綜合發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)

1、綜合發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng) 綜合發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)用于燃?xì)廨啓C(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)G F Tanner - 控制系統(tǒng)部，勞斯 萊斯公司 J A Crawford C E “ ? M IEEMRI - 預(yù)測服務(wù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)與解決方案 G F Tanner 經(jīng)理，特倫特 900 發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 勞斯萊斯公司 德比 DE24 8BJ 英國 +44 （ 0） 1332 247862 （辦公室） graham.tannerrolls- SIN C-3 PO BOX 31 J Crawford CEng MlEE MRI 技術(shù)開發(fā)經(jīng)理 預(yù)測服務(wù)業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)系統(tǒng)與解決方案 德比 DE24 8BJ 英國 t44 （ 0）

2、1332 777509 （辦公室） +44 （ 0） 7967 000323 （手機(jī)） jack.crawfordds-scorn 1 介紹 勞斯萊斯已經(jīng)開始了一項(xiàng)戰(zhàn)略，將綜合的健康監(jiān)測能力納入其燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品 和服務(wù)。受益于這種能力的第一架飛機(jī)將是特倫特900動(dòng)力空客A380。本文介紹了啟動(dòng)這 一戰(zhàn)略的項(xiàng)目及其旨在提供的全面服務(wù)。它概述了項(xiàng)目開始時(shí)考慮的一些業(yè)務(wù)案例問題， 以及反映在項(xiàng)目期間應(yīng)計(jì)的預(yù)期財(cái)務(wù)收益的成本模式。 本文中的大部分內(nèi)容用于描述用于執(zhí)行實(shí)時(shí)參數(shù)分析和異常檢測的引擎監(jiān)控系統(tǒng)。該 系統(tǒng)的輸出可以傳遞到地面計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行進(jìn)一步分析，以預(yù)測，分類和定位發(fā)展中的發(fā) 動(dòng)機(jī)故障和

3、異常情況。 發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的計(jì)算資源的最佳組合是技術(shù)解決方案的關(guān)鍵，該解決方案提供 了降低發(fā)動(dòng)機(jī)過載壽命運(yùn)行和維護(hù)成本的成本效益的手段。因此，本文的后半部分描述了 這些現(xiàn)場資源如何整合到整體引擎健康監(jiān)測（ EHM）過程中，以及對總體 EHM功能劃分的 方法。 數(shù)據(jù)系統(tǒng)和解決方案（ DS S ）專門從事燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析和解釋，為全 球發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和飛機(jī)運(yùn)營商提供廣泛的 EHM服務(wù)。DS & S正在與勞斯萊斯密切合作， 最大限度地發(fā)揮這種整合發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測方法的有效性。 2 EHM 業(yè)務(wù)案例概述 為了證明將EHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)成新的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品所需的開發(fā)成本不算太大，對下游經(jīng)濟(jì) 效益預(yù)測進(jìn)行了

4、詳細(xì)的分析。這種分析集中在使用預(yù)期的EHM系統(tǒng)造成的成本節(jié)約的兩個(gè) 主要領(lǐng)域： 1. 通過避免“驚喜”失敗，減少在職業(yè)務(wù)中斷。 2. 由于更多的在役知識和故障識別而導(dǎo)致的改進(jìn)的維護(hù)過程，導(dǎo)致更具選擇性和成 本效益的引擎條帶程序和零件更換。 對于項(xiàng)目 1，結(jié)合能夠檢測初始故障的系統(tǒng)的潛在好處，如果允許其完全發(fā)展，則可 以容易地顯示發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重大操作中斷和可能的昂貴的二次損壞。然而，添加任何復(fù)雜 的電子設(shè)備將在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)的基本可靠性。 通過對工程設(shè)計(jì)的仔細(xì)關(guān)注，并確保附加組件不具有發(fā)貨關(guān)鍵性，已經(jīng)表明，其優(yōu)點(diǎn) 將很快超過這種小的可靠性損失。 通過兩種方式對失效防范分析進(jìn)行了比較，以預(yù)測

