CN104007720B - 一种活动发射平台网络拓扑结构 - Google Patents

Abstract

解决确保活动发射平台驱动控制系统网络可靠和/或易维护问题，本发明提供了一种活动发射平台驱动控制系统网络拓扑结构，所述活动发射平台驱动控制系统包括如下节点：主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点、主站备PLC节点、从站主PLC节点、从站备PLC节点、若干变频器节点，以及若干绝对值编码器节点，所述网络拓扑结构包括顺次连接的基础自动化级通讯网络结构和过程自动化级通讯网络结构，且所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构共用如下节点：从站主PLC节点、从站备PLC节点。本网络拓扑结构提高了活动发射平台驱动控制系统的可靠性和可维护性，保证了火箭转运任务的顺利完成。

Description

一种活动发射平台网络拓扑结构

技术领域

本发明属于航天工业中的通信网络技术领域，更具体地，涉及一种活动发射平台网络拓扑结构。

背景技术

活动发射平台是活动发射平台的重要组成部分，它负责完成将运载火箭平稳、安全地在技术厂房与发射工位之间的垂直转运任务。其通讯网络是活动发射平台中的重要组成部分，它将系统中的各部分联系起来并实现它们之间的数据传递。通讯网络的性能优劣直接影响到整个自动发射系统的性能，因此通讯网络的布局和设计是否合理至关重要。

随着计算机技术、网络通信技术和自动发射技术的发展，现场总线技术逐渐被广泛应用于工业自动化系统中。由于现场总线系统具有安全可靠性高、互换性、开放性、分散性好等特点，因此，在航天工业中得到了广泛的应用。

活动发射平台产品在我国已有成熟的产品一项，为CZ-2F运载火箭活动发射平台。该活动发射平台采用简单的集中模式的网络结构，但是系统中的上位机节点、PLC节点等设备之间的通讯网络中存在单点，对系统的可靠性有一定影响。而随着计算机技术的发展，冗余功能强大的新设备不断出现对系统可靠性的提高带来了新的机遇，有必要开展冗余通讯网络的设计以提高航天产品的可靠性。

发明内容

为了提高活动发射平台网络结构的可靠性和/或易维护性，本发明提供了一种活动发射平台网络拓扑结构，所述活动发射平台包括如下节点：主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点、主站备PLC节点、从站主PLC节点、从站备PLC节点、若干变频器节点，以及若干绝对值编码器节点，所述网络拓扑结构包括顺次连接的基础自动化级通讯网络结构和过程自动化级通讯网络结构，且所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构共用如下节点：从站主PLC节点、从站备PLC节点。

进一步地，所述基础自动化级通讯网络结构包括主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点、主站备PLC节点、从站主PLC节点，以及从站备PLC节点，所述基础自动化级通讯网络结构包括彼此互不重叠的通讯网络A、通讯网络B、通讯网络C、通讯网络D、高速通讯网络G与高速通讯网络H。

其中，上位机节点、PLC主站节点、PLC从站节点之间均为工业以太网(网络A、B、C、D)，采用普通交换机和普通以太网线连接。PLC从站节点与变频器节点及绝对值编码器节点之间(网络E、F)采用Profibus-DP双绞屏蔽电缆连接，各元器件采用链式连接的形式,不同元器件在总线末端可能会根据需要增加终端电阻。网络GH采用光纤连接采用令牌环的网络拓扑结构。

进一步地，主上位机节点、主站主PLC节点和从站主PLC节点依次连接，其间分别包括通讯网络A和通讯网络C；备上位机节点、主站备PLC节点和从站备PLC节点依次连接，其间分别包括通讯网络B和通讯网络D；主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点和主站备PLC节点同时被连接在通讯网络A和通讯网络B中，主站主PLC节点、从站主PLC节点、主站备PLC节点以及从站备PLC节点同时被连接在通讯网络C和通讯网络D中。

进一步地，所述通讯网络A与通讯网络B构成一对冗余网络，且所述通讯网络C与通讯网络D构成另一对冗余网络。

进一步地，主站主PLC节点和主站备PLC节点之间包括冗余的高速通讯网络G和高速通讯网络H，以进行数据同步。

进一步地，所述过程自动化级通讯网络结构包括从站主PLC节点、从站备PLC节点、若干变频器节点及绝对值编码器节点，所述过程自动化级通讯网络结构包括通讯网络E和通讯网络F。

