網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在燃?xì)饬鞒曀亠L(fēng)洞測控系統(tǒng)中應(yīng)用研究

(北京航天長征飛行器研究所 高超聲速飛行器防隔熱技術(shù)中心，北京 100076)

0 引言

燃?xì)饬髟囼?yàn)是防熱系統(tǒng)地面考核的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它具有能量密度高、總溫高、熱環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，是防熱材料及結(jié)構(gòu)熱考核不可替代的試驗(yàn)手段。而大尺寸的防熱結(jié)構(gòu)試件考核需要依托于燃?xì)饬鞒曀亠L(fēng)洞進(jìn)行。

燃?xì)饬鞒曀亠L(fēng)洞涉及到燃?xì)獍l(fā)生器、試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器、降溫裝置、抽真空設(shè)備等風(fēng)洞主體設(shè)備，還包括配套的能源供應(yīng)、冷卻水供應(yīng)等一系列附屬設(shè)備[1-2]。風(fēng)洞設(shè)備功能組成龐大、布局分散，傳統(tǒng)的單機(jī)本地系統(tǒng)已無法滿足要求，需要采用分布式的測控架構(gòu)[3-6]。但是如何實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠存儲，同時(shí)又能保證與總控指揮調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布存儲、集中顯示和管理，成為該測控系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的問題。

本文針對上述問題，通過網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)、OPC技術(shù)、NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)等一系列網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程中大量數(shù)據(jù)的分布式實(shí)時(shí)存儲、數(shù)據(jù)集中顯示和試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)集中管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本研究依托于某燃?xì)饬鞲邷爻曀亠L(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，該風(fēng)洞利用氧氣和煤油在加熱器內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生高溫超聲速燃?xì)猓贸檎婵赵O(shè)備在試驗(yàn)艙內(nèi)形成低壓試驗(yàn)環(huán)境，對模型進(jìn)行熱考核，考核后的燃?xì)馔ㄟ^擴(kuò)壓器減速增壓，并通過噴水降溫和噴淋冷凝的聯(lián)合作用后排入大氣。

該風(fēng)洞測控系統(tǒng)根據(jù)功能和布局劃分為總控指揮調(diào)度系統(tǒng)和幾個(gè)主要的測控分系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切徒Y(jié)構(gòu)，基于工業(yè)以太網(wǎng)為通信平臺，并且將控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)采網(wǎng)絡(luò)分開布局，既保證了大量高速數(shù)據(jù)采集的高帶寬傳輸，又保證了控制信號的可靠傳遞，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和傳輸效率。

圖1 風(fēng)洞測控網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)圖

各系統(tǒng)均采用上下位機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，下位機(jī)系統(tǒng)主要由PLC可編程控制器、NI cRIO控制器和PXI控制器組成，遍布于風(fēng)洞現(xiàn)場，用于風(fēng)洞運(yùn)行前期狀態(tài)調(diào)節(jié)、啟動時(shí)序控制、風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)測、安全急?？刂坪驮囼?yàn)數(shù)據(jù)采集等。上位機(jī)系統(tǒng)主要由工作站、服務(wù)器等設(shè)備組成，位于風(fēng)洞控制中心，用于風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控、試驗(yàn)運(yùn)行管理、試驗(yàn)命令下發(fā)、信號測量管理、數(shù)據(jù)處理與分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示等。

2 分布式運(yùn)行控制

由于燃?xì)饬鞒曀亠L(fēng)洞的運(yùn)行涉及到諸多系統(tǒng)，設(shè)備布局分散，控制和測量節(jié)點(diǎn)眾多，采用單機(jī)本地系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足對測控系統(tǒng)的要求，因此需要采用分布式的測控架構(gòu)，考慮到控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，每個(gè)分控系統(tǒng)均采用了上位機(jī)+控制器的控制結(jié)構(gòu)。

為了保證控制動作的可靠實(shí)施，分控系統(tǒng)控制器基于西門子PLC300實(shí)現(xiàn)，采用Step7軟件進(jìn)行控制程序的開發(fā)。上位機(jī)程序則采用的LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，利用其強(qiáng)大的可視化功能模塊和豐富的網(wǎng)絡(luò)通信接口，可以很好地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作所需的人家交互功能和與總控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和指令交互。但是LabVIEW軟件并不能直接訪問PLC工控設(shè)備，需要借助OPC服務(wù)程序[7-9]。

