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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)自動化公司技術(shù)主管，2002年至今任上海英碩自動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)備也同樣有著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，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)具有如圖1所示的對稱式的控制功能構(gòu)成。
圖1 對稱式控制功能構(gòu)成圖
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(zhǔn)備狀態(tài)，即當(dāng)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，如圖2所示的結(jié)構(gòu)。
圖2 兩套對稱的PCC系統(tǒng)
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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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，以下是筆者設(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。如圖3所示。
圖3 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圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)同步與任務(wù)調(diào)度的精確時序圖
結(jié)語
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(xí)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(dǎo)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。
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(jié)構(gòu)部從事機電控制、伺服控制研發(fā)工作。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
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