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曹虹（1967-）
男，工學碩士，1996年畢業于上海交通大學機電控制專業，研究方向為機電一體化；1996年~2002年任貝加萊工業自動化公司技術主管，2002年至今任上海英碩自動化科技有限公司總經理。
雙機熱備控制功能，在工業上有著十分廣泛的應用。除化工、冶金及電力等一些重要的過程自動化（PA）控制對象以外，一些重要的機器設備也同樣有著24小時不間斷工作，運行高度可靠，在線維護等要求，航空管制雷達（ATM）就是這樣一種典型的機電設備，其工作的可靠與否，會直接關系到所在空域飛機起降的安全。針對航管雷達的這種應用特點和要求，筆者運用PCC在運算控制及網絡通信方面的快速性，靈活性，采用兩套互耦的PCC控制器，運用筆者開發的一套驅動軟件，成功地構建了一套小型廉價、高效實用的雙機熱備航管雷達伺服控制系統，整個伺服系統具有如圖1所示的對稱式的控制功能構成。
圖1 對稱式控制功能構成圖
上述系統的主要功能構成如下：
（1）通過CAN總線，控制驅動雷達天線的7.5kW的方位電機的啟、停、正、反及調速轉動，同時實時監測方位電機的轉速、電流、溫升及故障報警信息。
（2）通過CAN總線，控制0.75kW的方位潤滑泵油電機的啟、停及調速轉動，同時實時監測泵油電機的轉速、電流、溫升及故障報警信息。
（3）控制極化電機的運動，實現天線饋源的圓極化和線極化。
（4）監控雷達伺服系統的轉速、油壓油溫和其他機械信息與狀態，并實現控制。
出于冗余熱備的設計考慮，上述所有機電設備均為2套，在機械結構布置上大體呈對稱化布局，他們作為相互冗余熱備的兩部分，構成了整個航管雷達伺服系統不可分割的整體結構。實際運行時，系統軟件運用一定的策略，選取其中的一半作為主控單元，另一半則自動成為主控單元的備用單元，與一般的備用不同的是，備用的部分被稱為“熱備”，即工作時處于上電狀態，功能上為準備狀態，即當系統主控系統發生故障，控制將中斷時，熱備系統會自動切入控制，接管原主控系統的控制角色。上述控制系統中，除了具有兩套對稱布局的PCC以外，還配備了機旁監控用的一塊觸摸屏PowerPanel，用于實時監測系統的所有工作信息，并可實現兩套PCC的主備機控制切換操作。同時，借助系統的主干網絡-以太網，網上的另一臺管理計算機也可以檢測系統的工作狀態和進行主備機遠程切換。
1 硬件的耦合實現
兩套對稱布局的PCC是整個系統的關鍵與核心，其相互間的軟、硬件耦合關系的實現則是保證雙機熱備控制功能的技術核心，如圖2所示的結構。
圖2 兩套對稱的PCC系統
相互耦合的兩套PCC中具有下列功能要素：
主備選擇開關：作為對主備功能選擇的硬件手段，該開關具有最大的選擇設置權限，當系統上電時，雙機熱備軟件會根據該開關的選擇狀態，設置相應的PCC為主控單元，另一套PCC則進入“熱備”備機工作狀態。
程序同步按鈕：該按鈕用于在裝載雙機熱備軟件時控制主備控制器之間的同步裝載，當按動該按鈕時，該控制器內的控制軟件可借助同步數據網絡耦合自動傳送到另一套控制器單元上，這對于系統軟件的維護是一個至關重要的功能。
LifeGuard（生命守護）信號：該信號在主備控制系統之間的輸入輸出通道間交叉連接著，通過該信號，備用的控制系統得以隨時監控到主控PCC的運行狀態，據此，在主控PCC癱瘓時，備用PCC會自動無擾動地切換為主控單元，接管原來主控PCC的軟件運行。
HeartBeat（心跳）信號：該信號在主備控制系統之間的輸入輸出通道間交叉連接著，據此，主控PCC在其程序運行過程中，按照固定的心跳節律，指揮備用PCC的軟件運行節奏，以確保主備系統軟件運行狀態的一致，這一信號的傳遞，是確保系統兩套PCC在主備關系切換時無擾動的必要條件。
SyncData（同步數據）網絡耦合：該信號通過工業以太網或高速率的串口，連接在兩套PCC之間，實現主控PCC將其運行的中間級輸出數據同步熱備份到備用的PCC之上，這一信號的傳遞，是確保系統兩套PCC在主備關系切換時無擾動的另一個必要條件。
上位管理網絡的鏈接：該連接以工業以太網實現，是兩套控制系統連接上位監控觸摸屏或管控計算機的網路。
輸入輸出信號：該部分與常規的非雙機熱備控制系統一樣，由航管雷達設備上各種傳感器與執行單元構成，也可以以CAN現場總線網絡的方式接入。
與常規系統不同的是，從雙機熱備系統功能架構考慮，所有這些信號均設計了互為冗余兩套，平行接入互為主備的兩套PCC控制系統中。
2 雙機熱備控制軟件的實現
本系統軟件的核心功能是實現兩套互為熱備的控制系統的協調管控，以確保系統對外的控制功能具有在線熱備的功能，概括起來，軟件設計需要滿足如下功能特點：
（1）高速性：系統軟件必須滿足高速運行，對外實現精準的數據、狀態采集與控制，并在主控單元崩潰失效以后，以較短的時間，完成主備用PCC的自動切換。
（2）同步性：兩套互為主備的PCC控制系統必須保持相互運行的同步性要求，并在主備角色切換時，確保對硬件設備的輸出控制平滑無擾動，這一點，單純從完全對稱的硬件結構設計是無法保證的，必須做出針對性的軟件任務調度設計和數據同步方面的處理。這也是整個系統軟件的核心所在。
（3）對稱性：本系統設計不僅需要實現硬件方面的對稱性，而且需要實現純粹的軟件對稱、同一性，即兩套PCC內部軟件必須是完全一樣的。這是在系統時間投運后，用戶得以正常進行日常軟硬件維護工作的客戶要求。
（4）開放性：本系統需要通過標準的工業以太網接口，與管控計算機觸摸屏聯網，實現航管雷達上位管控計算機對伺服控制系統的實時監控。
依照上述原理要求，以下是筆者設計的雙機熱備軟件數據同步與任務調度的流程原理示意圖。如圖3所示。
圖3 雙機熱備軟件數據同步與任務調度的流程原理示意圖
依照上述流程設計，本雙機熱備軟件的數據同步與任務調度的精確時序可表述如圖4所示。
圖4 數據同步與任務調度的精確時序圖
結語
上述采用兩套PCC的雙機熱備應用系統，打破了工業領域里習慣性的雙機熱備的“超豪華”軟硬件設計架構，以低廉、經濟的方案實現了小型、實用的應用要求。系統目前已成功裝備在我國東北、華北的多個民用、軍用機場的航管雷達網絡中，歷時數年，部分替代了目前市場上占主導地位的歐美發達國家進口航管雷達產品，以可靠、穩定、維護方便的優異表現，贏得了客戶的一致好評，展現了良好的市場前景，目前正處于國內推廣階段。
其他作者：吳影生（1978-），男，2004年畢業于東南大學電氣工程系，研究方向為電氣控制，2004年至今于中電科技第38研究所結構部從事機電控制、伺服控制研發工作。
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號