曹虹（1967-）

    男，工學(xué)碩士，1996年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機電控制專(zhuān)業(yè)，研究方向為機電一體化；1996年~2002年任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司技術(shù)主管，2002年至今任上海英碩自動(dòng)化科技有限公司總經(jīng)理。



    雙機熱備控制功能，在工業(yè)上有著(zhù)十分廣泛的應用。除化工、冶金及電力等一些重要的過(guò)程自動(dòng)化（PA）控制對象以外，一些重要的機器設備也同樣有著(zhù)24小時(shí)不間斷工作，運行高度可靠，在線(xiàn)維護等要求，航空管制雷達（ATM）就是這樣一種典型的機電設備，其工作的可靠與否，會(huì )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用特點(diǎn)和要求，筆者運用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，運用筆者開(kāi)發(fā)的一套驅動(dòng)軟件，成功地構建了一套小型廉價(jià)、高效實(shí)用的雙機熱備航管雷達伺服控制系統，整個(gè)伺服系統具有如圖1所示的對稱(chēng)式的控制功能構成。

              

                          圖1  對稱(chēng)式控制功能構成圖

    上述系統的主要功能構成如下：

    （1）通過(guò)CAN總線(xiàn)，控制驅動(dòng)雷達天線(xiàn)的7.5kW的方位電機的啟、停、正、反及調速轉動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)監測方位電機的轉速、電流、溫升及故障報警信息。

    （2）通過(guò)CAN總線(xiàn)，控制0.75kW的方位潤滑泵油電機的啟、停及調速轉動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)監測泵油電機的轉速、電流、溫升及故障報警信息。

    （3）控制極化電機的運動(dòng)，實(shí)現天線(xiàn)饋源的圓極化和線(xiàn)極化。

    （4）監控雷達伺服系統的轉速、油壓油溫和其他機械信息與狀態(tài)，并實(shí)現控制。

    出于冗余熱備的設計考慮，上述所有機電設備均為2套，在機械結構布置上大體呈對稱(chēng)化布局，他們作為相互冗余熱備的兩部分，構成了整個(gè)航管雷達伺服系統不可分割的整體結構。實(shí)際運行時(shí)，系統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(dòng)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(chēng)為“熱備”，即工作時(shí)處于上電狀態(tài)，功能上為準備狀態(tài)，即當系統主控系統發(fā)生故障，控制將中斷時(shí)，熱備系統會(huì )自動(dòng)切入控制，接管原主控系統的控制角色。上述控制系統中，除了具有兩套對稱(chēng)布局的PCC以外，還配備了機旁監控用的一塊觸摸屏PowerPanel，用于實(shí)時(shí)監測系統的所有工作信息，并可實(shí)現兩套PCC的主備機控制切換操作。同時(shí)，借助系統的主干網(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的工作狀態(tài)和進(jìn)行主備機遠程切換。

    1 硬件的耦合實(shí)現

    兩套對稱(chēng)布局的PCC是整個(gè)系統的關(guān)鍵與核心，其相互間的軟、硬件耦合關(guān)系的實(shí)現則是保證雙機熱備控制功能的技術(shù)核心，如圖2所示的結構。

              

                            圖2  兩套對稱(chēng)的PCC系統

    相互耦合的兩套PCC中具有下列功能要素：

    主備選擇開(kāi)關(guān)：作為對主備功能選擇的硬件手段，該開(kāi)關(guān)具有最大的選擇設置權限，當系統上電時(shí)，雙機熱備軟件會(huì )根據該開(kāi)關(guān)的選擇狀態(tài)，設置相應的PCC為主控單元，另一套PCC則進(jìn)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(shí)控制主備控制器之間的同步裝載，當按動(dòng)該按鈕時(shí)，該控制器內的控制軟件可借助同步數據網(wǎng)絡(luò )耦合自動(dòng)傳送到另一套控制器單元上，這對于系統軟件的維護是一個(gè)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之間的輸入輸出通道間交叉連接著(zhù)，通過(guò)該信號，備用的控制系統得以隨時(shí)監控到主控PCC的運行狀態(tài)，據此，在主控PCC癱瘓時(shí)，備用PCC會(huì )自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)地切換為主控單元，接管原來(lái)主控PCC的軟件運行。

