基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的發(fā)動機測控系統(tǒng)

魏秋月，商 博*，陳曉明

(1.西安郵電大學(xué)，西安 710121；2.西安與或電子科技有限公司，西安 710065)

0 引言

與一般工程試驗相比，液體發(fā)動機試驗具有測控參數(shù)多、分布廣等特點，關(guān)鍵參數(shù)的測量精度要求高，與之配套的測控系統(tǒng)要求具有較高的可靠性及實時性[1]。目前國內(nèi)的測控系統(tǒng)采用的總線大多數(shù)是基于PXI總線，雖可滿足測控系統(tǒng)的需求，但PXI往往針對特定型號的數(shù)據(jù)采集卡和通信協(xié)議設(shè)計，其通用性不高[2,3]。此外，針對一些數(shù)據(jù)傳輸要求高速實時的場合，PXI總線也暴露出一定的劣勢。如何有效提高測控系統(tǒng)的實時性和可靠性對保證發(fā)動機試驗的成功具有重要的研究意義。

EtherCAT是德國倍福公司推出的一種新型工業(yè)實時以太網(wǎng)總線，基于全雙工通信，總線拓撲結(jié)構(gòu)靈活，其數(shù)據(jù)有效率高達90%以上。本文根據(jù)液體發(fā)動機試驗對測控系統(tǒng)的需求，基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的一主多從拓撲結(jié)構(gòu)完成發(fā)動機測控系統(tǒng)的設(shè)計。硬件系統(tǒng)將CX-2040-0125嵌入式軟PLC及各種測控元件集成于測控機柜中，各硬件設(shè)備安裝連接方便，通用性強，具備測控一體化功能。軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，利用TwinCAT 3軟件完成PLC的組態(tài)及測控元件的控制，利用LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計友好的上位機人機交互界面。系統(tǒng)具有良好的可擴展性和通用性，可完成液體發(fā)動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數(shù)的測量與控制。

1 測控系統(tǒng)需求

根據(jù)液體發(fā)動機試驗的特點，配套測控系統(tǒng)需滿足以下功能需求[4]：

1）測量與控制液體發(fā)動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數(shù)。

2）具備完整的試驗數(shù)據(jù)存儲、回放、分析、導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。

3）具備液體流量的自動調(diào)節(jié)及電磁閥、氣動閥等執(zhí)行元件的自動時序控制功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案

測控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示,分為測控層、分布式I/O層、隔離驅(qū)動層及感知層。其中測控層分析與處理I/O模塊采集的數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行元件的狀態(tài),分布式I/O層完成信號的傳輸，隔離驅(qū)動層消除電感性執(zhí)行元件動作時產(chǎn)生的干擾電壓，感知層測量與控制液體發(fā)動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數(shù)，以及通過PID控制算法完成管路液體流量的自動調(diào)節(jié)。

圖1 測控系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的測控層基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的一主多從結(jié)構(gòu)，主站是嵌入式軟PLC控制器和基于LabVIEW設(shè)計的上位機人機界面，從站包括三臺C6900-0050工控機設(shè)計的控制站、工藝站和測試站[5]。主站是測控系統(tǒng)的主控制器，其具備兩方面的功能，一方面是通過EtherCAT 總線將I/O模塊采集的試驗參數(shù)或電磁閥、手動面板按鈕等執(zhí)行元件的狀態(tài)分發(fā)給控制站、工藝站和測試站，分發(fā)的過程是由主站將采集的數(shù)據(jù)插入EtherCAT報文中，控制站、工藝站和測試站分別從總線報文中讀取屬于本站點的數(shù)據(jù)；第二方面是接收控制站和工藝站的指令，并按指令實現(xiàn)對I/O模塊的控制，此過程實際是控制站和工藝站將數(shù)據(jù)插入EtherCAT報文中，主站讀取報文、解析指令進而實現(xiàn)對I/O模塊的控制。從站中的控制站作為整個測控系統(tǒng)的運行控制中樞，負責(zé)發(fā)動機試驗時下發(fā)“開始”、“暫?！薄ⅰ敖Y(jié)束”等運行控制指令及控制I/O模塊完成試驗數(shù)據(jù)的采集；工藝站控制電磁閥、氣動閥等執(zhí)行元件按照預(yù)先設(shè)定的時序完成自動控制操作，根據(jù)質(zhì)量流量計的反饋流量值控制流量調(diào)節(jié)閥的開度完成流量的自動調(diào)節(jié)；測試站完成試驗數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲、回放和管理等任務(wù)。

2.2 硬件設(shè)計

測控系統(tǒng)硬件主要由CX-2040-0125嵌入式PLC控制器、I/O模塊、C6930-0050工控機、液位變送器、質(zhì)量流量計、流量調(diào)節(jié)閥、各類傳感器、電磁閥及氣動閥等組成。數(shù)據(jù)采集模塊基于倍福模擬量輸入模塊，采集包括常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數(shù)。整個測控系統(tǒng)具備128路測量能力，64路控制能力。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體規(guī)劃