這里選擇了KEPWARE公司的KEPServerEX OPC Server連接平臺，相比于NI LabVIEW軟件自帶的NI OPC Server連接平臺，OPC服務(wù)器通道配置和PLC設(shè)備配置過程基本一致，但是KEPServerEX軟件支持程序動態(tài)創(chuàng)建OPC變量，這樣就可以將OPC變量名稱和PLC通信地址存儲于配置文件中，通過軟件自動讀取配置文件并建立OPC變量，省去了在OPC連接平臺逐個(gè)手動建立OPC變量的過程，之后軟件程序維護(hù)只需維護(hù)對應(yīng)的配置文件即可，這樣可以大大提高軟件的可維護(hù)性和移植性，特別適用于大型控制軟件程序的編寫。

LabVIEW軟件中創(chuàng)建OPC變量和讀寫OPC變量的程序如圖2所示。OPC Server通過標(biāo)準(zhǔn)OPC協(xié)議，訪問對應(yīng)PLC地址空間，并根據(jù)變量與PLC地址的映射關(guān)系，將訪問結(jié)果存儲于對應(yīng)變量中，而基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)程序則作為客戶端直接讀取對應(yīng)變量，并在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示和后臺數(shù)據(jù)存儲。同樣地，寫入PLC時(shí)則是由客戶端修改對應(yīng)變量數(shù)值，由OPC Server按照對應(yīng)關(guān)系將數(shù)值寫入PLC地址空間中。這里OPC Server的讀寫頻率設(shè)置為每秒10次，足以滿足常規(guī)人機(jī)交互程序的控制時(shí)效性要求。

圖2 OPC變量創(chuàng)建和讀寫

這樣借助OPC Server這個(gè)軟件接口平臺，即可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW開發(fā)的客戶端程序和PLC本地?cái)?shù)據(jù)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。這種架構(gòu)形式既利用了可編程邏輯控制器PLC的硬件穩(wěn)定性，保證了下位機(jī)控制程序的可靠執(zhí)行，同時(shí)也充分發(fā)揮了LabVIEW軟件強(qiáng)大的圖形界面開發(fā)優(yōu)勢。

3 分布式數(shù)據(jù)存儲

鑒于現(xiàn)場采集點(diǎn)眾多，且布局分散，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄采用的是一種分布式的采集存儲方式。并且采用NI PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲[10-12]。首先由多功能數(shù)據(jù)采集卡對多路調(diào)理后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣率設(shè)置為1kHz。由于是高速采集模式，這里采用高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器的方式向控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，多通道的高速數(shù)據(jù)存于A/D板卡的大容量高速存儲器上，緩沖大小設(shè)置為200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且這里采用波形數(shù)據(jù)的傳送方式，第一時(shí)間基于PXI控制器的時(shí)間為數(shù)據(jù)打時(shí)間標(biāo)識，避免傳送延遲對數(shù)據(jù)時(shí)間的影響，有效保證數(shù)據(jù)時(shí)間的精準(zhǔn)，便于試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)回看和分析。

PXI控制器實(shí)時(shí)系統(tǒng)定時(shí)訪問高速存儲器，一方面將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速流盤，另一方面采用NI的端到端網(wǎng)絡(luò)流技術(shù)，將數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，保證每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙備份存儲，即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常情況，仍能保證數(shù)據(jù)的可靠存儲。

這里采用了端到端網(wǎng)絡(luò)流方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)流寫入/讀取端、向流中寫入/讀取數(shù)據(jù)、刷新流、銷毀寫入/讀取方端點(diǎn)幾步便可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，并且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)流端點(diǎn)均通過FIFO緩存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，可以有效保證數(shù)據(jù)無損耗，避免數(shù)據(jù)的丟失，適合于數(shù)據(jù)的高速連續(xù)傳輸。

圖3 網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)傳輸示意

數(shù)據(jù)文件存儲格式采用的為NI的TDMS文件格式，該格式為一種二進(jìn)制記錄文件，存儲效率高、速度快，便于實(shí)現(xiàn)高速流盤。并且存儲數(shù)據(jù)的同時(shí)可以存儲相應(yīng)通道或通道組的信息，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效管理，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的文本文件和電子表格文件存儲方式。

