Информационно-измерительные системы испытательных стендов вертолетных редукторов

Современное состояние промышленного производства вертолетных редукторов (ВР) в России определяется несколькими факторами.

• Большой объем и стабильный спрос продукции обусловлены острой необходимостью применения вертолетов, а также обслуживанием и ремонтом имеющегося огромного парка вертолетов.

• Основное внимание уделяется не столько разработке сверхсовременных изделий, сколько повышению качества и модернизации серийно выпускаемой продукции.

• Для повышения конкурентоспособности продукции (особенно на зарубежном рынке) требуется сертификация производства по международным стандартам.

Серийное изготовление столь высокотехнологичной и ответственной продукции, как ВР, немыслимо без всестороннего тестирования изделия, начиная с изготовления его отдельных узлов и заканчивая поставкой редуктора заказчику. Ведь качество конкретного экземпляра ВР не только влияет на летные характеристики отдельно взятого вертолета, но и определяет опасность для жизни экипажа, окружающих, городских строений в процессе эксплуатации. Редуктор является ключевым узлом вертолета с точки зрения надежности. Если редуктор заклинит, то экипаж не сможет обеспечить безопасную посадку.

Учитывая сложность изделия и его высокую стоимость ($ 100.200 тыс.), перед сдачей заказчику каждый редуктор подвергается комплексному тестированию. Оно заключается в измерении основных характеристик на всевозможных режимах последующей эксплуатации. Такая поверка производится на специализированных испытательных стендах вертолетных редукторов (ИСВР). Эти стенды представляют собой сложнейшие электромеханические системы стоимостью $ 1.2 млн., укомплектованные мощными информационно-измерительными системами (ИИС). Поскольку за последние 10. 15 лет новые модели ВР практически не разрабатывались в связи со спадом производства при переходе страны к рыночной экономике, а новые стенды практически не строились, большинство используемых в настоящее время ИСВР оснащено устаревшими ИИС.

Стремление заводов изготовителей ВР к повышению качества выпускаемой продукции при относительно больших объемах производства может быть во многом удовлетворено за счет автоматизации ИСВР. Автоматизация стенда позволяет повысить точность и достоверность результатов испытаний, повысить производительность труда, исключить неадекватные действия и ошибки оператора, упростить обучение персонала. Наличие автоматизированных систем тестирования очень важно для получения международных сертификатов производства.

В настоящее время в России (и только несколькими годами ранее — за рубежом) начался процесс оснащения ИСВР автоматизированными ИИС. Кроме основных измерительных задач на эти системы возлагаются функции автоматического управления работой стенда. В настоящее время методы проектирования ИИС ИСВР в целом слабо формализованы, отсутствуют единые методики разработки отдельных частей системы. Все это приводит к существенным затратам времени на проектирование и наладку ИИС каждого стенда, снижению надежности и точности измерений. В данной диссертации основное внимание уделяется всестороннему исследованию процесса проектирования ИИС типовых ИСВР и научному обоснованию предлагаемых прикладных методик.

Целью диссертационного исследования является разработка унифицированного процесса проектирования (У 1111) ИИС ИСВР, включающего в себя математический аппарат и критерии для оценки качества созданных на основе УПП моделей системы, а также методики практического воплощения моделей.

В диссертации предлагается решение следующих задач:

1. Исследование имеющихся ИИС ИСВР и возможных методов построения современных ИИС для ИСВР.

2. Выявление особенностей аппаратуры и программного обеспечения (ПО) проектируемых стендов с измерительной точки зрения.

3. Критический обзор методов объектно-ориентированного (ОО) анализа (ООА) и проектирования (ООП), а также имеющихся ОО сред разработки применительно к ИИС ИСВР.

4. Расширение объектных нотаций для ИИС.

5. Разработка методов представления моделей ИИС ИСВР.

6. Разработка унифицированного процесса проектирования (УПП) ИИС ИСВР.

7. Построение формального математического описания макромодели ИИС ИСВР.

8. Нахождение формальных критериев качества макромодели ИИС ИСВР.

9. Исследование метрологических характеристик измерительных каналов ИИС ИСВР, выявление основных источников погрешности, разработка унифицированных протоколов поверки (калибровки) измерительных каналов ИИС ИСВР.

10. Разработка методик построения графического интерфейса оператора испытательных стендов.

11. Разработка структуры хранения результатов испытаний и метрологической аттестации ИИС ИСВР в реляционной СУБД.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Блочно-модульная унифицированная архитектура аппаратной части ИИС типовых ИСВР.

2. Унифицированный процесс проектирования ИИС ИСВР.

3. Формальные модели аппаратуры и ПО ИИС ИСВР.

4. Формальные критерии и функционал качества объектно-ориентированного ПО ИИС ИСВР.

5. Сравнительный анализ нотаций моделей ПО ИИС ИСВР.

6. Исследование метрологических характеристик ИИС ИСВР и унифицированный протокол метрологической аттестации.

