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與系統落后的矛盾，本文綜合應用當前流行的新技術手段，設計出一種軟硬件有機結合的實驗室教學系統。使該系統具有現實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，包括手自動加油、手自動輸油、應急放油等操作過程；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，學員可利用本系統進行模擬故障流程；實時監控和記錄學員的培訓過程，可供隨后的分析和評價。

該實驗室系統主要用于實驗室內培訓，學員通過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際操控邏輯進行設計，采用實物操作與軟件操作相結合的設計理念，開發過程以硬件搭建與軟件開發相結合。該裝置采用C#與組態王搭建出人機界面與演示畫面，采用PLC技術實現各器件的電氣邏輯控制，采用原理仿真技術實現了電路板對物理器件故障的仿真，采用CAN總線實現教員控制臺、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數據庫中。

CAN總線是一種支持分布式實時控制的串行現場總線。優點明顯，適合實驗室系統應用，節點數多，其總線接口節點數可以達到110個；多主總線工作方式，任何一個節點都可以作為主節點；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RS-485轉換器。使用雙絞線傳輸數據，受外界干擾相同，因此可以利用接收器的高共模抑制特點，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有：供油分系統、輸油控制分系統、動力燃油分系統、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

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

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，該系統可以實現燃油系統故障的模擬與再現。通過該系統的使用，可以對燃油系統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的故障分析及診斷處理。

2  硬件組成

硬件系統是實驗系統的基礎，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、數據庫服務器組成。該體系基于CAN總線的局域網，實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總線上。

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

PLC采用的西門子S7 300 CPU 317-2 PN/DP，其優點相當明顯，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，實現燃油系統控制關系的仿真及電氣故障設置，使響應時間減少，開關量的控制更加準確。

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，是現實飛機座艙內關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；各組件的狀態控制；各開關指令的傳輸與控制；接收到教員控制臺指令后做出相應故障現象；學員可以通過手動操作實現測試與維修。

2.3 仿真單體

內部硬件仿真體系結構與現實系統一致，并且其對外接口可以與現實裝備連接，實現互操作。仿真單體具有軟件網絡與硬件網絡兩方面的功能：軟件方面，實現了狀態信息的接收、處理、執行、發送等任務，為用戶提供方面的控制接口；硬件方面互聯與實際系統一致，實現故障模擬、接口狀態的設置、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，同時也是仿真系統的核心。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總線控制器、82C250 CAN收發器組成。82C250 CAN總線收發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，實現熱防護等。

軟件主要實現單片機與CAN總線控制器之間的通信，如初始化、發送、取消發送、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，與現實接口完全相同，可以實現各種參數的直接測量。

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

該系統的上位機軟件主要由三部分組成：教員端、學員端、數據庫。

結構如圖3所示，教員登錄后獲得高權限，除了具有學員的全部權限外，還可以進行標準故障案例的生成、數據庫的維護、各種參數的設定、學員賬號的管理、學員成績的評估等。

圖 3  軟件體系結構

學員登錄獲得低權限，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

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

功能如圖4所示，主要由故障設置與排除、數據庫管理與維護、標準排故流程、系統設置，四部分組成。

5 應用與結論

為了能夠清晰有效地演示各子系統的原理，更準確的表示出故障發生后產生的一系列現象。本系統采用的是組態王分別制作各子系統的演示畫面。其中輸油分系統組態演示畫面如下圖所示：

圖 5  輸油分系統組態畫面