發(fā)布時間:2016-10-31所屬分類:科技論文瀏覽:1次
摘 要: 這篇電子高級工程師論文發(fā)表了燃機模塊式電子控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計,如今工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用燃氣輪機,論文給出了燃機模塊式電子控制系統(tǒng)方案,從而提高燃機市場的核心競爭力。
這篇電子高級工程師論文發(fā)表了燃機模塊式電子控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計,如今工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用燃氣輪機,論文給出了燃機模塊式電子控制系統(tǒng)方案,從而提高燃機市場的核心競爭力。
摘要:本文在國內(nèi)航空發(fā)動機電子控制系統(tǒng)研制的技術(shù)積累基礎(chǔ)上,開展基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的燃機模塊式電子控制系統(tǒng)研究,從燃氣輪機的電子控制系統(tǒng)方案設(shè)計開始,具體闡述了模塊式控制系統(tǒng)軟件的層次劃分,控制軟件的設(shè)計,重點突出了Ethercat實時以太網(wǎng)軟件包設(shè)計。
關(guān)鍵詞:電子高級工程師論文,以太網(wǎng),燃機模塊,電子控制系統(tǒng),軟件設(shè)計
引言
隨著燃氣輪機在工業(yè)現(xiàn)場的廣泛使用,對控制性能的要求越來越高,其控制系統(tǒng)也迅速從液壓機械式控制器發(fā)展為模擬式電子控制系統(tǒng),進而發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)。到20世紀90年代,燃氣輪機開始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。近年來,國外燃氣輪機的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、系列化,實現(xiàn)了模塊化,并配置了菜單式的開發(fā)軟件。模塊化控制系統(tǒng)中通信總線是系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的橋梁,總線的可靠性是系統(tǒng)可靠性的保障,總線速度也直接影響到整個控制器的性能,因此必須選擇實時、可靠的通信總線。MIL-STD-1553B、ARINC-429等傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線可靠性高、使用靈活,工程上已經(jīng)得到了廣泛應用,但卻遭受速度瓶頸。工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)具有速度快、實時性好、可靠性高等特點,它的發(fā)展使工業(yè)控制在通用化、模塊化、數(shù)據(jù)交換等方面都面臨新的技術(shù)革命,特別適用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)計。EtherCAT是由德國Beckhoff公司開發(fā)。采用以太網(wǎng)幀,以特定環(huán)狀拓撲發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù),擁有杰出的通訊性能,接線簡單,并對其它協(xié)議開放。
1.總體方案
1.1燃機模塊式電子控制系統(tǒng)方案
系統(tǒng)的控制對象是某型艦用中檔功率系列燃氣輪機,控制系統(tǒng)采用開放性的模塊結(jié)構(gòu)。電子控制器采用標準化、系列化的模塊設(shè)計,各模塊間采用最新的工業(yè)實時以太網(wǎng)Ethercat連接,控制軟件設(shè)計成可選擇、可配置的標準模塊和接口,液壓執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個控制系統(tǒng)的設(shè)計變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整——根據(jù)燃機控制系統(tǒng)的信號數(shù)量和接口類型選擇合適的硬件模塊,根據(jù)特定控制規(guī)律和控制系統(tǒng)要求選擇、配置相應的軟件模塊,根據(jù)燃油和導葉的控制要求選擇合適液壓執(zhí)行機構(gòu)。采用的是成熟的模塊使各模塊功能、性能都有了保證,各部件僅需要進行部分調(diào)整就能滿足要求,既縮短研發(fā)周期,又提高系統(tǒng)的可靠性,同時也便于今后實現(xiàn)性能改進和功能擴展。
1.2燃機控制系統(tǒng)組成
燃機控制系統(tǒng)包括綜合電子控制柜、系統(tǒng)軟件、液壓執(zhí)行機構(gòu)、電氣系統(tǒng)等。液壓機械裝置采用模塊化設(shè)計方法,包括高壓燃油泵、燃油計量裝置、導葉調(diào)節(jié)裝置等。各模塊可根據(jù)具體燃機要求配合使用。電子硬件通用模塊包括:電子控制器模塊、獨立保護模塊。系統(tǒng)軟件包含控制軟件和應用軟件。控制系統(tǒng)接收來自控制室或監(jiān)控臺的控制信號,對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運行以及停車和重要參數(shù)限制實施全面的自動控制和安全保護,能實現(xiàn)對燃機輔助系統(tǒng)的監(jiān)測和控制,能實現(xiàn)對燃機的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存貯和通訊。
2.控制軟件設(shè)計
2.1電子控制器方案介紹
