技術(shù)頻道

      基于雙機熱備PCC控制方案的航管雷達(ATM)伺服系統(tǒng)

        雙機熱備控制功能,在工業(yè)上有著十分廣泛的應(yīng)用,除化工、冶金及電力等一些重要的過程自動化(PA)控制對象以外,一些重要的機器設(shè)備也同意有著24小時不間斷工作,運行高度可靠,在線維護等要求,航空管制雷達(ATM)就是這樣一種典型的機電設(shè)備,其工作的可靠與否,會直接關(guān)系到所在空域飛機起降的安全,針對航管雷達的這種應(yīng)用特點和要求,我們運用PCC在運算控制及網(wǎng)絡(luò)通信方面的快速性,靈活性,采用兩套互耦的PCC控制器,運用我們開發(fā)的一套驅(qū)動軟件,成功地構(gòu)建了一套小型廉價、高效實用的雙機熱備航管雷達伺服控制系統(tǒng),整個伺服系統(tǒng)具有如下圖所示的對稱式的控制功能構(gòu)成:

        上述系統(tǒng)的主要功能構(gòu)成如下:

        1) 通過CAN總線,控制驅(qū)動雷達天線的7.5kw的方位電機的啟、停、正、反及調(diào)速轉(zhuǎn)動,同時實時監(jiān)測方位電機的轉(zhuǎn)速、電流、溫升及故障報警信息。

        2) 通過CAN總線,控制0.75kw的方位潤滑泵油電機的啟、停及調(diào)速轉(zhuǎn)動,同時實時監(jiān)測泵油電機的轉(zhuǎn)速、電流、溫升及故障報警信息。

        3) 控制極化電機的運動,實現(xiàn)天線饋源的圓極化和線極化。

        4) 監(jiān)控雷達伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、油壓油溫和其他機械信息與狀態(tài),并實現(xiàn)控制。

        出于冗余熱備的設(shè)計考慮,上述所有機電設(shè)備均為2套,在機械結(jié)構(gòu)布置上大體呈對稱化布局,他們作為相互冗余熱備的兩部分,構(gòu)成了整個航管雷達伺服系統(tǒng)不可分割的整體結(jié)構(gòu),實際運行時,系統(tǒng)軟件運用一定的策略,選取其中的一半作為主控單元,另一半則自動成為主控單元的備用單元,與一般的備用不同的是,備用的部分被稱為“熱備”,即工作時處于上電狀態(tài),功能上為準備狀態(tài),即當系統(tǒng)主控系統(tǒng)發(fā)生故障,控制將中斷時,熱備系統(tǒng)會自動切入控制,接管原主控系統(tǒng)的控制角色。上述控制系統(tǒng)中,除了具有兩套對稱布局的PCC以外,還配備了機旁監(jiān)控用的一塊觸摸屏PowerPanel,用于實時監(jiān)測系統(tǒng)的所有工作信息,并可實現(xiàn)兩套PCC的主備機控制切換操作。同時,借助系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)-以太網(wǎng),網(wǎng)上的另一臺管理計算機也可以檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)和進行主備機遠程切換。

      1. 硬件的耦合實現(xiàn)

        兩套對稱布局的PCC是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵與核心,其相互間的軟、硬件耦合關(guān)系的實現(xiàn)則是保證雙機熱備控制功能的技術(shù)核心,如下圖所示的結(jié)構(gòu):

        按上圖所示,相互耦合的兩套PCC中具有下列功能要素:

        主備選擇開關(guān):作為對主備功能選擇的硬件手段,該開關(guān)具有最大的選擇設(shè)置權(quán)限,當系統(tǒng)上電時,雙機熱備軟件會根據(jù)該開關(guān)的選擇狀態(tài),設(shè)置相應(yīng)的PCC為主控單元,另一套PCC則進入“熱備”備機工作狀態(tài)。

        程序同步按鈕:該按鈕用于在裝載雙機熱備軟件時控制主備控制器之間的同步裝載,當按動該按鈕時,該控制器內(nèi)的控制軟件可借助同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)耦合自動傳送到另一套控制器單元上,這對于系統(tǒng)軟件的維護是一個至關(guān)重要的功能。

        LifeGuard(生命守護)信號:該信號在主備控制系統(tǒng)之間的輸入輸出通道間交叉連接著,通過該信號,備用的控制系統(tǒng)得以隨時監(jiān)控到主控PCC的運行狀態(tài),據(jù)此,在主控PCC癱瘓時,備用PCC會自動無擾動地切換為主控單元,接管原來主控PCC的軟件運行。

