王巧玉 邵雄凱 劉建舟

[摘 要]在燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)開發(fā)過程中,選取實時、可靠的通信總線有利于提高控制系統(tǒng)的整體性能。本文首先對目前幾種流行的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)進行比較,然后提出了基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的燃機控制系統(tǒng)設(shè)計思路?？刂破鞲髂K之間通過EtherCAT實時以太網(wǎng)進行通訊,具有通訊速率高、穩(wěn)定性強、可靠性好等優(yōu)點。

[關(guān)鍵詞]燃?xì)廨啓C 控制系統(tǒng) EtherCAT 實時以太網(wǎng)

[中圖分類號]TK47[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0044-03

A Survy of Network Communication Thchnology for A Gas Turbine Control System

WANG Qiao-yu,SHAO Xiong-kai,LIU Jian-zhou

(College of Computer Science and Technology,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

[Abstract]During development process of gas turbine control system, choosing the real-time and reliable communication bus is in favor of improving the integral performance of that control system. Firstly,this paper compares several popular network communication technologies at present; Secondly,the paper presents a new method of turbine control system based on EtherCAT. Since it has such advantages as high communication rate, strong stability and excellent reliability, modules of controller realize their each-to-each communication via EtherCAT real-time Ethernet.

[Keyword]gas turbine;control system ; EtherCAT ; real-time Ethernet

1 引言

燃?xì)廨啓C是一種新型動力機械,與其它動力裝置相比,具有功率大、尺寸小、重量輕、機動性強,采用箱裝體結(jié)構(gòu)可快速更換等優(yōu)點[1],因此被廣泛應(yīng)用于航空、艦船、車輛和發(fā)電等領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)是燃機工作過程中必不可少的組成部分,它的技術(shù)水平對燃機的工作性能有著重要影響,而通信總線作為控制系統(tǒng)中內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的橋梁,其可靠性是整個系統(tǒng)可靠性的重要保障,總線的速度也直接影響到整個控制系統(tǒng)的性能,因此必須選擇實時、可靠的通信總線。

2 幾種網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的比較

2.1 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)[2]?，F(xiàn)場總線技術(shù)適合于分散的、具有通信接口的現(xiàn)場被控設(shè)備的系統(tǒng),可以節(jié)省大量現(xiàn)場布線成本,但對于具有集中I/O的單機控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線技術(shù)沒有明顯優(yōu)勢。目前市場上常見的幾種現(xiàn)場總線有FF(基金會現(xiàn)場總線)、Profibus、CAN等,它們的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

現(xiàn)場總線產(chǎn)品具有可靠性高、使用靈活等優(yōu)點,在工程上得到了廣泛的應(yīng)用,但從應(yīng)用狀況看,無論是FF和Profibus,還是其他一些現(xiàn)場總線,都只能較好實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制,對于高速控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線卻日趨成為其發(fā)展的瓶頸。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)控制領(lǐng)域中另一種最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò),通過采用減輕以太網(wǎng)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級和流量控制以及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù),到目前為止工業(yè)以太網(wǎng)的實時響應(yīng)時間可以達到5～10ms,相當(dāng)于現(xiàn)有的現(xiàn)場總線,但對于響應(yīng)時間小于5ms的應(yīng)用,工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任。工業(yè)以太網(wǎng)具有較大的通訊帶寬,可以實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的傳輸,但由于無法保證數(shù)據(jù)的實時性,所以在燃機控制領(lǐng)域未得到應(yīng)用。

2.3 工業(yè)實時以太網(wǎng)

為了滿足高實時性能應(yīng)用的需要,各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案,這些方案建立在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通過對其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的擴展提高實時性,并且做到與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫連接,這就是工業(yè)實時以太網(wǎng)。工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為燃機控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的解決方案,其通訊實時性、可靠性特別適合于分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計。成熟的工業(yè)實時以太網(wǎng)方案并不多,目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬EtherCAT工業(yè)實時以太網(wǎng)。