5、效果： a ）研究了類似燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的在役車隊(duì)數(shù)據(jù)，以評估如果存在EHM系統(tǒng)，可能會避 免或顯著降低的實(shí)際故障和相關(guān)維護(hù)成本。 b ）審查了類似設(shè)計(jì)的在役燃?xì)廨啓C(jī)的故障模式效應(yīng)分析（FMEA），以評估可以通 過EHM功能預(yù)測性檢測的那些故障，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊猱a(chǎn)生的結(jié)果。 對 a ）的在役車隊(duì)數(shù)據(jù)的研究表明，假設(shè)新發(fā)動(dòng)機(jī)類型將對現(xiàn)有產(chǎn)品展現(xiàn)出類似的故 障特征，將舒適地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)車隊(duì)銷售情況的財(cái)務(wù)盈虧平衡點(diǎn)。 福布）大約百分之二十的 FMEA列出的失敗可能潛在地被預(yù)測；然而，很難將這些信 息與成本基準(zhǔn)所需的維護(hù)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。 因此方法 a ）用于效益分析。 對于項(xiàng)目 2，維護(hù)收益分析主要是根

6、據(jù)某些機(jī)械故障導(dǎo)致的主要次級損害的避免進(jìn)行 評估。這表明如果只能避免幾個(gè)重大的失敗發(fā)生，那么會產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的好處。3 EHM系統(tǒng)概 念 應(yīng)用于 Trent 900 / A380 程序的總體和關(guān)閉引擎系統(tǒng)如圖 3.1-1 所示，顯示了關(guān)鍵 數(shù)據(jù)流路徑。 3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 特倫特900發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)控制和監(jiān)控系統(tǒng)（ECMS）的子系統(tǒng)，由一個(gè)電 子發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元（EMU）組成，其中包含安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇箱上的相關(guān)換能器，以實(shí)現(xiàn) 最佳的系統(tǒng)性能。 EMU 內(nèi)的計(jì)算資源和發(fā)動(dòng)機(jī)上相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測傳感器的緊密接近，提供捕獲和處理高帶 寬信號的能力，而不受限制 01有限的數(shù)字傳輸速率，長時(shí)間運(yùn)行的電纜重要性

7、以及暴露 于電氣輻射和雷電威脅。它還允許車載系統(tǒng)中的健康監(jiān)測檢測限制適應(yīng)單個(gè)引擎，以便解 決正常的降級和性能偏差，從而減少假警報(bào)。在將動(dòng)力單元作為發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分的同時(shí)， 避免了發(fā)動(dòng)機(jī)從其健康狀態(tài)“記憶”中被移除，更換或以其他方式分離時(shí)出現(xiàn)的后勤問題。 EMU 包含兩個(gè)處理模塊，如圖 3.1-2 所示。信號處理模塊輸入模擬信號，并進(jìn)行頻域 變換。主處理模塊使用頻域數(shù)據(jù)并執(zhí)行各種EHM算法。 3.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)輸入 EMU 在內(nèi)部計(jì)算資源中占用了下列引擎輸入： 專用傳感器 以下?lián)Q能器直接連接到動(dòng)車組 雙通道加速度計(jì) 該發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的振動(dòng)傳感器提供的加速度計(jì)輸入類似于以前的 Trent 發(fā)動(dòng)機(jī)所使

8、用的 輸入，它們沒有采用完整的 EHM功能。 氣壓攻絲（ P25，P50，P160） 這些發(fā)動(dòng)機(jī)氣體路徑壓力不需要用于控制目的，但有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測。因此認(rèn)為 將壓力直接輸送到含有適當(dāng)?shù)膲毫鞲衅鞯腅MU中是適當(dāng)?shù)?。除了靜態(tài)壓力測量之外，通 過使用高分辨率A-D來取樣要采集的信號，在 EMU中提供了提取動(dòng)態(tài)信息的可能性。 電磁芯片檢測器（ EMCD） EMCD 用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)監(jiān)測，可以獲得產(chǎn)生金屬碎屑進(jìn)入油系統(tǒng)的機(jī)械故障早期 警告?？梢栽?Trent 900 上采用更先進(jìn)的系統(tǒng)，作為可以推導(dǎo)出碎片大小和粒子數(shù)的后續(xù) 介紹。 控制系統(tǒng)輸入 控制系統(tǒng)以模擬和數(shù)字形式輸入監(jiān)控系統(tǒng)。從發(fā)動(dòng)機(jī)電子

