專利名稱：分布式航空發動機fadec系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機FADEC系統，尤其涉及一種可實現控制和監視功能的分布式管理的民用飛機航空發動機FADEC系統。
背景技術：
航空發動機是一類高度復雜的、可修復的多部件系統，要求在高溫、高壓、高轉速、高負荷等苛刻條件下長時間反復工作，容易出現故障，其任何功能故障都可能導致飛機發生事故，甚至誘發災難性后果。據最近10年全世界民航事故統計分析顯示，民航安全形勢極為嚴峻，未來民用發動機的可靠性要求越發苛刻，這也對航空發動機全權限數字電子控制器(FADEC, Full Authority Digital Electronic Controller)系統可靠性提出了更高的要求。FADEC系統是一種包括數字計算機即電子控制器(EEC, Electronic EngineControl)的系統，在航空領域用于控制航空發動機性能的各個方面，具有對發動機的預測與健康管理、推力矢量控制，飛推綜合控制等功能。然而，航空發動機作為復雜可修的系統，維修成本高昂，直接影響著民航企業的經濟效益。數據統計表明全世界發動機日常維護費用占到了航空公司年維修費的31%。因此，為提高發動機效能和減少維護成本，發動機健康管理系統(EHMS)這一新概念被提出，是民用發動機未來的發展趨勢，這要求FADEC系統具備較強的監視能力，為發動機的運行和維護提供支持。當前主流的商用航空發動機，如CFM56-5B/7B等的控制功能和絕大部分監視功能均通過FADEC系統的電子控制器(EEC)實現，其中，EEC通常通過ARINC429總線經數據傳輸系統與飛機系統通信，同時輸出控制信號控制各執行裝置的動作。此外，CFM56-5B/7B發動機對于發動機振動監視功能采用獨立的發動機振動監視(EVM, Engine VibrationMonitoring)模塊通過ARINC429總線直接與飛機系統通信。可見，現役航空發動機的監視功能均通過電子控制器來實現，對電子控制器的功能要求很高，且已有的獨立監視模塊僅針對單一監視動能。另外，在民用飛機領域尚未開展過工程研究，對民用航空發動機FADEC系統技術的掌握幾乎為空白。

發明內容
為解決日益嚴格的發動機可靠性要求，以及日益增強的發動機監視功能需求問題，本發明提出了一種分布式民用航空發動機FADEC系統。根據本發明的技術構思，所述分布式航空發動機FADEC系統包括硬件上相互獨立但通過連接線路進行數據通信的控制單元和監視單元，所述監視單元與多個監視用傳感器連接以獲取監視數據，所述控制單元與多個控制用傳感器連接以獲取控制數據，并結合經由所述連接線路從所述監視單元獲取的所述監視數據對所述航空發動機進行運行狀態控制和健康監視控制。進一步，所述控制單元可為電子控制器(EEC)，所述監視單元可為發動機監視裝置(EMU,Engine Monitoring Unit),其中，本發明所采用的所述電子控制器EEC有別于現有發動機FADEC系統中的電子控制器，本發明的EEC不再實現發動機的監視功能，而是采用硬件上相互獨立的所述發動機監視裝置EMU實現對發動機各項性能的監視及反饋。進一步，所述電子控制器可為雙通道設計，并通過雙余度ARINC664總線與所述FADEC系統進行通信，而所述發動機監視裝置可被設計為單通道設計。根據一種實施方式，所述發動機監視裝置與所述發動機FADEC系統直接通過單余度ARINC664總線進行通信。根據另一種可選實施方式，所述發動機監視裝置可與發動機FADEC系統不直接通信，而是通過電子控制器與發動機FADEC系統進行通信。可選地，所述控制單元和所述監視單元之間進行數據通信的連接線路選自CAN總線、1553B總線和ARINC664總線。進一步，所述監視單元可包括信號調理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、存儲模塊、通信接口模塊、直流/交流變換模塊、溫度管理模塊、電源管理模塊和傳感器激勵模塊。進一步，所述監視用傳感器獲取的監視數據包括振動、轉速、溫度、壓力、壓差、脈沖、液位、滑油金屬屑、離散量等數據。通過以上對本發明技術方案的描述，不難看出，本發明的分布式航空發動機FADEC系統至少具有以下技術效果:1、所有要實現的監視功能在獨立于EEC的EMU上實現，能夠滿足未來不斷增強的發動機健康管理需求，同時減少了 EEC的尺寸、重量和功能要求；2、FADEC系統利用EEC和EMU實現控制和監視功能的分布式管理，有利于系統靈活布置；3、本發明分布式航空發動機FADEC系統中，EEC和EMU分別采用獨立的硬件實現，則EEC故障或EMU故障不會影響對方正常運行，提高系統的可靠性，且由于EEC應用軟件設計等級為A級和EMU應用軟件設計等級為C級或E級，將EEC和EMU分開設計有利于降低系統的復雜性；4、EEC可直接與飛機通信，還可通過EMU與飛機通信；同時，EMU可直接與飛機通信，也可通過EEC與飛機通信，這增加了 FADEC系統的通信余度，提高了 FADEC系統的可靠性；5、在本發明的一優選實施方式中，EEC和EMU之間采用ARINC664總線進行通信，提高了控制通道與監視通道的通信速度和可靠性。