3 EtherCAT實時以太網(wǎng)簡介

EtherCAT(Ethernet fot Control Automation Technology)是開放式的實時以太網(wǎng)通訊協(xié)議,由德國倍福公司開發(fā),并且得到了EGT組織的支持[3]。EtherCAT是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡(luò),它采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀,數(shù)據(jù)幀利用效率高;支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括線型、樹形、星型等,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活;可在30ms內(nèi)更新1000個I/O數(shù)據(jù),實時能力優(yōu)異。EtherCAT擁有多種機制,支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊[4]。它實現(xiàn)了安全功能,采用技術(shù)可行且經(jīng)濟實用的方法,使以太網(wǎng)技術(shù)可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優(yōu)越,可以完全兼容以太網(wǎng),可將因特網(wǎng)技術(shù)嵌入到簡單設(shè)備中,并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬,是一種實時性強、成本低廉的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

EtherCAT突破了其它以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制:不必在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,然后進行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。從站設(shè)備在報文經(jīng)過其節(jié)點時,每個I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以讀出該報文中指定到此I/O的數(shù)據(jù)。同樣,從站的輸入數(shù)據(jù)可以在報文經(jīng)過時插入到數(shù)據(jù)幀的相關(guān)報文中,報文僅有幾納秒延遲[5]。我們可以將以太網(wǎng)幀想象為一輛高速行駛的“火車”,整輛火車不停的穿越所有的從站設(shè)備,火車“車廂”(EtherCAT報文)的長度可以改變,從站設(shè)備可以在每列“火車”經(jīng)過時“提取”或“插入”單獨的“乘客”(BIT)或者多個“乘客”。

EtherCAT報文結(jié)構(gòu)如圖1所示,一個EtherCAT通訊幀包括6Bytes的目標(biāo)地址、6Bytes的源地址、2Bytes的以太網(wǎng)幀類型、11Bit的長度、1Bit的保留位、4Bit的類型、若干個子報文和CRC校驗。EtherCAT沒有重新定義新的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu),而是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0X88A4,采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi),并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。

4 基于EtherCAT的燃機控制系統(tǒng)設(shè)計

鑒于EtherCAT技術(shù)出色的性能以及在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,本文的控制系統(tǒng)采用EtherCAT作為電子控制器各模塊之間通訊的橋梁。

系統(tǒng)的控制對象是某型中檔功率燃?xì)廨啓C,燃機的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)燃機的自動調(diào)節(jié),包括對燃機的起動、加速、減速、變工況、穩(wěn)態(tài)工況運行、停車等過程實施全面的自動控制,采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并對重要參數(shù)進行限制與保護,對燃機狀態(tài)進行監(jiān)視,能實現(xiàn)對燃機的故障診斷和處理,記錄、存儲重要參數(shù),完成與其它設(shè)備的通訊功能等。

4.1 電子控制器的設(shè)計

燃機電子控制器采用基于EtherCAT通訊的模塊化設(shè)計,控制器的各功能模塊之間用EtherCAT進行連接,完成數(shù)據(jù)的交互。各模塊可以集中在一起,也可以分散到燃機的各個部分,通過EtherCAT實現(xiàn)實時信息交流和控制,通訊帶寬可達到100M。

電子控制器由主CPU模塊、AD模塊、AO模塊、DO模塊等組成,電子控制器原理如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用主、從站方式,主站采用PowerPC系列的CPU,從站采用DSP28X芯片。每個CPU模塊作為主站,與各從站形成EtherCAT網(wǎng),控制系統(tǒng)由三個EtherCAT子網(wǎng)組成,每個子網(wǎng)都能獨立完成所有控制功能,子網(wǎng)之間通過各自的主站模塊實現(xiàn)單個子網(wǎng)間點對點的通訊,從而為燃機提供三冗余的控制,提高控制的可靠性。本控制系統(tǒng)的設(shè)計也可方便的實現(xiàn)功能的擴展。

