使用 NI CompactDAQ 與 LabVIEW 升級戰鬥機渦輪噴射引擎的測試台

Laurian Tiberiu MOCANU、AEROSTAR SA

「『我們使用 NI CompactDAQ 與 LabVIEW 建立的系統可降低燃料消耗與CO2 排放。』- Laurian Tiberiu MOCANU 與 Alexandru Tristian BALMUS, Aerostar SA, Romania」

- Laurian Tiberiu MOCANU, AEROSTAR SA

挑戰：

擴充現有測試台的監控參數組 (例如燃料流率、壓力、溫度、啟動器/產生器電壓與電流、接觸狀態)，同時在新舊系統轉換時還能夠定期測試渦輪噴射引擎。

解決方案：

我們使用 NI LabVIEW 系統開發軟體、NI CompactDAQ 資料擷取系統、USB 轉 RS485 轉換器，以及一組高準確度的感測器與傳感器，進一步加強了測試台原本的資料擷取系統，加入我們想要的參數，完全不會影響交付引擎給客戶的程序。

作者 (群)：

Laurian Tiberiu MOCANU - AEROSTAR SA
Alexandru Tristian BALMUS - AEROSTAR SA

介紹

從 1953 年開始，Aerostar SA 就一直供應產品、服務、支援給全球許多空軍、陸軍與航空市場 (工業與經營)，成為主要的供應商。核心業務範圍則是檢修戰鬥機的渦輪噴射引擎，目前已檢修過 6,000 個以上的元件。

原本的渦輪噴射引擎測試台已經用了 40 年，但是整個構造與設備的狀態仍然非常好。資料監控/記錄裝置已經淘汰了，許多參數都要手動記錄才行。舉例來說，高動態的參數會由底片資料記錄器 (FDR) 加以記錄，燃料流量測則是採用重量方式 (比如說量測引擎消耗特定燃油量的時間)，引擎運作時會執行好幾次。

我們不在乎汽油用量時可以密集使用這個複雜的裝置。經過計算每個引擎的整體油耗約為數十噸。現在，只要油耗可降低一個百分比，就可以大幅減少成本，在油價攀升之時非常有幫助。降低油耗代表 CO2 排放量也能有所減少，對國家來說也算是好事一樁。

到了 1990 年代晚期，FDR 類型的底片記錄器已不敷使用且遭到淘汰，因此我們必須改用全新的擷取系統，具備以下特色：

新型感測試可用來量測壓力、溫度、振動、RPM 與推力
現成的商用 (COTS) 資料擷取，配備八個模組，可透過新的傳感器來擷取高動態訊號
Pentium PC 架構的控制電腦搭配 Visual Basic 資料擷取與資料庫軟體，以及 MATLAB® 4.2 應用程式可顯示圖形

最近幾年來，航空市場因為全球經濟而面臨了許多新挑戰。測試渦輪噴射引擎時必須滿足許多新的需求，例如執行引擎測試時必須減少整體油耗、降低 CO2 排放、減少噪音汙染、提高監控程序的準確度、自動計算報告參數、遠端存取測試流程，並且監視各階段的引擎。

至於現有的設施與新規定，我們也面臨到一些困難。我們必須針對先前的裝置方式保持高準確度，新裝置不能影響現有系統的運作。我們必須在轉換期持續作業，這樣才不會影響目前客戶所需的定期渦輪噴射引擎測試。最後，我們必須把現有資料納入新的資料庫，善用寶貴的現有資料與專業能力。

根據上述需求與挑戰，我們開發出全新的資料擷取系統。我們把新元素加入現有元件，以便補足功能，同時因應我們的需求。

硬體實作

新增設備的核心採用了 NI CompactDAQ 系統，其中配備 NI cDAQ-9172 八模組機箱與下列適當的模組以便擷取感測器訊號：

3 個 NI 9203 8 通道、±20 mA、16 位元類比輸入模組
1 個 NI 9221 8 通道、12 位元類比輸入模組
1 個 NI 9422 8 通道、24 V 汲極/源極、通道對通道隔離數位輸入模組
3 個備用模組

其中一個重要元件就是 Coriolis 質量流動計 (Mass Flow Meter)。有了這款高準確度的傳感器，即可執行瞬間流動量測，省下不必要又麻煩的重量方法。針對燃油率使用永久的行內量測，我們每次執行引擎測試時都能省下好幾公斤的燃油。Coriolis 流動計的電子介面是 RS485，通訊協定則是 MODBUS RTU。

由於安全限制，人員不得在引擎運作時進入引擎室檢測或調整。因此，為了查看運作中引擎的各面向，我們在引擎室安裝了影像監視系統。此監視系統包含了 PTZ 攝影機，並且透過視訊擷取卡連接至 PTZ 遠端控制與電腦。

Pentium 4 雙核心電腦搭配 2 台 LCD 寬螢幕顯示器、鍵盤、滑鼠、彩色印表機、LAN 變壓器與 TV 調諧器，可控制每個活動。系統會透過 USB 擷取來自 NI CompactDAQ 機箱的資料。此外也是透過 USB 讀取從 Coriolis 質量流動計到 RS485 智慧型轉換器的燃油質量流動率與整體油耗。此系統透過巧妙的 CSMA/CD 配置採用 RS232 通道，進而銜接現有的 COTS 資料擷取系統，此配置不僅模擬乙太網路，同時還搭配舊型的 Pentium 電腦以備不時之需。最後即可顯示並記錄監視影像 (見圖 1 與圖 2)。

軟體建置

為了建置軟體，我們運用了 LabVIEW 既有的平行處理功能，以及新電腦的多核心架構。應用程式可執行下列作業：

透過 NI CompactDAQ 機箱與模組適用的 NI-DAQmx 驅動程式來擷取資料
使用 NI MODBUS 函式庫，即可與 COTS 資料擷取系統及 Coriolis 質量流動計通訊
透過人機介面指示元件與圖形/圖表配置的數字與虛擬指針來顯示數值
自動計算間接參數
將資料自動封存在資料庫
用印表機印出資料 (紙本)
使用 LabVIEW Web Server 加快遠端操作與監控作業

圖 3 為主要虛擬儀器 (VI) 的控制面板。

開發軟體並整合硬體時，NI 羅馬尼亞支援團隊皆透過電話與電子郵件即時提供寶貴的建議。針對系統設定與透過資料擷取模組來持續串流資料等項目，他們也分享了許多最佳實務。

結論

根據這些新功能的經濟效應分析，渦輪噴射引擎測試流程可提供許多好處。其可減少燃油流的量測時間 (選擇 Coriolis 而非重量方法)。瞬間 DAQ 記錄還可降低人力讀取的需求，因為此功能能夠縮短引擎運作時間，而且也可透過即時圖形與監視/偵測來支援除錯並調整引擎執行狀態，進而縮短引擎的調整時間。這些好處可以進一步降低油耗與 CO2 排放量。