9、控制器（ EEC ）接收以下模 擬輸入： 軸速度傳感器信號，用于精確的振動(dòng)分析。 動(dòng)態(tài)分析模擬發(fā)動(dòng)機(jī)壓力信號 以下數(shù)字輸入通過 CANBus從EEC采集，并分為以下類型： 飛機(jī)采購數(shù)據(jù)（如世界時(shí)間） 發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)（例如氣體路徑溫度） 發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)（如控制中的 EEC 車道） EEC BITE 數(shù)據(jù) 3.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能 嵌入在車載監(jiān)控系統(tǒng)中的典型功能包括： 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測報(bào)告 該功能提供駕駛艙顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測，以滿足一汽W 25的要求。該功能還滿足 飛機(jī)對駕駛艙咨詢顯示的要求，并提供振動(dòng)超越事件的維護(hù)信息。 油泥監(jiān)測（ EMCD） 該功能用于通過監(jiān)控主機(jī)油系統(tǒng)來檢測機(jī)械故障的早期階

10、段，目的是檢測發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪， 軸承或其他機(jī)械退化，通過感測夾帶在油中的鐵質(zhì)顆粒。適當(dāng)?shù)木S護(hù)警告提供以確定必要 的維護(hù)行動(dòng)。 風(fēng)扇平衡監(jiān)控 該功能可以在不需要專用的發(fā)動(dòng)機(jī)地面運(yùn)行的情況下啟用風(fēng)扇（重新）平衡。風(fēng)扇平 衡命令的維護(hù)界面是通過飛機(jī)維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行的。 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障或新穎性檢測 該功能將檢測發(fā)動(dòng)機(jī)事件和良性故障，這些故障可能不會立即對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生明顯的物 理或功能損害，但最終可能導(dǎo)致部件故障和下次計(jì)劃維護(hù)期間或車間訪問之間的運(yùn)行中斷。 這個(gè)功能預(yù)測檢測的典型故障是： 軸承故障 物理損壞旋轉(zhuǎn)部件 鼓中的液體（例如油） 密封擦 發(fā)動(dòng)機(jī) / EEC 事件 / 事件監(jiān)控 為了方便詳細(xì)的機(jī)翼分析，當(dāng)運(yùn)

11、行的發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下功能時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將捕獲并記錄 相關(guān)數(shù)據(jù)： A 、機(jī)械超越（例如轉(zhuǎn)速） b. 發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)事件（例如浪涌，） C. 顯著的控制系統(tǒng)故障（例如電子通道故障，執(zhí)行器故障等） 3.1.3 監(jiān)控系統(tǒng)輸出 EMU 功能輸出將作為 CANbus 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流生成，傳輸給 EEC ，以便與飛機(jī)進(jìn)行通信。 輸出分組為： 駕駛艙振動(dòng)跟蹤訂單 監(jiān)控系統(tǒng)壓力（ P25，P160， P50） 電子磁芯檢測器警報(bào) 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測報(bào)告 EEC / 引擎事件數(shù)據(jù) 用于在飛機(jī)下水道系統(tǒng)上存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)的連續(xù)數(shù)據(jù)流（見下文） 3.1.4 動(dòng)車組物理特性 EMU 是由 Meggitt plc 集團(tuán)的一部分 Vibro

12、-Meter SA 設(shè)計(jì)和制造的獨(dú)立單元。電子 電路安裝在適合安裝在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇箱上的堅(jiān)固的箱子中。振動(dòng)隔離安裝座用于屏蔽 電子設(shè)備，避免航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇箱側(cè)面受到潛在的破壞性震動(dòng)。 該單元由流過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙區(qū)域的空氣自然冷卻，并且不被電氣密封以適應(yīng)大氣壓力變 化。 EMU 箱最多可容納 3個(gè)電路板和一個(gè)內(nèi)部電源，可轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié) 115v AC 的飛機(jī)。它 還包含三個(gè)壓力傳感器，允許管道輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力被監(jiān)測和處理以進(jìn)行進(jìn)一步的地面分 析。 3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能和振動(dòng)數(shù)據(jù)量都非常大，由EMU在每次飛行中不斷獲得。動(dòng)力單元的處理 能力足以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能所需的復(fù)雜分析。然而，當(dāng)孤立