进一步地，所述从站主PLC节点与第一组变频器节点和绝对值编码器节点之间包括通讯网络E，所述从站备PLC节点与第二组变频器节点和绝对值编码器节点之间包括通讯网络F。

进一步地，所述通讯网络E与通讯网络F构成一对冗余网络。

本发明具有如下技术效果：

本发明为活动发射平台设计了一套冗余通讯网络。在设计的过程中，根据发射任务的需求在选择合适的硬件设备基础上，充分考虑了航天产品的可靠性、可维护性与安全性等要求和各类总线的特点，为系统设计了选择了合理的通讯网络拓扑结构。

该网络在满足任务要求的同时，具有多机热备冗余的通讯结构，确保网络无单点，并且在任何一点失效的情况下通过设置心跳检测和校验位等方式触发主备切换的策略，保证系统的正常通讯和故障定位及预案的触发，提高了活动发射平台的可靠性和可维护性，保证了火箭转运任务的顺利完成。

附图说明

图1示出了本发明的活动发射平台网络拓扑结构图。

具体实施方式

为了阐述方便，下文中规定如下：主站主PLC节点、主站备PLC节点与“主站PLC节点”或“PLC主站节点”的含义相同，主上位机节点、备上位机节点与“上位机节点”含义相同，从站主PLC节点、从站备PLC节点与“从站PLC节点”或“PLC从站节点”含义相同。

图1示出了根据本发明的优选实施例的活动发射平台网络拓扑结构。在图1所示的优选实施例中，活动发射平台包括如下节点：主上位机节点1、备上位机节点4、主站主PLC节点2、主站备PLC节点5、从站主PLC节点3、从站备PLC节点6、若干变频器节点301，302，303，304，305，306，以及若干绝对值编码器节点201，202，203，204。

图1中，该活动发射平台的网络拓扑结构包括顺次连接的基础自动化级通讯网络结构和过程自动化级通讯网络结构，且所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构共用如下节点：从站主PLC节点3、从站备PLC节点6。

其中，基础自动化级通讯网络的设备配置如下：上位机节点选用惠普Z820型号工作站，采用双网卡冗余机制，利用两个以太网线分别连接到交换机节点1与2上，构成工业以太网，实现数据的采集。上位机节点利用OPC协议实现上下位机之间的通讯。网络通讯卡选择了Woodhead公司的一款APP-ETH-PCU产品，该网卡内部芯片集成了OPC等多种通讯协议，可以提高上下位机之间通讯速率，从而提高系统的实时性。

过程自动化级通讯网路的设备配置如下：

PLC节点由两个双机热备冗余的主站节点和两个从站节点组成。由于完成转运任务需要同时运行的电机数至少为8个，因此系统将搭建两个从站节点，每个从站节点控制8部电机及台体两侧各一个绝对值编码数值的采集。PLC节点主站节点的CPU选型为GE公司的IC695CRU320产品，每个CPU模块后加入两块IC695RMX128内存模块。每个内存模块与另一主站节点的内存模块形成一组令牌环网络，用于同步两个CPU之间的数据，形成热备双冗余的工作模式。两令牌环网络仍然是冗余的。

每个主站节点模块增加四个以太网模块IC695ETM001,简称以太网模块1-4，其中模块1，2连接到交换机节点1与交换机节点2上负责与上位机节点之间的通讯，模块3和4分别接到交换机节点3与4负责与从站节点PLC节点之间利用TCP/IP协议实现数据的通讯。在本实施例的需求中，需要8部电机，因此PLC节点由两个从站节点组成，每个从站节点带有两个以太网模块负责与主站节点PLC节点的通讯。

每个从站节点控制8部变频器节点的运行和台体两侧的各1个编码器节点数据的采集。每个从站节点带一个IC694PBM300模块作为Profibus总线主站节点，每个Profibus总线主站节点带8个带有A7NPProfibus通讯卡的变频器节点Profibus总线从站节点及2个倍加福PVM58绝对值编码器节点Profibus总线从站节点形成一条Profibus总线链，每条链最后的一个编码设置带终端电阻作为Profibus总线的末端。

本实施例中，各上位机节点通过人机界面发送指令，各PLC节点接收上位机节点发送的指令。然后，各PLC节点负责逻辑运算，将速度指令发送给各变频器节点301，302，303，304，305，306，由各变频器节点301，302，303，304，305，306驱动电机运行，完成对活动发射平台的驱动。