    HeartBeat（心跳）信號：該信號在主備控制系統之間的輸入輸出通道間交叉連接著(zhù)，據此，主控PCC在其程序運行過(guò)程中，按照固定的心跳節律，指揮備用PCC的軟件運行節奏，以確保主備系統軟件運行狀態(tài)的一致，這一信號的傳遞，是確保系統兩套PCC在主備關(guān)系切換時(shí)無(wú)擾動(dòng)的必要條件。

    SyncData（同步數據）網(wǎng)絡(luò )耦合：該信號通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或高速率的串口，連接在兩套PCC之間，實(shí)現主控PCC將其運行的中間級輸出數據同步熱備份到備用的PCC之上，這一信號的傳遞，是確保系統兩套PCC在主備關(guān)系切換時(shí)無(wú)擾動(dòng)的另一個(gè)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(shí)現，是兩套控制系統連接上位監控觸摸屏或管控計算機的網(wǎng)路。

    輸入輸出信號：該部分與常規的非雙機熱備控制系統一樣，由航管雷達設備上各種傳感器與執行單元構成，也可以以CAN現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的方式接入。

    與常規系統不同的是，從雙機熱備系統功能架構考慮，所有這些信號均設計了互為冗余兩套，平行接入互為主備的兩套PCC控制系統中。
 
    2 雙機熱備控制軟件的實(shí)現

    本系統軟件的核心功能是實(shí)現兩套互為熱備的控制系統的協(xié)調管控，以確保系統對外的控制功能具有在線(xiàn)熱備的功能，概括起來(lái)，軟件設計需要滿(mǎn)足如下功能特點(diǎn)：

    （1）高速性：系統軟件必須滿(mǎn)足高速運行，對外實(shí)現精準的數據、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(shí)間，完成主備用PCC的自動(dòng)切換。

    （2）同步性：兩套互為主備的PCC控制系統必須保持相互運行的同步性要求，并在主備角色切換時(shí)，確保對硬件設備的輸出控制平滑無(wú)擾動(dòng)，這一點(diǎn)，單純從完全對稱(chēng)的硬件結構設計是無(wú)法保證的，必須做出針對性的軟件任務(wù)調度設計和數據同步方面的處理。這也是整個(gè)系統軟件的核心所在。

    （3）對稱(chēng)性：本系統設計不僅需要實(shí)現硬件方面的對稱(chēng)性，而且需要實(shí)現純粹的軟件對稱(chēng)、同一性，即兩套PCC內部軟件必須是完全一樣的。這是在系統時(shí)間投運后，用戶(hù)得以正常進(jìn)行日常軟硬件維護工作的客戶(hù)要求。

    （4）開(kāi)放性：本系統需要通過(guò)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(shí)現航管雷達上位管控計算機對伺服控制系統的實(shí)時(shí)監控。

    依照上述原理要求，以下是筆者設計的雙機熱備軟件數據同步與任務(wù)調度的流程原理示意圖。如圖3所示。

             

                圖3  雙機熱備軟件數據同步與任務(wù)調度的流程原理示意圖

    依照上述流程設計，本雙機熱備軟件的數據同步與任務(wù)調度的精確時(shí)序可表述如圖4所示。

             

                  圖4   數據同步與任務(wù)調度的精確時(shí)序圖

    結語(yǔ)

    上述采用兩套PCC的雙機熱備應用系統，打破了工業(yè)領(lǐng)域里習慣性的雙機熱備的“超豪華”軟硬件設計架構，以低廉、經(jīng)濟的方案實(shí)現了小型、實(shí)用的應用要求。系統目前已成功裝備在我國東北、華北的多個(gè)民用、軍用機場(chǎng)的航管雷達網(wǎng)絡(luò )中，歷時(shí)數年，部分替代了目前市場(chǎng)上占主導地位的歐美發(fā)達國家進(jìn)口航管雷達產(chǎn)品，以可靠、穩定、維護方便的優(yōu)異表現，贏(yíng)得了客戶(hù)的一致好評，展現了良好的市場(chǎng)前景，目前正處于國內推廣階段。

    其他作者：吳影生（1978-），男，2004年畢業(yè)于東南大學(xué)電氣工程系，研究方向為電氣控制，2004年至今于中電科技第38研究所結構部從事機電控制、伺服控制研發(fā)工作。


                                                      ——轉自《自動(dòng)化博覽》