Развернутое изложение выше описанных задач представлено в основном тексте диссертации.

В первой главе рассматриваются задачи тестирования вертолетных редукторов (BP), выполняется анализ аппаратных и программных средств, методов проектирования сложных ИИС. Проведено исследование объекта испытания — BP, выявлены классы основных измеряемых параметров, а также требования к ним по точности и быстродействию. Выполняется анализ используемых в настоящее время ИСВР. Найден общий состав технологического оборудования, установлены классы технологических параметров, подлежащих контролю. Определены главные требования, предъявляемые к ИИС ИСВР.

Во второй главе предложено и обосновано использование блочно-модульной архитектуры для построения аппаратной части ИИС ИСВР. Приведены ценовые характеристики применяемого оборудования и его возможности для построения ИИС ИСВР. Показывается наилучшее значение показателя цена/качества предлагаемого подхода к проектированию аппаратуры ИИС ИСВР. Приводятся разработанные нами конфигурации (и исследуются характеристики) измерительного оборудования (производства National Instruments, США) для типовых ИИС ИСВР. Предложена унифицированная архитектура аппаратной части ИИС типовых ИСВР.

В третьей главе выявлены сложности проектирования программного обеспечения ИИС ИСВР и проведен критический обзор методов проектирования (структурное, потоковое, объектно-ориентированное) программного обеспечения ИИС, а также имеющихся сред разработки, которые могут быть использованы при создании ИИС ИСВР. Показаны потенциальные возможности и удобство применения сред графического объектноориентированного программирования (LabVIEW GOOP, ObjectVIEW) для создания ПО испытательных стендов. Найдены необходимые для проектирования ПО ИИС ИСВР объектные нотации (UML, UML RT, LePUS) и приведен их сравнительный анализ. Изложено краткое описание новейшей (и пока недостаточно исследованной) нотации LePUS.

В четвертой главе разрабатываются формальные методы проектирования аппаратной и (преимущественно) программной части ИИС ИСВР. Проведено расширение объектных нотаций UML (наглядное представление аппаратной части ИИС, формальное представление алгоритмов управления), UML RT (наглядное описание объектов GOOP и формальная спецификация для представления многопотокового взаимодействия) и LePUS (7 новых семантических связей и отношений, модифицирован синтаксис для сокращения формальной спецификации в 3.5 раз) для ИИС ИСВР. Предложен и детально проработан УПП ИИС ИСВР. Представлено формальное математическое описание макромодели ИИС ИСВР, состоящей из 11 моделей: предметной области, физического представления ИСВР, физического представления ИИС ИСВР, ядра программного каркаса, многопотокового управления измерениями (статика), взаимодействия потоков (динамика), алгоритмов управления, машины состояния, структуры базы данных (статика), взаимодействия с базой данных (динамика), интерактивного взаимодействия с оператором. Найдены формальные критерии качества макромодели ИИС ИСВР и объединяющий их функционал качества. Приведено сравнение качества проектирования двух типовых систем. Исследованы возможности нотации LePUS для формального описания программного обеспечения сложных измерительных систем.

В пятой главе приведены разработанные нами ИИС для конкретных ИСВР. Разработаны методики построения унифицированного графического интерфейса оператора испытательных стендов. Разработаны методики надежного накопления результатов испытаний в реальном времени без потерь в случае выключения/зависания компьютера. Построена и представлена структура хранения результатов испытаний, а также служебной программной.

12 информации в базах данных. Разработаны принципы удаленной отладки ИИС ИСВР на основе имитационного моделирования по локальной сети.

В шестой главе исследуются вопросы метрологической аттестации промышленных ИИС. Исследованы метрологические свойства измерительных каналов ИИС испытательных стендов ВР и особенности современных методов поверки ИИС ИСВР, выявлены основные источники погрешностей, предложен унифицированный протокол поверки (калибровки) измерительных каналов. Разработан комплекс программ метрологической аттестации датчиков ИСВР. Созданы методики программной коррекции измеряемого значения крутящего момента на валу ВР. Предложена устойчивая модификация алгоритма расчета сдвига фаз низкочастотных (5.50 Гц) существенно зашумленных синусоидальных сигналов тормозных генераторов. Проведено моделирование и сравнение по стабильности и точности нескольких алгоритмов расчета сдвига фаз гармонических низкочастотных сигналов с высоким уровнем шума.

Основные результаты теоретических и практических исследований:

1. В диссертации сформулирована и решена научно-практическая задача проектирования и разработки как аппаратного, так и программного обеспечения ИИС ИСВР.

2. Разработанный УПП ИИС ИСВР включил основные фазы построения ИИС ИСВР, следуя которым упрощается создание каждой новой системы.

3. Построенная обобщенная макромодель ИИС ИСВР наглядно отражает сущность испытательных стендов, набор измеряемых параметров и сигналов управления.