本發明的其它特征以及優點將通過以下結合附圖詳細描述的優選實施方式更好地理解，其中:圖1為根據本發明一種實施方式的分布式航空發動機FADEC系統的不意圖；圖2為根據本發明的優選發動機監視裝置EMU的原理圖；圖3為根據本發明另一種實施方式的分布式航空發動機FADEC系統的示意圖；圖4為根據本發明又一種實施方式的分布式航空發動機FADEC系統的不意圖；圖5為圖1所示實施方式的替代實施方式，其中，EMU與發動機FADEC系統不直接通信；圖6為圖3所示實施方式的替代實施方式，其中，EMU與發動機FADEC系統不直接通信；圖7為圖4所示實施方式的替代實施方式，其中，EMU與發動機FADEC系統不直接通信。
具體實施例方式如圖1所示，在根據本發明的發動機FADEC系統中，所有與控制有關的功能在EEC上實現，所有要實現的監視功能則采用獨立于EEC的發動機監視裝置EMU來實現。在飛機系統中，可包括各種功能模塊，例如振動顯示(Vibration Display)模塊、ACARS模塊、風扇配平平衡(Fan Trim Balance)模塊(用于風扇葉片平衡計算，由航空公司根據計算結果采取相應措施進行故障識別和排除)、飛機服務器(Aircraft Server)模塊以及無線通信(Wireless Comms.)模塊等等。其中，由控制用傳感器獲取的測量信號進入到EEC中用于發動機的控制，而監視用傳感器獲取的測量信號(如圖2所示，例如包括振動、轉速、溫度、壓力、壓差、脈沖、液位、滑油金屬屑、離散量信號等)進入EMU中，實現對發動機的氣路參數、燃/滑油系統、發動機振動的健康監視，同時，經由EEC與EMU之間的連接線路，EEC從EMU中獲取監視測量信號進行發動機的運行狀態控制和健康監視控制。如圖2所示，EMU為FADEC系統中的航線可更換組件，優選采用的是單通道設計，并可包括信號調理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、存儲模塊、通信接口模塊、直流/交流變換模塊、溫度管理模塊、電源管理模塊和傳感器激勵模塊等等。由于FADEC系統對EEC的可靠性要求更高，其性能直接影響發動機的工作，進而可能導致災難，因此，業內對EEC優選采用雙通道設計。相應地，由于現有技術中，直接與飛機系統通信的ARINC429總線只能是一個信號源連接一條ARINC 429總線，隨著航空電子系統大規模綜合化要求越來越高，ARINC 429總線面臨著電纜重量和連接數量過多的問題，且總線傳輸速率僅有lOOKB/s。因此，根據目前飛機對發動機通信總線的要求，新型在研的飛機如B787、A380、C919等均要求其裝配的發動機采用ARINC664總線與飛機系統通信。因而，本發明中優選將EEC雙通道分別采用雙余度ARINC664總線與飛機系統進行通信。另外，從容易實現、低成本和更高總線傳輸速率的角度來選擇，在圖1所示的實施方式中，EEC與EMU之間采用已形成國際標準的現場總線CAN總線(Controller Area Network,控制器局域網)進行通信。優選地，根據該實施方式，EMU與飛機系統直接通信，并采用單余度ARINC664總線進行通信。圖3示出的實施方式與圖1所示實施方式大致相同，不同之處在于:EEC與EMU之間采用1553B總線進行通信。1553B總線作為軍用局域網的標準協議，性能與CAN總線相當，雖然價格高，但可靠性更高，采用總線控制器進行統一調度，特別適合于集中控制的分布式處理系統，廣泛應用于航空、坦克等軍用領域。圖4示出的實施方式與圖1或圖3所示實施方式大致相同，不同之處在于:EEC與EMU之間采用ARINC 664總線進行通信。這是因為雖然1553B總線可靠性高，但由于其采用總線控制器，這就潛在地有單點故障的可能性，一旦總線控制器失效，將造成整個總線系統的癱瘓。實際應用中常增加一個備用總線，但1553B節點數不能超過31個，集中調度限制了系統升級和適應多任務的能力。