電子控制器由主CPU模塊與AD模塊、DA模塊、FI模塊、IO模塊等低級模塊組成,各模塊自帶CPU處理器,模塊之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接,控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)模塊化設(shè)計,控制器的各種功能模塊之間用實時以太網(wǎng)進行連接,完成數(shù)據(jù)交互。各模塊可以集中在一起也可以分散到燃機的各部分,通過工業(yè)總線實現(xiàn)實時信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設(shè)計
控制軟件包含CPU模塊的控制應用軟件、其它通用模塊底層軟件組成。底層軟件與模塊一一對應。模塊的底層軟件主要是實現(xiàn)通用模塊采集、輸出或信息交互功能,并與其它模塊通訊,傳遞和接受信息,實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能。CPU模塊的控制應用軟件通過與底層軟件,根據(jù)模塊的特點進行功能的初始選擇和配置。初步設(shè)計的控制軟件層次結(jié)構(gòu)如圖1所示,該層次結(jié)構(gòu)適用于主CPU模塊與所有低級功能模塊。由于低級功能模塊的任務(wù)都比較簡單,所以并無必要采用實時內(nèi)核,主CPU模塊也需根據(jù)實際情況決定采用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)還是基于實時內(nèi)核的并行結(jié)構(gòu)。同一功能的器件在驅(qū)動程序?qū)酉蝽攲犹峁┮恢碌慕涌冢谶@一層次中需要制定對外圍器件讀、寫、模式設(shè)置、中斷、輪詢等操作的驅(qū)動程序函數(shù)模版。整理電子控制器硬件設(shè)計中常用的接口器件資料,針對這些器件編寫驅(qū)動程序并用數(shù)據(jù)庫進行驅(qū)動程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設(shè)計
控制軟件采用模塊設(shè)計,將燃機的主要控制過程、各種控制規(guī)律形成標準程序模塊。模塊劃分可層層分解,步步細化,當針對具體燃機時只要選用合適的模塊進行組合,并進行對參數(shù)設(shè)置連接就可形成控制程序。程序的框架設(shè)計要保證其可擴展性,根據(jù)燃機控制要求的變化,不斷的增加先進控制規(guī)律、控制算法模塊提高整個系統(tǒng)的性能。在對燃機控制系統(tǒng)的特點進行充分分析的基礎(chǔ)后,建立對燃機控制軟件的通用框架結(jié)構(gòu)、模塊劃分準則與模塊配置策略,通過更改模塊配置信息、模塊整體更換等方式靈活構(gòu)建可靠的燃機控制軟件。軟件模塊化按照由粗到細、由繁到簡的指導方針,按步驟逐級細化,最終生成最基本的模塊單元。根據(jù)燃機控制系統(tǒng)的功能,將控制軟件劃分為基本數(shù)值計算模塊庫、信號處理模塊庫、故障處理模塊庫、起動控制模塊庫、燃機運行控制模塊庫、停車控制模塊庫、輔助系統(tǒng)控制模塊庫、底層軟件模塊庫、通訊協(xié)議模塊庫。模塊一般采用標準C語言編寫,與CPU相關(guān)的代碼采用匯編語言編寫,考慮到不同CPU的字長、對齊方式等特性,模塊內(nèi)部均采用自定數(shù)據(jù)類型,且可通過外部進行設(shè)置。
3.通訊軟件設(shè)計
EtherCAT通訊程序包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設(shè)備模塊、主站模塊和從站模塊。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊完成底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收功能。EtherCAT接口模塊實現(xiàn)EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設(shè)備模塊實現(xiàn)EtherCAT設(shè)備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實現(xiàn)主站初始化命令和循環(huán)命令的發(fā)送處理,實現(xiàn)和維護主站的狀態(tài)機。從站模塊實現(xiàn)從站設(shè)備的配置,同時維護從站設(shè)備的狀態(tài)機。
3.1Ethercat協(xié)議
EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議,憑借特殊的以太網(wǎng)類型,它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文,每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域,該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序,可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現(xiàn)。當需要實現(xiàn)最佳性能,且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時,則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。然而,EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文,這就意味著,任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中,甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然,在這種變體結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包,所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應時間基本不受影響。