4 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)對時(shí)同步

分布式數(shù)據(jù)存儲雖然解決了設(shè)備布局分散、節(jié)點(diǎn)眾多的問題，但是多系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何保證采集時(shí)間的一致性，可以在同一個(gè)時(shí)間軸下做時(shí)域分析，就成為了新的需要解決的問題。

這里參考時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)同步NTP的方式對各測控子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)，采用最為典型的Client/Server授時(shí)方式，總控計(jì)算機(jī)作為授時(shí)服務(wù)器Server，各測控子系統(tǒng)PXI控制器作為授時(shí)客戶端Client，原理如圖4所示。

圖4 NTP授時(shí)原理

各測控系統(tǒng)(授時(shí)客戶端Client)與總控系統(tǒng)(授時(shí)服務(wù)器Server)之間通過網(wǎng)絡(luò)共享變量方式進(jìn)行時(shí)間信息的傳遞，具體過程如下：

1) 試驗(yàn)前Server首先開啟授時(shí)服務(wù)程序，進(jìn)行NTP授時(shí)變量簇中標(biāo)志位的實(shí)時(shí)監(jiān)測；

2) 之后Client基于事件驅(qū)動更新其中Client—Server標(biāo)志位為真，同時(shí)記錄Client的時(shí)間戳T1；

3) 當(dāng)Server監(jiān)測到Client—Server標(biāo)志位為真時(shí)，更新變量簇中的Server_T2變量為Server當(dāng)前時(shí)間T2，并且將Client—Server標(biāo)志位更新為假；

4) 之后Server立刻更新Server—Client標(biāo)志位為真，同時(shí)更新變量簇中的Server_T3變量為Server當(dāng)前時(shí)間T3；

5) 當(dāng)Client監(jiān)測到Server—Client標(biāo)志位為真時(shí)，讀取變量簇中的Server_T2和Server_T3變量的值，并且記錄Client的時(shí)間戳T4，之后清空相關(guān)變量的值，以備下次對時(shí)。

這樣Client獲得了4個(gè)時(shí)間戳T1、T2、T3和T4，當(dāng)認(rèn)為雙向傳輸延遲d1和d2近似相等時(shí)，根據(jù)時(shí)間關(guān)系可以計(jì)算出往返延遲d和Client與Server之間的時(shí)鐘偏差t。

(1)

可以看出，t、d只與T2、T1差值及T3、T4差值相關(guān)，而與T2、T3差值無關(guān)，即最終的結(jié)果與Server處理請求所需的時(shí)間無關(guān)。據(jù)此，各測控系統(tǒng)即可通過T1、T2、T3、T4計(jì)算出時(shí)差t去調(diào)整本地時(shí)鐘與總控系統(tǒng)保持一致。

為了驗(yàn)證NTP對時(shí)同步的效果，這里利用多個(gè)系統(tǒng)按照1 kHz的采樣率同時(shí)采集同一個(gè)壓力傳感器輸出的電壓信號，并將數(shù)據(jù)以TDMS文件形式存儲在分系統(tǒng)本地空間，TDMS文件數(shù)據(jù)的橫軸即為系統(tǒng)時(shí)間。這樣測試后將多個(gè)系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)置于時(shí)間域下進(jìn)行數(shù)據(jù)回看分析，波形之間錯(cuò)開的時(shí)間即為系統(tǒng)之間的對時(shí)時(shí)間偏差。經(jīng)測試各系統(tǒng)之間時(shí)間偏差能夠控制在10 ms以內(nèi)，證明了該對時(shí)方法的有效性。

5 數(shù)據(jù)集中顯示

在試驗(yàn)運(yùn)行階段，為了保證指揮調(diào)度系統(tǒng)能夠及時(shí)獲得各分系統(tǒng)的相關(guān)工藝設(shè)備運(yùn)行情況，便于指揮人員的統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào)，需要各分系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠在指揮調(diào)度系統(tǒng)界面進(jìn)行集中顯示。由于各測控系統(tǒng)數(shù)采上位機(jī)均是基于LabVIEW進(jìn)行軟件開發(fā)，這里可以很方便的通過LabVIEW共享變量的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

這里將各測控子系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)為共享變量的服務(wù)器，提前完成共享變量的設(shè)置和部署，將總控指揮調(diào)度系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)為共享變量的客戶端，調(diào)用變量連接函數(shù)，通過打開變量連接、寫入或讀取變量、關(guān)閉變量連接等一系列操作實(shí)現(xiàn)各測控子系統(tǒng)共享變量的訪問和讀取。具體程序如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)變量連接程序框圖

