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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(jī)電控制專業(yè)，研究方向?yàn)闄C(jī)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(jī)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(dòng)化（PA）控制對(duì)象以外，一些重要的機(jī)器設(shè)備也同樣有著24小時(shí)不間斷工作，運(yùn)行高度可靠，在線維護(hù)等要求，航空管制雷達(dá)（ATM）就是這樣一種典型的機(jī)電設(shè)備，其工作的可靠與否，會(huì)直接關(guān)系到所在空域飛機(jī)起降的安全。針對(duì)航管雷達(dá)的這種應(yīng)用特點(diǎn)和要求，筆者運(yùn)用PCC在運(yùn)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(yùn)用筆者開發(fā)的一套驅(qū)動(dòng)軟件，成功地構(gòu)建了一套小型廉價(jià)、高效實(shí)用的雙機(jī)熱備航管雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)，整個(gè)伺服系統(tǒng)具有如圖1所示的對(duì)稱式的控制功能構(gòu)成。

              

                          圖1  對(duì)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(dòng)雷達(dá)天線的7.5kW的方位電機(jī)的啟、停、正、反及調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方位電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、溫升及故障報(bào)警信息。

    （2）通過CAN總線，控制0.75kW的方位潤(rùn)滑泵油電機(jī)的啟、停及調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵油電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、溫升及故障報(bào)警信息。

    （3）控制極化電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)天線饋源的圓極化和線極化。

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

    出于冗余熱備的設(shè)計(jì)考慮，上述所有機(jī)電設(shè)備均為2套，在機(jī)械結(jié)構(gòu)布置上大體呈對(duì)稱化布局，他們作為相互冗余熱備的兩部分，構(gòu)成了整個(gè)航管雷達(dá)伺服系統(tǒng)不可分割的整體結(jié)構(gòu)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)軟件運(yùn)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，備用的部分被稱為“熱備”，即工作時(shí)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(shí)，熱備系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(duì)稱布局的PCC以外，還配備了機(jī)旁監(jiān)控用的一塊觸摸屏PowerPanel，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有工作信息，并可實(shí)現(xiàn)兩套PCC的主備機(jī)控制切換操作。同時(shí)，借助系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)-以太網(wǎng)，網(wǎng)上的另一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)也可以檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和進(jìn)行主備機(jī)遠(yuǎn)程切換。

    1 硬件的耦合實(shí)現(xiàn)

    兩套對(duì)稱布局的PCC是整個(gè)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(shí)現(xiàn)則是保證雙機(jī)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(duì)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(duì)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(shí)，雙機(jī)熱備軟件會(huì)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(jìn)入“熱備”備機(jī)工作狀態(tài)。

    程序同步按鈕：該按鈕用于在裝載雙機(jī)熱備軟件時(shí)控制主備控制器之間的同步裝載，當(dāng)按動(dòng)該按鈕時(shí)，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(dòng)傳送到另一套控制器單元上，這對(duì)于系統(tǒng)軟件的維護(hù)是一個(gè)至關(guān)重要的功能。

    LifeGuard（生命守護(hù)）信號(hào)：該信號(hào)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(hào)，備用的控制系統(tǒng)得以隨時(shí)監(jiān)控到主控PCC的運(yùn)行狀態(tài)，據(jù)此，在主控PCC癱瘓時(shí)，備用PCC會(huì)自動(dòng)無擾動(dòng)地切換為主控單元，接管原來主控PCC的軟件運(yùn)行。

    HeartBeat（心跳）信號(hào)：該信號(hào)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(yùn)行過程中，按照固定的心跳節(jié)律，指揮備用PCC的軟件運(yùn)行節(jié)奏，以確保主備系統(tǒng)軟件運(yùn)行狀態(tài)的一致，這一信號(hào)的傳遞，是確保系統(tǒng)兩套PCC在主備關(guān)系切換時(shí)無擾動(dòng)的必要條件。

    SyncData（同步數(shù)據(jù)）網(wǎng)絡(luò)耦合：該信號(hào)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(shí)現(xiàn)主控PCC將其運(yùn)行的中間級(jí)輸出數(shù)據(jù)同步熱備份到備用的PCC之上，這一信號(hào)的傳遞，是確保系統(tǒng)兩套PCC在主備關(guān)系切換時(shí)無擾動(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(xiàn)，是兩套控制系統(tǒng)連接上位監(jiān)控觸摸屏或管控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)路。

    輸入輸出信號(hào)：該部分與常規(guī)的非雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)一樣，由航管雷達(dá)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(chǎng)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(jī)熱備系統(tǒng)功能架構(gòu)考慮，所有這些信號(hào)均設(shè)計(jì)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(jī)熱備控制軟件的實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)軟件的核心功能是實(shí)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(duì)外的控制功能具有在線熱備的功能，概括起來，軟件設(shè)計(jì)需要滿足如下功能特點(diǎn)：

    （1）高速性：系統(tǒng)軟件必須滿足高速運(yùn)行，對(duì)外實(shí)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(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(tǒng)必須保持相互運(yùn)行的同步性要求，并在主備角色切換時(shí)，確保對(duì)硬件設(shè)備的輸出控制平滑無擾動(dòng)，這一點(diǎn)，單純從完全對(duì)稱的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是無法保證的，必須做出針對(duì)性的軟件任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)同步方面的處理。這也是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心所在。

    （3）對(duì)稱性：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要實(shí)現(xiàn)硬件方面的對(duì)稱性，而且需要實(shí)現(xiàn)純粹的軟件對(duì)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(shí)間投運(yùn)后，用戶得以正常進(jìn)行日常軟硬件維護(hù)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(jì)算機(jī)觸摸屏聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)航管雷達(dá)上位管控計(jì)算機(jī)對(duì)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    依照上述原理要求，以下是筆者設(shè)計(jì)的雙機(jī)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(jī)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(jì)，本雙機(jī)熱備軟件的數(shù)據(jù)同步與任務(wù)調(diào)度的精確時(shí)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(shí)序圖

    結(jié)語

    上述采用兩套PCC的雙機(jī)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(jī)熱備的“超豪華”軟硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)，以低廉、經(jīng)濟(jì)的方案實(shí)現(xiàn)了小型、實(shí)用的應(yīng)用要求。系統(tǒng)目前已成功裝備在我國(guó)東北、華北的多個(gè)民用、軍用機(jī)場(chǎng)的航管雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)中，歷時(shí)數(shù)年，部分替代了目前市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口航管雷達(dá)產(chǎn)品，以可靠、穩(wěn)定、維護(hù)方便的優(yōu)異表現(xiàn)，贏得了客戶的一致好評(píng)，展現(xiàn)了良好的市場(chǎng)前景，目前正處于國(guó)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?yàn)殡姎饪刂疲?004年至今于中電科技第38研究所結(jié)構(gòu)部從事機(jī)電控制、伺服控制研發(fā)工作。


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》