另外,根據(jù)主/從數(shù)據(jù)交換原理,EtherCAT也非常適合控制器之間(主/從)的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠程控制服務(wù),滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是,上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊,速度非常快。由于這種方法與拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān),因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計所決定的從站到從站的通訊,如打印或包裝應用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊,則可以采用第二種機制—數(shù)據(jù)通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成,但由于EtherCAT的性能非常卓越,因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費的時間。EtherCAT僅使用標準的以太網(wǎng)幀,無任何壓縮。因此,EtherCAT以太網(wǎng)幀可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送,并可以使用標準工具。
3.2主站軟件設(shè)計
EtherCAT可以在單個以太網(wǎng)幀中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是,主站設(shè)備需要在每個網(wǎng)絡(luò)周期中為各個節(jié)點處理、發(fā)送和接收幀。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于,每周期僅需要一個或兩個幀即可完成所有節(jié)點全部通訊,因此,EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會給主機CPU帶來任何負擔,處理任務(wù)的同時,還可處理應用程序,因此EtherCAT無需使用昂貴的專用有源插接卡,只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站容易實現(xiàn),尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應用場合。EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生,而是在從站產(chǎn)生,此時過程映像已經(jīng)完成排序。該特性進一步減輕了主機CPU的負擔。可以看到,EtherCAT主站完全在主機CPU中采用軟件方式實現(xiàn),相比之下,傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過有源插接卡方可實現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源,甚至服務(wù)于DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機資源。
3.3從站軟件設(shè)計
子站模塊劃分為A/D采樣模塊、頻率量模塊、LVDT及振動信號處理模塊、熱電阻信號處理模塊、熱電偶信號處理模塊、壓力信號處理模塊、電流電壓信號處理模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸入1模塊、開關(guān)量輸入2模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸出模塊1、模擬量輸出模塊2,備份槽。主程序通過不同的功能要求調(diào)用軟件塊。軟件模塊設(shè)計的基本原則是數(shù)據(jù)隱藏,即各模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)私有,并提供外部接口訪問這些私有數(shù)據(jù),各模塊之間相互獨立,從而降低各模塊之間的耦合程度。整個框架提供諸多配置接口,具有一定的通用性。子站模塊實現(xiàn)的功能為DSP外設(shè)初始化;獲取通道信息;獲取開關(guān)量輸入、擬量輸入、頻率量輸入信號;輸出開關(guān)量、PWM信號;FLASH存儲器操作;定時器的啟停、看門狗操作等。
4.結(jié)束語
在國內(nèi)航空發(fā)動機電子控制系統(tǒng)研制的技術(shù)積累基礎(chǔ)上,開展基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的燃機模塊式電子器研究工作,研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、具有國際先進水平的燃機模塊式電子控制系統(tǒng),不僅可以創(chuàng)造經(jīng)濟效益,而且能夠打破燃機電子控制系統(tǒng)被國外公司壟斷的局面,極大提高燃機市場的核心競爭力。
參考文獻
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作者:王成玖 單位:中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所
推薦期刊:《電訊技術(shù)》Telecommunication Engineering(月刊)創(chuàng)刊于1958年,系國內(nèi)外公開發(fā)行的、理論與應用相結(jié)合的綜合性電子專業(yè)科技刊物,為中文核心期刊。