這是LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信最簡便的方法，用戶不需要了解任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變換，而且為共享變量分配緩存器，避免了因讀寫不同步而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，傳輸效率高，傳輸延遲低，支持多點(diǎn)對多點(diǎn)通信，廣泛地應(yīng)用于大型系統(tǒng)之中。

這里為了規(guī)范管理，提高程序可讀性，變量格式采用簇的形式，簇內(nèi)包括：采樣時(shí)間、通道標(biāo)簽數(shù)組、通道名稱數(shù)組以及通道數(shù)據(jù)數(shù)組。程序通過計(jì)算相鄰兩次的采樣時(shí)間間隔，判斷測控子系統(tǒng)的共享變量數(shù)據(jù)是否更新成功。如果不成功給出消息提示。如果更新成功，則根據(jù)界面顯示需要，搜索對應(yīng)顯示控件在通道標(biāo)簽數(shù)組中的索引，并根據(jù)該索引提取通道數(shù)據(jù)數(shù)組中的數(shù)據(jù)賦值給對應(yīng)顯示控件，從而實(shí)現(xiàn)總控顯示界面數(shù)據(jù)的更新。

為了保證各分系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)在試驗(yàn)時(shí)傳給指揮調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行顯示，同時(shí)又不過多地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，各分系統(tǒng)以5 Hz頻率更新共享變量數(shù)據(jù)?？偪卣w顯示效果如圖6所示。

圖6 總控?cái)?shù)據(jù)集中顯示效果

總控指揮調(diào)度系統(tǒng)需要同時(shí)與多個(gè)測控子系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享變量方式的數(shù)據(jù)交互，為了避免由于某個(gè)測控子系統(tǒng)未運(yùn)行，造成共享變量連接程序報(bào)錯(cuò)的情況發(fā)生，這里總控指揮調(diào)度系統(tǒng)與每個(gè)測控子系統(tǒng)通信均采用一個(gè)獨(dú)立的程序線程執(zhí)行，并且每個(gè)線程均是基于隊(duì)列消息處理器實(shí)現(xiàn)，程序首先通過互連接口面板中的“執(zhí)行系統(tǒng)命令”vi調(diào)用CMD指令，利用“ping”命令檢查對應(yīng)IP設(shè)備是否連通，只有ping通才繼續(xù)進(jìn)行共享變量的連接和讀取，并將數(shù)據(jù)保存至對應(yīng)的全局變量中，以備總控顯示程序調(diào)用，否則間隔一定時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行連通測試。

為了驗(yàn)證多個(gè)分控系統(tǒng)與總控系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的效果，同時(shí)開啟總控系統(tǒng)和多個(gè)分控系統(tǒng)，各分控系統(tǒng)按照1 kHz采樣率采集并以TDMS文件形式存儲數(shù)據(jù)于本地，同時(shí)將數(shù)據(jù)抽點(diǎn)成5 Hz頻率的低速數(shù)據(jù)以共享變量形式分享給總控系統(tǒng)，由總控系統(tǒng)進(jìn)行顯示，同時(shí)總控系統(tǒng)也以TDMS文件形式存儲數(shù)據(jù)于本地。試驗(yàn)后提取分控系統(tǒng)和總控系統(tǒng)同一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行展開分析，效果如圖7所示。

圖7 總控與分控系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比

從圖中可以看出，雖然由于總控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲速率比較低，數(shù)據(jù)波形上的一些細(xì)節(jié)沒有清晰呈現(xiàn)出來，但是還是能夠較為完整地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體變化趨勢。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)共享變量的數(shù)據(jù)傳輸延遲，造成總控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在100 ms左右的數(shù)據(jù)滯后，但是該延遲對于總控系統(tǒng)進(jìn)行分系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和指揮調(diào)度是完全能夠接受的。

6 結(jié)論

本測控系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制架構(gòu)，通過運(yùn)用OPC技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等一系列網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞系統(tǒng)的分布式運(yùn)行控制和分布式數(shù)據(jù)采集存儲，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)和NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中顯示和管理。該風(fēng)洞測控系統(tǒng)已配合完成全系統(tǒng)多次聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證了上述各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的可靠性，解決了大型風(fēng)洞系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)交互的技術(shù)難題。