4. Разработанный и исследованный программный каркас ИИС ИСВР позволяет всего на нескольких диаграммах отразить и строго математически записать функционирование столь сложного программного комплекса.

5. Введенные формальные критерии и функционал качества дают объективную информацию о качестве разрабатываемых моделей и каркасов.

6. Изложенные и научно обоснованные методики конкретной реализации пользовательского интерфейса, способов записи протоколов испытаний, структур баз данных, дистанционного эксперимента и удаленной отладки ПО ИИС ИСВР отражают современные тенденции программирования данных систем. На основе этих методик возможно создание новых систем, отличающихся эргономичностью, высокой надежностью, быстродействием и сравнительно невысокой стоимостью по испытанным шаблонам.

7. Детальное исследование метрологических характеристик типовых ИИС ИСВР выявляет основные сложности проектирования и программирования таких систем, указывает пути возможные повышения точности и динамических характеристик измерений, а также снижения времени на проведение поверки измерительных каналов.

8. Предложенные программные алгоритмы частотной коррекции датчиков крутящего момента позволяют существенно повысить точность измерения в широком диапазоне частоты вращения вала. С их помощью значительно подавляется выявленная нами погрешность широко используемых на ИСВР датчиков.

9. Разработанный алгоритм расчета сдвига фаз тормозных генераторов по сравнению со стандартными методами отличается стабильностью и точностью показаний для низкочастотных синусоидальных сигналов, обладающих высоким уровнем шума.

10. Предложенные в диссертации методы проектирования столь сложных программно-аппаратных систем позволяют реализовывать их в короткие сроки (1.2 года) силами небольшого количества специалистов (2.3 разработчика + 2.4 монтажника).

Результаты диссертационного исследования применялись при проектировании, отладке и вводе в эксплуатацию двух испытательных стендов вертолетных редукторов на заводе ОАО СПб «Красный октябрь», одна из этих систем была представлена на международной измерительной конференции N1 \ГЕЕК'2000 (г. Остин, США) и заняла второе место среди докладов конференции в категории аэрокосмических приложений. Также на этом заводе был внедрен программный комплекс метрологической аттестации датчиков крутящего момента и расхода. Отдельные положения диссертации применялись для создания ИИС стендов ультразвуковой и видео-дефектоскопии цилиндрических изделий большого диаметра, ультразвуковой дефектоскопии конических изделий на заводе ФГУП ПО «Авангард» (г. Сафоново Смоленской области), а также для мобильного рабочего эталона датчиков давления для Балаковской атомной электростанции. Данные системы эксплуатируются с положительным эффектом продолжительное время (до 2 лет), что подтверждает основные положения и рекомендации диссертационного исследования.

Проведенные в работе научно-практические исследования могут быть продолжены. Основные пути продолжения исследований:

1. Применение предложенных принципов для проектирования схожих классов задач авиационной направленности, а также построение УПП для качественно иных испытательных стендов, например, стендов поверки датчиков. Нами непрерывно ведутся исследования в этой области: мы занимаемся разработкой испытательных стендов турбостартеров на заводе «Красный октябрь" — а также стендами ультразвуковой и 3-мерной лазерной видео дефектоскопии изделий разнообразной (цилиндр, конус, бочка) формы, системой поверки датчиков давления на других промышленных предприятиях России.

2. Развитие предложенного унифицированного процесса проектирования ИИС ИСВР, реализация программного пакета САПР, основанного на разработанной теории.

3. Развитие объектно-ориентированных свойств стандартного пакета программирования измерительных систем Lab VIEW.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации проведено исследование принципов проектирования программного и аппаратного обеспечения современных информационно-измерительных систем испытательных стендов вертолетных редукторов. Существенное внимание уделяется развитию теории унифицированного процесса проектирования этих систем, а также разработке унифицированной блочно-модульной архитектуры аппаратной части ИИС типовых ИСВР.

Основное содержание исследований:

1. Проведен анализ объекта испытаний и испытательных стендов, выявлены особенности данного класса ИИС.

2. Разработана унифицированная блочно-модульная архитектура оборудования ИИС типовых ИСВР (на основе концепции виртуальных приборов корпорации National Instruments).

3. Предложен унифицированный процесс проектирования ИИС ИСВР.

4. Проведено исследование существующих методов проектирования программного обеспечения и установлены основные положения применительно к ИИС ИСВР.

5. Разработана формальная макромодель ИИС ИСВР (и составляющие ее 11 подмоделей).

6. Предложен объектно-ориентированный программный каркас ПО ИИС ИСВР.

7. Расширены существующие нотации, применяемые для объектно-ориентированного проектирования.

8. Приведены формальные критерии и функционал качества разрабатываемого объектно-ориентированного ПО ИИС ИСВР.

9. Предлагаются научно обоснованные методики и алгоритмы реализации важнейших частей ПО (в том числе подпрограммы коррекции погрешности и метрологической аттестации) конкретных ИИС ИСВР.