4.1 EtherCAT通訊軟件框架

控制軟件主要包括主站CPU模塊的控制程序、各從站模塊的控制程序和其它底層軟件模塊。EtherCAT主站只需要具備以太網(wǎng)接口,主站功能完全由軟件實現(xiàn)。EtherCAT可以用一個以太網(wǎng)幀發(fā)送1498字節(jié)的有效數(shù)據(jù),所以在通常情況下,每個通信周期只需要一個或兩個幀就能完成所有結(jié)點的全部通信。EtherCAT主站功能主要包含以下幾個方面:

(1) 讀取配置文件,根據(jù)配置文件的信息構(gòu)造主站與從站設(shè)備;

(2) 管理EtherCAT從站,發(fā)送配置文件中定義的初始化幀,依次讀取從站節(jié)點的配置信息,存儲到從站的配置表中;

(3) 根據(jù)從站的配置信息,主站依次去配置從站的尋址地址,數(shù)據(jù)長度等,完成一系列初始化工作;

(4) 由主站控制通訊周期,實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)通信,完成主站與從站之間的實時數(shù)據(jù)交換,達到主站控制從站運行,并處理從站實時狀態(tài)的功能。

EtherCAT從站的主要功能包括信號采集、信號輸出、調(diào)理補償,并且實現(xiàn)了運算、內(nèi)部自檢測、超限保護和診斷、以及辨識傳感器故障的功能。從站工作流程如圖3所示。

從站首先完成初始化配置,之后便進入主循環(huán)狀態(tài),等待主站發(fā)送指令,當(dāng)接收到主站指令后,從站控制芯片產(chǎn)生中斷,根據(jù)相關(guān)控制算法及控制邏輯進行指令的處理,然后反饋信息給主站,完成一次通信。在這個過程中,從站會根據(jù)系統(tǒng)故障字等進行相關(guān)的故障診斷和處理。

底層軟件模塊主要包括應(yīng)用層協(xié)議包,IO接口功能實現(xiàn)等。EtherCAT通訊主要是實現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議,因此軟件設(shè)計中一項重要的工作就是EtherCAT通訊軟件包的開發(fā),根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點,軟件包的開發(fā)可以分為以下幾個功能模塊,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通訊程序和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);從站模塊實現(xiàn)設(shè)備的配置,同時維護從站設(shè)備的狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文提出了基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的燃機控制系統(tǒng)設(shè)計思路,并針對電子控制器和控制系統(tǒng)軟件這兩個主要部件的設(shè)計進行了簡要的介紹,這種電子控制系統(tǒng)設(shè)計方案是切實可行的,它能夠解決燃機控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量實時傳輸問題,提高系統(tǒng)的實時性。同時EtherCAT使用方便,只需要標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜和價格低廉的標(biāo)準(zhǔn)連接器即可,極大的節(jié)約了成本。EtherCAT以其先進的技術(shù)優(yōu)勢、優(yōu)越的性能將在燃機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻]

[1] 吳會泉.艦用燃?xì)廨啓C裝置[M]. 武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2003.

[2] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[3] EtherCAT Technology Group (ETG). EtherCAT Technical Introduction and Overview. December 2004.

[4] EtherCAT Technology Group (ETG). EtherCAT: the Ethernet Fieldbus[J]. PC Control, 2005,7:14～19.

[5] 德國倍福公司.實時以太網(wǎng):I/O層超高速以太網(wǎng)[J].工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線, 2004,4

[6] 繆學(xué)勤.論六種實時以太網(wǎng)的通信協(xié)議[J]. 自動化儀表,2005,4.

[7] 薛銀春,孫健國.燃?xì)廨啓C控制技術(shù)綜述. 航空動力學(xué)報,2005,20(6).

[8] Monopoli R V. Model Following Control of Gas Turbine Engine [J].J.of Dynamic System,Measurement and Control,1992,103(9).