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摘 要： 這篇電子高級工程師論文發表了燃機模塊式電子控制系統的軟件設計，如今工業現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表了燃機模塊式電子控制系統的軟件設計，如今工業現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方案，從而提高燃機市場的核心競爭力。
摘要：本文在國內航空發動機電子控制系統研制的技術積累基礎上，開展基于網絡通訊技術的燃機模塊式電子控制系統研究，從燃氣輪機的電子控制系統方案設計開始，具體闡述了模塊式控制系統軟件的層次劃分，控制軟件的設計，重點突出了Ethercat實時以太網軟件包設計。
關鍵詞：電子高級工程師論文,以太網,燃機模塊,電子控制系統,軟件設計
引言
隨著燃氣輪機在工業現場的廣泛使用，對控制性能的要求越來越高，其控制系統也迅速從液壓機械式控制器發展為模擬式電子控制系統,進而發展成數字電子控制系統。到20世紀90年代,燃氣輪機開始全面配置數字電子控制系統。近年來，國外燃氣輪機的數字電子控制系統已經實現了標準化、系列化，實現了模塊化,并配置了菜單式的開發軟件。模塊化控制系統中通信總線是系統內部數據交換的橋梁，總線的可靠性是系統可靠性的保障，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等傳統的現場總線可靠性高、使用靈活，工程上已經得到了廣泛應用，但卻遭受速度瓶頸。工業實時以太網技術具有速度快、實時性好、可靠性高等特點，它的發展使工業控制在通用化、模塊化、數據交換等方面都面臨新的技術革命，特別適用于分布式控制系統設計。EtherCAT是由德國Beckhoff公司開發。采用以太網幀，以特定環狀拓撲發送數據的技術，擁有杰出的通訊性能，接線簡單，并對其它協議開放。
1.總體方案
1.1燃機模塊式電子控制系統方案
系統的控制對象是某型艦用中檔功率系列燃氣輪機，控制系統采用開放性的模塊結構。電子控制器采用標準化、系列化的模塊設計，各模塊間采用最新的工業實時以太網Ethercat連接，控制軟件設計成可選擇、可配置的標準模塊和接口，液壓執行機構設計成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個控制系統的設計變為功能模塊的選擇、匹配和調整——根據燃機控制系統的信號數量和接口類型選擇合適的硬件模塊，根據特定控制規律和控制系統要求選擇、配置相應的軟件模塊，根據燃油和導葉的控制要求選擇合適液壓執行機構。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整就能滿足要求，既縮短研發周期，又提高系統的可靠性，同時也便于今后實現性能改進和功能擴展。
1.2燃機控制系統組成
燃機控制系統包括綜合電子控制柜、系統軟件、液壓執行機構、電氣系統等。液壓機械裝置采用模塊化設計方法，包括高壓燃油泵、燃油計量裝置、導葉調節裝置等。各模塊可根據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。系統軟件包含控制軟件和應用軟件。控制系統接收來自控制室或監控臺的控制信號，對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩態工況運行以及停車和重要參數限制實施全面的自動控制和安全保護，能實現對燃機輔助系統的監測和控制，能實現對燃機的故障診斷和重要參數的記錄、存貯和通訊。
2.控制軟件設計
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，模塊之間通過工業以太網連接，控制系統采用基于網絡通訊技術模塊化設計，控制器的各種功能模塊之間用實時以太網進行連接，完成數據交互。各模塊可以集中在一起也可以分散到燃機的各部分，通過工業總線實現實時信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設計
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，實現控制系統功能。CPU模塊的控制應用軟件通過與底層軟件，根據模塊的特點進行功能的初始選擇和配置。初步設計的控制軟件層次結構如圖1所示，該層次結構適用于主CPU模塊與所有低級功能模塊。由于低級功能模塊的任務都比較簡單，所以并無必要采用實時內核，主CPU模塊也需根據實際情況決定采用傳統的順序結構還是基于實時內核的并行結構。同一功能的器件在驅動程序層向頂層提供一致的接口，在這一層次中需要制定對外圍器件讀、寫、模式設置、中斷、輪詢等操作的驅動程序函數模版。整理電子控制器硬件設計中常用的接口器件資料，針對這些器件編寫驅動程序并用數據庫進行驅動程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設計
控制軟件采用模塊設計，將燃機的主要控制過程、各種控制規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，并進行對參數設置連接就可形成控制程序。程序的框架設計要保證其可擴展性，根據燃機控制要求的變化，不斷的增加先進控制規律、控制算法模塊提高整個系統的性能。在對燃機控制系統的特點進行充分分析的基礎后，建立對燃機控制軟件的通用框架結構、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。根據燃機控制系統的功能，將控制軟件劃分為基本數值計算模塊庫、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、輔助系統控制模塊庫、底層軟件模塊庫、通訊協議模塊庫。模塊一般采用標準C語言編寫，與CPU相關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，模塊內部均采用自定數據類型，且可通過外部進行設置。
