基于CAN總線(xiàn)飛機燃油系統維修培訓系統的設計

飛機的燃油系統是飛機安全運行的重要系統之一，保證該系統安全穩定地運行至關(guān)重要。作為飛機維護人員培訓的核心部分，維修培訓裝置的設計也非常重要。當前培訓系統相對落后，成本高、功能單一、擴展性差。為了解決當前知識增長(cháng)與系統落后的矛盾，本文綜合應用當前流行的新技術(shù)手段，設計出一種軟硬件有機結合的實(shí)驗室教學(xué)系統。使該系統具有現實(shí)飛機燃油系統相同或者更多的一系列功能：燃油電氣系統理論培訓，包括燃油系統的組成、部附件的安裝位置和工作原理以及內部結構和組成;燃油電氣系統的操作模擬，包括手自動(dòng)加油、手自動(dòng)輸油、應急放油等操作過(guò)程;燃油電氣系統的模擬通電，完成維護規程規定的通電內容，比如左右前泵、左右后泵等通電檢查;燃油電氣系統部附件維護程序培訓，利用虛擬現實(shí)或視頻完成部附件的培訓，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，教員可利用教師機進(jìn)行故障注入，學(xué)員可利用本系統進(jìn)行模擬故障流程;實(shí)時(shí)監控和記錄學(xué)員的培訓過(guò)程，可供隨后的分析和評價(jià)。

該實(shí)驗室系統主要用于實(shí)驗室內培訓，學(xué)員通過(guò)該系統的使用可以達到掌握并提高排除故障能力的目的。該系統已經(jīng)投入使用。

1 系統整體結構

作為一種仿真培訓裝置，該裝置以某型號戰斗機的燃油系統為設計原型，操控邏輯完全遵循實(shí)際操控邏輯進(jìn)行設計，采用實(shí)物操作與軟件操作相結合的設計理念，開(kāi)發(fā)過(guò)程以硬件搭建與軟件開(kāi)發(fā)相結合。該裝置采用C#與組態(tài)王搭建出人機界面與演示畫(huà)面，采用PLC技術(shù)實(shí)現各器件的電氣邏輯控制，采用原理仿真技術(shù)實(shí)現了電路板對物理器件故障的仿真，采用CAN總線(xiàn)實(shí)現教員控制臺、PLC及其它部件之間的連接通訊，采用故障樹(shù)的形式將案例庫存儲在SQL數據庫中。

CAN總線(xiàn)是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行現場(chǎng)總線(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)明顯，適合實(shí)驗室系統應用，節點(diǎn)數多，其總線(xiàn)接口節點(diǎn)數可以達到110個(gè);多主總線(xiàn)工作方式，任何一個(gè)節點(diǎn)都可以作為主節點(diǎn);傳輸速率在短距離內高。

系統整體結構圖如圖1所示。上位機、PLC、仿真單體及其它設備都通過(guò)CAN總線(xiàn)連接在雙絞線(xiàn)上。為了方便的接入CAN總線(xiàn)，教員控制臺安裝了PCI-CAN板卡，PLC安裝有CAN轉RS-485轉換器。使用雙絞線(xiàn)傳輸數據，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(xiàn)兩端使用匹配電阻R來(lái)消除雙絞線(xiàn)反射所引起的干擾。

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

圖 1 系統整體結構

教員控制臺是整個(gè)試驗系統的核心，其功能如下：控制完整的訓練過(guò)程;設置特定的故障發(fā)生;取消故障;監視、記錄并評估學(xué)員的排除故障操作;查看歷史訓練記錄;對故障案例的數據庫進(jìn)行維護等。

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

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

2 硬件組成

硬件系統是實(shí)驗系統的基礎，主要由控制臺(學(xué)員及教員)、交互式訓練面板(座艙設備及地面設備仿真)、仿真單體、數據庫服務(wù)器組成。該體系基于CAN總線(xiàn)的局域網(wǎng)，實(shí)現了橫向與縱向信息的快速穩定傳輸，具有足夠帶寬及強大擴展性。

2.1控制臺

控制臺按照使用對象分為兩部分，學(xué)員控制臺與教員控制臺。

物理結構包括工控機、數據采集卡、數據處理卡、信號調理卡以及外圍設備。工控機安裝有PCI-CAN轉換卡，方便的連接到CAN總線(xiàn)上。

工控機安裝有PCI-CAN轉換卡，方便地連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。具有開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性、人機界面友好及多任務(wù)多線(xiàn)程等優(yōu)點(diǎn)。

PLC采用的西門(mén)子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其優(yōu)點(diǎn)相當明顯，編程容易、控制系統施工周期短、系統維護容易。燃油系統故障模擬裝置中PLC的使用，實(shí)現燃油系統控制關(guān)系的仿真及電氣故障設置，使響應時(shí)間減少，開(kāi)關(guān)量的控制更加準確。

2.2 交互訓練面板

交互訓練面板主要由座艙設備及地面設備仿真組成。座艙操作仿真面板，是現實(shí)飛機座艙內關(guān)于飛機燃油系統全部操作的復制。地面監測設備仿真面板，僅僅對外部設備外形做適當改變。其功能是實(shí)現燃油系統的功能指令的控制，及各種報警、油量及各種狀態(tài)參數的顯示。

包含全部子系統及其組件的特征圖，并且與教員控制臺設備相連，實(shí)現功能如下：各種參數數據的采集與上傳;座艙顯示與操作的模擬;各組件的狀態(tài)控制;各開(kāi)關(guān)指令的傳輸與控制;接收到教員控制臺指令后做出相應故障現象;學(xué)員可以通過(guò)手動(dòng)操作實(shí)現測試與維修。

2.3 仿真單體

內部硬件仿真體系結構與現實(shí)系統一致，并且其對外接口可以與現實(shí)裝備連接，實(shí)現互操作。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)現了狀態(tài)信息的接收、處理、執行、發(fā)送等任務(wù)，為用戶(hù)提供方面的控制接口;硬件方面互聯(lián)與實(shí)際系統一致，實(shí)現故障模擬、接口狀態(tài)的設置、信息傳輸、數據處理、信號接收與轉換，為操作維護訓練提供有效硬件支持。

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

圖 2 仿真單體結構圖

結構如圖2所示，其通信模塊的硬件電路由AT89C52單片機、SJA1000 CAN總線(xiàn)控制器、82C250 CAN收發(fā)器組成。82C250 CAN總線(xiàn)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)，保護總線(xiàn)，實(shí)現熱防護等。

軟件主要實(shí)現單片機與CAN總線(xiàn)控制器之間的通信，如初始化、發(fā)送、取消發(fā)送、接收、測試等。為了方便外部測量設備的使用，設計有測量接口，與現實(shí)接口完全相同，可以實(shí)現各種參數的直接測量。