        HeartBeat(心跳)信號:該信號在主備控制系統(tǒng)之間的輸入輸出通道間交叉連接著,據(jù)此,主控PCC在其程序運行過程中,按照固定的心跳節(jié)律,指揮備用PCC的軟件運行節(jié)奏,以確保主備系統(tǒng)軟件運行狀態(tài)的一致,這一信號的傳遞,是確保系統(tǒng)兩套PCC在主備關(guān)系切換時無擾動的必要條件。

        SyncData(同步數(shù)據(jù))網(wǎng)絡(luò)耦合:該信號通過工業(yè)以太網(wǎng)或高速率的串口,連接在兩套PCC之間,實現(xiàn)主控PCC將其運行的中間級輸出數(shù)據(jù)同步熱備份到備用的PCC之上,這一信號的傳遞,是確保系統(tǒng)兩套PCC在主備關(guān)系切換時無擾動的另一個必要條件。

        上位管理網(wǎng)絡(luò)的鏈接:該連接以工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn),是兩套控制系統(tǒng)連接上位監(jiān)控觸摸屏或管控計算機的網(wǎng)路。

        輸入輸出信號:該部分與常規(guī)的非雙機熱備控制系統(tǒng)一樣,由航管雷達設(shè)備上各種傳感器與執(zhí)行單元構(gòu)成,也可以以CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的方式接入。與常規(guī)系統(tǒng)不同的是,從雙機熱備系統(tǒng)功能架構(gòu)考慮,所有這些信號均設(shè)計了互為冗余兩套,平行接入互為主備的兩套PCC控制系統(tǒng)中。

      2. 雙機熱備控制軟件的實現(xiàn)

        本系統(tǒng)軟件的核心功能是實現(xiàn)兩套互為熱備的控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管控,以確保系統(tǒng)對外的控制功能具有在線熱備的功能,概括起來,軟件設(shè)計需要滿足如下功能特點:

        1) 高速性;系統(tǒng)軟件必須滿足高速運行,對外實現(xiàn)精準的數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集與控制,并在主控單元崩潰失效以后,以較短的時間,完成主備用PCC的自動切換。

        2) 同步性:兩套互為主備的PCC控制系統(tǒng)必須保持相互運行的同步性要求,并在主備角色切換時,確保對硬件設(shè)備的輸出控制平滑無擾動,這一點,單純從完全對稱的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計是無法保證的,必須做出針對性的軟件任務(wù)調(diào)度設(shè)計和數(shù)據(jù)同步方面的處理。這也是整個系統(tǒng)軟件的核心所在。

        3) 對稱性:本系統(tǒng)設(shè)計不僅需要實現(xiàn)硬件方面的對稱性,而且需要實現(xiàn)純粹的軟件對稱、同一性,即兩套PCC內(nèi)部軟件必須是完全一樣的。這是在系統(tǒng)時間投運后,用戶得以正常進行日常軟硬件維護工作的客戶要求。

        4) 開放性:本系統(tǒng)需要通過標準的工業(yè)以太網(wǎng)接口,與管控計算機觸摸屏聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)航管雷達上位管控計算機對伺服控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

        依照上述原理要求,以下是我們設(shè)計的雙機熱備軟件數(shù)據(jù)同步與任務(wù)調(diào)度的流程原理示意圖:

        依照上述流程設(shè)計,本雙機熱備軟件的數(shù)據(jù)同步與任務(wù)調(diào)度的精確時序可表述如下圖所示:

      3. 后記

        上述采用兩套PCC的雙機熱備應(yīng)用系統(tǒng),打破了工業(yè)領(lǐng)域里習慣性的雙機熱備的“超豪華”軟硬件設(shè)計架構(gòu),以低廉、經(jīng)濟的方案實現(xiàn)了小型、實用的應(yīng)用要求,系統(tǒng)目前已成功裝備在我國東北、華北的多個民用、軍用機場的航管雷達網(wǎng)絡(luò)中,歷時數(shù)年,部分替代了目前市場上占主導地位的歐美發(fā)達國家進口航管雷達產(chǎn)品,以可靠、穩(wěn)定、維護方便的優(yōu)異表現(xiàn),贏得了客戶的一致好評,展現(xiàn)了良好的市場前景,目前正處于國內(nèi)推廣階段。

      參考文獻

        1. 《加固增強型控制器產(chǎn)品選型手冊》 上海英碩自動化科技有限公司

        2. 《PCC雙機熱備軟件說明書》 上海英碩自動化科技有限公司

        3. 《可編程計算機控制器技術(shù)》 齊蓉 肖維榮

        4. 《ALENIA航管雷達維修經(jīng)驗介紹》 民航西南局四川省局

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