтех». При рассмотрении вопроса о выборе кабельной продукции было принято решение использовать кабели отечественного производства ЗАО «СПКБ Техно». В качестве конструктивов шкафов была выбрана продукция отечественной компании Провенто.
Для ввода в АИИС сигналов датчиков ДБСКТ (дублированные синусно-косинусные трансформаторы) использована плата АЦПВТ ООО «РИВАС», для передачи информации в цифровую систему управления двигателем по протоколу ARINC (стандарт авиационной промышленности для формата и содержания файлов аэронавигационных данных) – интерфейс от АО «Электронная компания «Элкус».
Подсистема дискретного ввода-вывода АИИС состоит из двух частей:

• «быстрый» дискретный ввод, реализованный на базе платы производства ICP DAS PISO-P64U. Данный дискретный ввод используется для оценки работы двигательных агрегатов;
• «медленный» дискретный ввод и вывод, выполненный на базе двух отечественных контроллеров FASTWEL I/O. Данный вариант дискретного ввода-вывода используется для обслуживания технологических систем испытательного стенда. Программирование контроллеров проведено в среде разработки CODESYS. Обмен данными с контроллерами выполняется по интерфейсу Ethernet по протоколу Modbus TCP.

В состав каждого контроллера FASTWEL I/O входят программируемый контроллер узла сети Ethernet CPM713-01, модули дискретного ввода DIM76201 и DIM71701 и модули дискретного вывода DIM71901. Всего на базе контроллеров FASTWEL I/O организовано управление 256 каналами дискретного вывода и 256 каналами дискретного ввода.
Следует отметить ограничение по скорости ввода дискретных сигналов на контроллерах FASTWEL I/O – не более 20 Гц на канал при циклическом вычитывании этого результата по интерфейсу Ethernet, протокол Modbus TCP.

Снижение стоимости

Применение отечественного оборудования позволило снизить общую стоимость системы автоматизации.
В сравнении с АИИС предыдущего поколения при примерно равном числе аналоговых и дискретных каналов стоимость комплектующих аппаратной части АИИС удалось сократить примерно в два раза в денежном выражении в сопоставимых ценах.
Отдельно стоит отметить, что в АИИС используется оборудование без средств синхронизации с аппаратным источником реального времени, что также снижает его стоимость. Взамен используется «программное» реальное время.

Защищённая ОС КПДА 10964-01

Программное обеспечение АИИС разработано на базе защищённой операционной системы КПДА «Нейтрино» (она же ОС реального времени QNX версии 6.5).
Защищённая операционная система реального времени (ЗОСРВ) «Нейтрино» КПДА.10964-01 поставляется компанией «СВД». Операционная система сертифицирована в МО РФ и имеет сертификаты соответствия:

• МО РФ № 3385 от 27.10.2016 (действителен до 27.10.2021);
• ФСТЭК России № 3795 от 29.08.2017 (действителен до 29.08.2020).

Данная ОС имеет высокую скорость реакции на происходящие события (несколько микросекунд на обработку прерываний и смену контекста), поддерживает несколько ядер процессора ПК и имеет встроенную сеть, которая объединяет контроллеры АИИС в единую вычислительную систему.
ОС КПДА имеет микроядерную архитектуру, при которой небольшой программный код ядра ОС выполняет основные функции диспетчеризации нитей программ и обработки прерываний, а остальные менеджеры ресурсов и прикладные программы исполняются в виде обычных процессов. Данная архитектура операционной системы значительно повышает надёжность работы всего ПО АИИС.
Применение ОС реального времени позволяет на одном ПК одновременно выполнять как задачи измерения, так и задачи предоставления данных испытаний оператору АИИС, непрерывную запись измерений на жёсткий диск, передачу данных испытаний в АСУ верхнего уровня.
Всего в АИИС под управлением ОС КПДА работают восемь контроллеров, которым присвоены имена А1, А2,…А8. Все контроллеры связаны между собой дублированной Ethernet-сетью. Контроллеры А1 и А2 размещены в измерительном шкафу вместе с крейтами L-Card, источником бесперебойного питания и сетевым коммутатором, в котором настраивается несколько виртуальных сетей для повышения качества работы компьютерной сети АИИС.
Контроллеры А3…А8 исполнены на базе малогабаритных безвентиляторных промышленных компьютеров производства Axiomtek. Данные контроллеры сочетают низкую стоимость, высокую надёжность в эксплуатации за счёт отсутствия вращающихся вентиляторов охлаждения и миниатюрный размер, удобно встраиваются в пульты управления стендом.
Контроллеры А3…А8 совместно с сенсорными мониторами, клавиатурами и манипуляторами мышь образуют рабочие места операторов АИИС.

