飛機的燃油系統(tǒng)是飛機安全運行的重要系統(tǒng)之一，保證該系統(tǒng)安全穩(wěn)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(tǒng)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與系統(tǒng)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(jié)合的實驗室教學系統(tǒng)。使該系統(tǒng)具有現(xiàn)實飛機燃油系統(tǒng)相同或者更多的一系列功能：燃油電氣系統(tǒng)理論培訓，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，包括手自動加油、手自動輸油、應急放油等操作過程；燃油電氣系統(tǒng)的模擬通電，完成維護規(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)部附件維護程序培訓，利用虛擬現(xiàn)實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行故障注入，學員可利用本系統(tǒng)進行模擬故障流程；實時監(jiān)控和記錄學員的培訓過程，可供隨后的分析和評價。

該實驗室系統(tǒng)主要用于實驗室內(nèi)培訓，學員通過該系統(tǒng)的使用可以達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)

作為一種仿真培訓裝置，該裝置以某型號戰(zhàn)斗機的燃油系統(tǒng)為設計原型，操控邏輯完全遵循實際操控邏輯進行設計，采用實物操作與軟件操作相結(jié)合的設計理念，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)王搭建出人機界面與演示畫面，采用PLC技術(shù)實現(xiàn)各器件的電氣邏輯控制，采用原理仿真技術(shù)實現(xiàn)了電路板對物理器件故障的仿真，采用CAN總線實現(xiàn)教員控制臺、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存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中。

CAN總線是一種支持分布式實時控制的串行現(xiàn)場總線。優(yōu)點明顯，適合實驗室系統(tǒng)應用，節(jié)點數(shù)多，其總線接口節(jié)點數(shù)可以達到110個；多主總線工作方式，任何一個節(jié)點都可以作為主節(jié)點；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、PLC、仿真單體及其它設備都通過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，提高通信時的抗干擾能力，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)、放油及應急放油分系統(tǒng)、油量耗量測量分系統(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)

教員控制臺是整個試驗系統(tǒng)的核心，其功能如下：控制完整的訓練過程；設置特定的故障發(fā)生；取消故障；監(jiān)視、記錄并評估學員的排除故障操作；查看歷史訓練記錄；對故障案例的數(shù)據(jù)庫進行維護等。

學員控制臺是學員進行理論學習與維護操作培訓的場所，主要進行原理演示培訓、虛擬拆裝、排除故障訓練、個人信息管理等。

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

2  硬件組成

硬件系統(tǒng)是實驗系統(tǒng)的基礎，主要由控制臺（學員及教員）、交互式訓練面板（座艙設備及地面設備仿真）、仿真單體、數(shù)據(jù)庫服務器組成。該體系基于CAN總線的局域網(wǎng)，實現(xiàn)了橫向與縱向信息的快速穩(wěn)定傳輸，具有足夠帶寬及強大擴展性。

2.1控制臺

控制臺按照使用對象分為兩部分，學員控制臺與教員控制臺。

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

工控機安裝有PCI-CAN轉(zhuǎn)換卡，方便地連接到CAN總線網(wǎng)絡中。具有開放性、實時性、人機界面友好及多任務多線程等優(yōu)點。

PLC采用的西門子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其優(yōu)點相當明顯，編程容易、控制系統(tǒng)施工周期短、系統(tǒng)維護容易。燃油系統(tǒng)故障模擬裝置中PLC的使用，實現(xiàn)燃油系統(tǒng)控制關(guān)系的仿真及電氣故障設置，使響應時間減少，開關(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(xiàn)實飛機座艙內(nèi)關(guān)于飛機燃油系統(tǒng)全部操作的復制。地面監(jiān)測設備仿真面板，僅僅對外部設備外形做適當改變。其功能是實現(xiàn)燃油系統(tǒng)的功能指令的控制，及各種報警、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，并且與教員控制臺設備相連，實現(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；接收到教員控制臺指令后做出相應故障現(xiàn)象；學員可以通過手動操作實現(xiàn)測試與維修。

2.3 仿真單體

內(nèi)部硬件仿真體系結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實系統(tǒng)一致，并且其對外接口可以與現(xiàn)實裝備連接，實現(xiàn)互操作。仿真單體具有軟件網(wǎng)絡與硬件網(wǎng)絡兩方面的功能：軟件方面，實現(xiàn)了狀態(tài)信息的接收、處理、執(zhí)行、發(fā)送等任務，為用戶提供方面的控制接口；硬件方面互聯(lián)與實際系統(tǒng)一致，實現(xiàn)故障模擬、接口狀態(tài)的設置、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理、信號接收與轉(zhuǎn)換，為操作維護訓練提供有效硬件支持。

仿真單體是系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是仿真系統(tǒng)的核心。物理上按照飛機實際位置布置在學員控制臺上，可以使學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、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)，保護總線，實現(xiàn)熱防護等。

軟件主要實現(xiàn)單片機與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、測試等。為了方便外部測量設備的使用，設計有測量接口，與現(xiàn)實接口完全相同，可以實現(xiàn)各種參數(shù)的直接測量。

例如，三相交流輸油泵的仿真單體，可測量的外置接口有4針。該仿真板可以仿真電機正常及各種故障模式，如缺相、斷路、短路等。從測量接口測量，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 軟件設計

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

結(jié)構(gòu)如圖3所示，教員登錄后獲得高權(quán)限，除了具有學員的全部權(quán)限外，還可以進行標準故障案例的生成、數(shù)據(jù)庫的維護、各種參數(shù)的設定、學員賬號的管理、學員成績的評估等。

圖 3  軟件體系結(jié)構(gòu)

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

圖 4  上位機軟件主要功能

數(shù)據(jù)庫，主要是存儲標準案例庫、系統(tǒng)的各種歷史參數(shù)、學員操作及成績。數(shù)據(jù)庫提供開放的OPC（OLE for Process Control，對象的連接與嵌入在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用）接口。

功能如圖4所示，主要由故障設置與排除、數(shù)據(jù)庫管理與維護、標準排故流程、系統(tǒng)設置，四部分組成。

5 應用與結(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