而作為新型總線技術，ARINC 664中沒有總線控制器，不存在1553B中的集中控制問題；ARINC 664的傳輸速度可以達到lOOMbit/s甚至更高，傳輸介質為銅制電纜或光纖；同時，ARINC 664采用接入交換和骨干交換拓撲結構，使它的覆蓋范圍和可以支持的節點數目遠遠超過了 1553B總線。圖5至圖7示出了分別與圖1、圖3和圖4相類似的實施方式，其中不同之處在于:EMU不直接與飛機系統通信，而是通過EEC傳遞給飛機系統。相比之下，EMU與飛機系統直接通信要求增加飛機通信接口，整個發動機FADEC系統的通信余度得以增加；而通過EEC傳遞給飛機系統則要求EEC與飛機通信的總線性能更好，系統可靠性更高。在應用時，可根據實際需求和設計成本按上述各種例示的實施方式選擇合適的通信方式和通信總線。以上已揭示本發明的技術內容及技術特點，然而可以理解，在本發明的創作思想下，本領域的技術人員可以對上述公開的分布式航空發動機FADEC系統作各種變化和改進，但都屬于本發明的保護范圍。上述實施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本發明的保護范圍由權利要求所確定。
權利要求
1.一種分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，包括硬件上相互獨立但通過連接線路進行數據通信的控制單元和監視單元，所述監視單元與多個監視用傳感器連接以獲取監視數據，所述控制單元與多個控制用傳感器連接以獲取控制數據，并結合經由所述連接線路從所述監視單元獲取的所述監視數據對所述航空發動機進行運行狀態控制和健康監視控制。
2.根據權利要求1所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述控制單元為電子控制器。
3.根據權利要求2所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述電子控制器為雙通道設計，并通過雙余度ARINC664總線與所述FADEC系統進行通信。
4.根據權利要求1所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述監視單元為發動機監視裝置。
5.根據權利要求4所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述發動機監視裝置為單通道設計。
6.根據權利要求5所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述發動機監視裝置與所述發動機FADEC系統直接通過單余度ARINC664總線進行通信。
7.根據權利要求1所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述控制單元和所述監視單元之間進行數據通信的連接線路選自CAN總線、1553B總線和ARINC664總線。
8.根據權利要求1所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述監視單元包括信號調理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、存儲模塊、通信接口模塊、直流/交流變換模塊、溫度管理模塊、電源管理模塊和傳感器激勵模塊。
9.根據權利要求1所述的分布式航空發動機FADEC系統，其特征在于，所述監視用傳感器獲取的監視數據包括振動、轉速、溫度、壓力、壓差、脈沖、液位、滑油金屬屑、離散量等數據。
全文摘要
本發明提供了一種分布式航空發動機FADEC系統，包括硬件上相互獨立但通過連接線路進行數據通信的控制單元和監視單元，所述監視單元與多個監視用傳感器連接以獲取監視數據，所述控制單元與多個控制用傳感器連接以獲取控制數據，并結合經由所述連接線路從所述監視單元獲取的所述監視數據對所述航空發動機進行運行狀態控制和健康監視控制。根據本發明，系統中所有要實現的監視功能在獨立于控制單元的監視單元上實現，實現控制和監視功能的分布式管理，有利于系統靈活布置，并減少了控制單元的尺寸、重量和功能要求，提高了系統的可靠性。
文檔編號G05B19/418GK103116320SQ201110365048
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者呂曉武, 張樹彥, 殷鍇, 魯勁松, 鮑冬梅 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司