Программное обеспечение АИИС

Обобщённая структура ПО АИИС представлена на рис. 2.

Программное обеспечение для поддержки крейтовой системы LTR адаптировано для ОС КПДА инженерами ООО «Л Кард» и поставляется в виде открытого кода на языке С.
Для интерфейса цифрового обмена по ARINC также имеется готовый драйвер для ОС КПДА.
Прикладное программное обеспечение АИИС разработано силами ПАО «ОДК-УМПО» и широко использует предоставляемые ОС КПДА механизмы обмена сообщениями между процессами.
Прикладное ПО построено вокруг двух серверных программ: сервера параметров АИИС и сервера текущих измерений.
Прикладные программы разработаны в виде независимо исполняемых процессов по их предназначению:

• программы обслуживания измерительных устройств АИИС;
• программа обслуживания базы данных параметров АИИС;
• программа ввода исходных данных испытаний;
• программа статических измерений и обработки параметров;
• программа измерения и обработки переходных режимов;
• программа измерения и записи вибрации двигателя;
• программа непрерывной записи измеряемых параметров и сигналов в ходе испытаний;
• программа измерения и обработки температурных полей;
• программа оценки метрологических характеристик и вычисления градуировок ИК АИИС;
• другие программы.

На контроллере А3 запускаются программы выполнения статических и динамических измерений параметров (рис. 3, 4), программы обеспечения специальных испытаний и измерения температурных полей, программа непрерывной записи параметров в ходе испытаний. Программы работают в реальном времени в среде многозадачной ОС с использованием правил приоритетной диспетчеризации и не влияют одна на другую.

Контроллер А4 отображает панель виброизмерений, которая, кроме визуализации трендов вибрации, формы сигналов вибрации, виброспектров, ведёт непрерывную запись формы сигналов вибрации. Измерение и запись сигналов вибрации возможны в диапазоне от 3 до 52 кГц.
Контроллер А6 используется для отображения основных параметров испытуемого изделия и панели информационных, предупредительных и аварийных сообщений. Каждое срабатывание исполнительного механизма, каждое действие моториста-испытателя фиксируется в панели сообщений и на жёстком диске АИИС.
К контроллеру А7 подключён видеомонитор с большой диагональю 32ʺ, на нём отображается интеллектуальный пульт с табло и кнопками запуска и управления двигателем (рис. 5)

На кнопки с большой ответственностью подключается дополнительный диалог подтверждения, заставляющий исполнителя задуматься, правильное ли действие он собирается выполнить. В соответствии с алгоритмом управления кнопки могут блокироваться на определённых режимах работы двигателя, обеспечивая защиту «от дурака».

На контроллере А8 отображается необходимое число мнемосхем технологических систем испытательного стенда (рис. 6, 7). Каждая мнемосхема исполняется как отдельный процесс – виртуальный программируемый контроллер.

В виртуальном контроллере работает основная нить отображения технологической системы и несколько нитей исполнения технологических алгоритмов и защит. Языком программирования в виртуальном контроллере является встроенный интерпретатор языка C/C++ (Ch), позволяющий программировать любую технологическую систему с использованием всей мощи языка C/C++.
Оригинальное решение найдено для определения реального времени каждого измерения с помощью крейтовой системы LTR. Используется разъём синхронизации крейта для получения числа синхроимпульсов. Источником синхроимпульсов является установленная в ПК плата ЦАП ISP DAS PICO-DA16U, имеющая в своём составе дискретный вывод. Выдачей синхроимпульсов управляет прикладная программа с высоким приоритетом исполнения, которая начинает генерировать первый синхроимпульс строго в начале очередной секунды и далее генерирует 200 синхроимпульсов в секунду по программному таймеру реального времени ОС КПДА.
Таким образом, каждый результат измерения модуля LTRс помощью сопровождающего его суммарного числа синхроимпульсов привязывается к реальному времени с точностью 1000/200 = 5 миллисекунд.

Заключение

АИИС испытательных стендов ПАО «ОДК-УМПО» (рис. 8) разработаны и внедрены в эксплуатацию силами инженеров одного из отделов объединения.

Внедрение АИИС собственными силами ПАО позволяет обеспечивать надёжное сопровождение в эксплуатации в режиме 24/7, даёт полную открытость исходного кода прикладных программ и позволяет развивать функции АИИС на протяжении всего жизненного цикла испытательного стенда. ●

E-mail: m-golovin@mail.ru