13、執(zhí)行時(shí)，這種分析不能 利用所有其他發(fā)動(dòng)機(jī)的累積經(jīng)驗(yàn)和其他地面系統(tǒng)可獲得的附加信息。 在典型的遠(yuǎn)程飛行中，可以預(yù)期四發(fā)機(jī)可以累積幾千兆字節(jié)的未壓縮數(shù)據(jù)?？捎糜趥?輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的機(jī)載通信系統(tǒng)既沒有帶寬，也沒有能力使得來自每個(gè)飛機(jī)的所有引擎數(shù)據(jù)能 夠被 中繼到飛行中的地面。類似地，通過將數(shù)據(jù)從地面?zhèn)鬏數(shù)娇罩?，維持每個(gè)EMU的存儲 器中不斷更新的艦隊(duì)歷史是不可行的。不管技術(shù)上的限制，目前的定價(jià)結(jié)構(gòu)表明，成本將 在任何一個(gè)方向都是禁止的。 利用勞斯萊斯專有的新技術(shù)， EMU的車載處理能力同時(shí)最大限度地提高了信息內(nèi)容， 并將帶寬降至最低，達(dá)到空對地傳輸?shù)目尚行?。在?shí)地，數(shù)據(jù)系統(tǒng)和解決方案采用專有的 數(shù)據(jù)融合

14、技術(shù)，并提供預(yù)測分析服務(wù)，顯著增強(qiáng)機(jī)載系統(tǒng)的功能。 在平臺和車外算法計(jì)算之間取得平衡對于靈活，可管理和響應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀況監(jiān)測服務(wù) 至關(guān)重要。 3.2.1 數(shù)據(jù)流范例 發(fā)動(dòng)機(jī)控制和監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測溫度，壓力和速度，以便為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測（EHM） 性能分析制定起飛，爬升和巡航數(shù)據(jù)樣本。這些作為常規(guī)VHF ACARS消息傳輸?shù)降孛妫l(fā) 動(dòng)機(jī)和油系統(tǒng)事件警告和警報(bào)也是如此。 DS S 收到這些消息，并提供有關(guān)引擎狀況和 性能趨勢的報(bào)告。在這方面，ECMS繼續(xù)經(jīng)過勞斯萊斯公司開發(fā)的經(jīng)過試驗(yàn)和測試的發(fā)動(dòng) 機(jī)健康監(jiān)測方法，目前由 DS S 聘請監(jiān)測燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)車隊(duì)。 除了傳統(tǒng)的EHM功能，Trent 900

15、的EMU通過引入顯著提高的預(yù)測分析能力來監(jiān)測旋 轉(zhuǎn)部件的狀況，開創(chuàng)了新的領(lǐng)域。 A380 航空電子系統(tǒng)包括具有專用容量的文件服務(wù)器，用于存儲引擎數(shù)據(jù)。EMU 通過 在每個(gè)飛行中持續(xù)存儲相關(guān)分析數(shù)據(jù)，充分利用可用容量。在飛機(jī)服務(wù)器上采用循環(huán)FIFO 存儲過程，如果需要，來自當(dāng)前航班和前幾航班的累積數(shù)據(jù)總是可用于隨后的離線分析。 板載預(yù)測分析的輸出是一系列可配置的“特征檢測器”，用于報(bào)告數(shù)據(jù)中可識別的條 件。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和飛行試驗(yàn)期間，“特征”已被確定為值得注意?？膳渲玫拈撝导墑e決 定生成報(bào)告的點(diǎn)。這些可以在早期部署過程中進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化檢測過程。 特征檢測器操作使得特定的機(jī)械故障模式觸發(fā)特征檢測