軟件總體規(guī)劃框圖如圖2所示，嵌入式軟PLC基于Windows系統(tǒng)平臺，帶有一個處理核，處理核將程序分為Task0-Task3四個優(yōu)先級不同的任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的循環(huán)方式及循環(huán)時間，且PLC程序最短循環(huán)周期為1ms。初始化操作與模塊狀態(tài)檢測設(shè)置優(yōu)先級最高，使用Task0任務(wù)調(diào)用，在程序運行過程中一旦出現(xiàn)初始化操作失敗或模塊狀態(tài)異常，程序優(yōu)先處理該任務(wù)。Task1用于在程序運行過程出現(xiàn)急停報警或者超出參數(shù)的安全保護范圍時，程序只執(zhí)行報警和安全保護相關(guān)程序，報警清除后程序方可正常運行。Task2用于運行對時間要求不高的程序，因此將數(shù)據(jù)采集程序、控制程序及自動時序設(shè)置為此段運行。Task3用于完成管路液體流量的PID自動調(diào)節(jié)。每個任務(wù)的程序都是獨立運行，通過全局變量與其他任務(wù)進行數(shù)據(jù)交換。

圖2 軟件總體規(guī)劃框圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲

對變化較快的壓力和流量數(shù)據(jù)，采用倍福ELM3704超采樣模塊采集，采樣率為10kHz，上位機讀取采集數(shù)據(jù)的周期為20ms，為降低因時間延遲產(chǎn)生的影響，定義Sample_Buffer_0[200][24]和Sample_Buffer_1[200][240]兩個二維數(shù)組交替緩存數(shù)據(jù)；對變化相對較慢的溫度和液位數(shù)據(jù)，分別采用倍福EL3314熱電偶采集模塊和普通EL4124模擬量輸入模塊采集，采樣率設(shè)為1KHz。試驗采集數(shù)據(jù)保存為二進制格式，方便數(shù)據(jù)存儲和上位機LabVIEW讀取。

3.3 通訊設(shè)計

液體發(fā)動機測控系統(tǒng)的人機界面采用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)，其與倍福TwinCAT 3之間通過ADS通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)信息交互。ADS是倍福公司定義的一種基于TCP/IP基礎(chǔ)的通信協(xié)議，其采用Server/Client模型[6]。本系統(tǒng)將TwinCAT 3作為ADS的Server，LabVIEW作為ADS的Client。LabVIEW與TwinCAT 3通過ADS提供的變量名訪問方式進行通信，變量名的訪問需經(jīng)過3個步驟：請求句柄、經(jīng)句柄寫數(shù)據(jù)及刪除句柄，在TwinCAT 3的底層應(yīng)用了ADS Server中的三個Function：F003、F005和F006。其中請求句柄是向內(nèi)存地址16#F003中寫數(shù)據(jù)值，創(chuàng)建到通信變量名的句柄；經(jīng)句柄寫入數(shù)據(jù)是向內(nèi)存地址16#F005中寫入數(shù)據(jù)；刪除句柄是向內(nèi)存地址16#F006中寫入數(shù)據(jù)用以刪除句柄。系統(tǒng)定義的部分通信變量名如表1所示。

表1 通訊變量列表

3.4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理具備試驗數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲與回放等功能，利用LabVIEW上位機將常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數(shù)進行處理后顯示并存儲為Excel和TDMS兩種格式，方便用戶查看和測試站軟件進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)管理面板如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)管理面板

4 系統(tǒng)功能測試與分析

TwinCAT 3軟件完成PLC的組態(tài)和I/O通道掃描，并對掃描通道進行在線綁定和量程設(shè)定，更新配置文件信息并下載運行PLC程序。

常溫推進劑模擬貯箱界面如圖4所示，控制氣動閥K100和K101數(shù)字量輸入通道的光電開關(guān)閉合，控件顯示為綠色，其余K型氣動閥的光電開關(guān)斷開，控件顯示為黃色。對數(shù)字量輸出通道，通過點擊電磁閥DCXXX輸出高電平，控件顯示為綠色，對應(yīng)的LED燈點亮；DCXXX電磁閥輸出低電平，控件則顯示紅色，對應(yīng)的LED燈熄滅。

圖4 常溫推進劑模擬貯箱界面

對壓力、溫度、流量和液位等模擬量參數(shù)，傳感器將其轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA電流信號接入AI通道，使用數(shù)字萬用表的測量值與上位機LabVIEW獲取的測量值進行比對，測量結(jié)果如表2所示。由表2可知，AI通道的相對誤差穩(wěn)定在0.5%以內(nèi)，符合模擬量參數(shù)測量的高精度要求。

表2 模擬量輸入測量

使用數(shù)字萬用表對AO通道流量調(diào)節(jié)閥LT1輸出的4-20mA模擬電流進行測量。結(jié)果表明，AO通道的相對誤差穩(wěn)定在0.3%以內(nèi)，滿足模擬量輸出功能的高精度要求。

控制電磁閥DC100-DC103完成自動時序操作，如圖5所示，部分電磁閥按照預(yù)先設(shè)定的時序完成動作，測試效果良好，符合系統(tǒng)的自動時序控制要求。

圖5 部分電磁閥動作時序

5 結(jié)語

本文基于EtherCAT實時以太網(wǎng)和嵌入式軟PLC設(shè)計了一套液體發(fā)動機測控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的主從結(jié)構(gòu)保證主站與從站的實時數(shù)據(jù)通訊，將其用于發(fā)動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、流量及液位等參數(shù)的測量與控制。上位機采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)，人機交互界面友好，易于操作。該系統(tǒng)具有實時性高、易于擴展和組態(tài)靈活等特點，可滿足不同類型的發(fā)動機地面試驗需求，擁有良好的應(yīng)用前景。