3.通訊軟件設計
EtherCAT通訊程序包括網絡收發模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設備模塊、主站模塊和從站模塊。網絡收發模塊完成底層網絡數據包的發送和接收功能。EtherCAT接口模塊實現EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設備模塊實現EtherCAT設備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實現主站初始化命令和循環命令的發送處理，實現和維護主站的狀態機。從站模塊實現從站設備的配置，同時維護從站設備的狀態機。
3.1Ethercat協議
EtherCAT是用于過程數據的優化協議，憑借特殊的以太網類型，它可以在以太網幀內直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區的特定內存區域，該區域最大可達4GB字節。數據順序不依賴于網絡中以太網端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現。當需要實現最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網操作時，則直接以太網幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網的應用。EtherCATUDP將EtherCAT協議封裝為UDP/IP數據報文，這就意味著，任何以太網協議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網中。顯然，在這種變體結構中，系統性能取決于控制的實時特性和以太網協議的實現方式。因為UDP數據報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網絡自身的響應時間基本不受影響。另外，根據主/從數據交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間(主/從)的通訊。自由編址的網絡變量可用于過程數據以及參數、診斷、編程和各種遠程控制服務，滿足廣泛的應用需求。主站/從站與主站/主站之間的數據通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設備和下游設備可以在同一周期內實現通訊，速度非常快。由于這種方法與拓撲結構相關，因此適用于由設備架構設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—數據通過主站進行中繼。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幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT以太網幀可以通過任何以太網MAC發送，并可以使用標準工具。
3.2主站軟件設計
EtherCAT可以在單個以太網幀中最多實現1486字節的分布式過程數據通訊。其它解決方案一般是，主站設備需要在每個網絡周期中為各個節點處理、發送和接收幀。而EtherCAT系統與此不同之處在于，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MAC設備即可。EtherCAT主站容易實現，尤其適用于中小規模的控制系統和有明確規定的應用場合。EtherCAT映射不是在主站產生，而是在從站產生，此時過程映像已經完成排序。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，相比之下，傳統的慢速現場總線系統通過有源插接卡方可實現主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務于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、開關量輸入模塊、開關量輸入1模塊、開關量輸入2模塊、開關量輸出模塊、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用軟件塊。軟件模塊設計的基本原則是數據隱藏，即各模塊內部數據私有，并提供外部接口訪問這些私有數據，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。子站模塊實現的功能為DSP外設初始化;獲取通道信息;獲取開關量輸入、擬量輸入、頻率量輸入信號;輸出開關量、PWM信號;FLASH存儲器操作;定時器的啟停、看門狗操作等。
4.結束語
在國內航空發動機電子控制系統研制的技術積累基礎上，開展基于網絡通訊技術的燃機模塊式電子器研究工作，研制具有自主知識產權的、具有國際先進水平的燃機模塊式電子控制系統，不僅可以創造經濟效益，而且能夠打破燃機電子控制系統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
[1]周向陽.模塊式燃機電子控制系統軟件設計技術研究.南京航空航天大學碩士論文.2010-03-01
[2]EtherCAT——技術介紹及發展概貌.國內外機電一體化技術.2006-11-30
[3]周千翔.基于實時以太網的分布式電子控制器設計.南京航空航天大學碩士論文.2008-12-01
[4]柳仁松.基于EtherCAT協議的分布式控制系統設計.青島大學碩士論文.2013-06-02.
作者：王成玖 單位：中航工業航空動力控制系統研究所
推薦期刊：《電訊技術》Telecommunication Engineering(月刊)創刊于1958年，系國內外公開發行的、理論與應用相結合的綜合性電子專業科技刊物，為中文核心期刊。