16、器輸出的特定組合。當(dāng)觸發(fā)一 個(gè)或多個(gè)特征檢測器時(shí)，將所有特征檢測器輸出的圖案與正常操作的累積背景和對應(yīng)于已 知缺陷模式的圖案的知識庫進(jìn)行比較。如果識別出特征檢測模式，則可以進(jìn)行診斷并且接 近實(shí)時(shí)地發(fā)起動(dòng)作。無法識別的模式啟動(dòng)了一項(xiàng)詳細(xì)調(diào)查，涉及飛機(jī)服務(wù)器上整個(gè)飛行中 存儲的數(shù)據(jù)的離線分析，以及羅爾斯羅伊斯工程師的專家意見。然后將調(diào)查結(jié)果應(yīng)用于 知識庫，以便將來的實(shí)例將被自動(dòng)識別。 顯然，在發(fā)動(dòng)機(jī)上本地執(zhí)行高帶寬數(shù)據(jù)的分析是適當(dāng)?shù)摹Ｍ瑯拥?，?yōu)選地維護(hù)和更新 來 自相同類型的所有引擎的特征模式的單個(gè)知識庫，每個(gè)檢測到的事件可被引用到該基 礎(chǔ)。 EMU 特征檢測器的輸出在分析過程中形成了一個(gè)方便的斷

17、點(diǎn)。此時(shí)，嵌入式信息被 充分地壓縮，以允許通過窄帶通信系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妗亩惯@兩個(gè)功能實(shí)現(xiàn)物理分離。 如圖 3.2-1 所示 3.2.2 空對地?cái)?shù)據(jù)傳輸 目前的經(jīng)驗(yàn)表明，約 85的報(bào)告預(yù)測“特征”將從入門知識數(shù)據(jù)庫中識別出來。隨著 進(jìn)一步的知識獲取，這個(gè)數(shù)字將會增加。這些事件可以通過由DS S 運(yùn)營和維護(hù)的自動(dòng) 化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，診斷和報(bào)告。 在未被識別的事件中，通過詳細(xì)檢查事件之前存儲的大量數(shù)據(jù)的樣本，可以看出相當(dāng) 大的比例。當(dāng)前的技術(shù)使存儲數(shù)據(jù)的潛在有用的時(shí)段被壓縮成幾兆字節(jié)，但是這太大了， 無法利用用于EMU消息的窄帶VHF數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)主機(jī)提供對寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的訪 問時(shí)，可以在飛

18、行中發(fā)送數(shù)據(jù)樣本。由于這些事件可能不頻繁，飛行中相對較高的傳輸成 本可能通過全自動(dòng)化過程的更大的便利性和可靠性來證明。在寬帶鏈路不可用的情況下， 或離線分析需要更大數(shù)量的數(shù)據(jù)的情況下，存儲的數(shù)據(jù)可以在登陸后從文件服務(wù)器手動(dòng)下 載。 可能需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析的事件也需要專家知識持有人的意見，而這些知識 不一定會立即被訪問。在這種情況下，盡管不必要的延遲應(yīng)該避免，但實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并不 是必須的。隨著越來越多的主要機(jī)場安裝寬帶無線局域網(wǎng)（WLAN）連接，在登陸后到達(dá) 門口時(shí)自動(dòng)下載所有存儲的數(shù)據(jù)將變得可行。 圖3.2-2顯示了 EMU數(shù)據(jù)的空對地繼電器的傳輸路由，相對帶寬要求由互連箭頭的寬 度表示。 3.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)狀況監(jiān)測 在 DS S ，由事件或異常運(yùn)行條件觸發(fā)的常規(guī)性能報(bào)告和報(bào)告與特定于單個(gè)引擎或 與整個(gè)車隊(duì)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)融合在一起。使用自動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來檢查結(jié)果，以評估發(fā)動(dòng) 機(jī)的現(xiàn)狀。此外，參數(shù)趨勢和貝葉斯統(tǒng)計(jì)分析能夠預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的未來狀況。結(jié)果通過互聯(lián) 網(wǎng)鏈接以易于同化的形式呈現(xiàn)給最終用戶，以保護(hù)可以配置為匹配其特定數(shù)據(jù)要求的網(wǎng)頁。 圖3.2-3描述了裝