为保证活动发射平台在部分元器件失效时能够顺利完成转运任务，各上位机节点、各PLC节点及其通讯网络都应采用双机热备冗余的结构。冗余模块之间应采用数据同步的形式进行数据的实时更新。当主上位机节点1或主PLC节点失效时，应保证能够实现主机与备机之间的无缝切断，保证系统的正常运行。由于单个变频器节点301，302，303，304，305，306、绝对值编码器节点201，202，203，204与电机都是单点，因此PLC节点与变频器节点301，302，303，304，305，306和绝对值编码器节点201，202，203，204应采用系统级冗余的形式，即将PLC节点与变频器节点301，302，303，304，305，306之间分成两组，每组PLC节点与变频器节点301，302，303，304，305，306可单独保证系统的正常运行，因此将PLC节点分为PLC主站节点与PLC从站节点，双主站节点进行热备冗余，双从站节点与各自的变频器节点301，302，303，304，305，306、绝对值编码器节点201，202，203，204组进行系统级冗余。

所述基础自动化级通讯网络结构包括主上位机节点1、备上位机节点4、主站主PLC节点2、主站备PLC节点5、从站主PLC节点3，以及从站备PLC节点6，所述基础自动化级通讯网络结构包括彼此互不重叠的通讯网络A、通讯网络B、通讯网络C、通讯网络D、高速通讯网络G与高速通讯网络H。

主上位机节点1、主站主PLC节点2和从站主PLC节点3依次连接，其间分别包括通讯网络A和通讯网络C；备上位机节点4、主站备PLC节点5和从站备PLC节点6依次连接，其间分别包括通讯网络B和通讯网络D。主上位机节点1、备上位机节点4、主站主PLC节点2和主站备PLC节点5同时被连接在通讯网络A和通讯网络B中，主站主PLC节点2、从站主PLC节点3、主站备PLC节点5以及从站备PLC节点6同时被连接在通讯网络C和通讯网络D中。

所述通讯网络A与通讯网络B构成一对冗余网络，且所述通讯网络C与通讯网络D构成另一对冗余网络。

主站主PLC节点2和主站备PLC节点5之间包括冗余的高速通讯网络G和高速通讯网络H，以进行数据同步。

由于PLC主站节点采用双机热备的冗余模块，因此上位机节点计算机及PLC主站节点均应采用双网卡双网络冗余形式，利用两组通讯网络(网络A与网络B)，分别连接主PLC节点及备PLC节点。

上下位机软件之间设置心跳检测(这种思想和技术在本领域是公知常识，且并非本发明创新点所在的网络拓扑结构，因此在此不再赘述)，由上位机节点显示主备两台上位机节点、主备两PLC主站节点及A网络与B网络的通讯状态，当主上位机节点1、主PLC主站节点及主网络失效时进行报警提示并自动切换为备机运行。

主备PLC主站节点之间应具有冗余的高速通讯网络进行数据同步(网络G与网络H)。负责同步数据的网络模块，双主站节点应能手动进行主站与备站的切换。

主备两个PLC主站节点应与两PLC从站节点之间同样采用双网卡双网络冗余形式(网络C与网络D)。主PLC节点与从PLC节点之间设置心跳检测，能够从上位机节点显示主备两PLC主站节点及C网络与D网络的通讯状态，当主PLC主站节点及主网络失效时进行报警提示并自动切换为备机运行。

所述过程自动化级通讯网络结构包括从站主PLC节点3、从站备PLC节点6、若干变频器节点301，302，303，304，305，306及绝对值编码器节点201，202，203，204，所述过程自动化级通讯网络结构包括通讯网络E和通讯网络F。该通讯网络E和通讯网络F也是所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构共用节点。这两个节点只是在本发明中为了描述基础自动化级通讯网络结构和过程自动化级通讯网络结构这两个网络结构的方便而采用的表述方式。本领域技术人员应当清楚的是，可以采用其他的划分方式表述上述两个网络结构之间的物理和/或数据连接关系。

所述从站主PLC节点3与第一组变频器节点301，302，303，304，305，306和绝对值编码器节点201，202，203，204之间包括通讯网络E，所述从站备PLC节点6与第二组变频器节点301，302，303，304，305，306和绝对值编码器节点201，202，203，204之间包括通讯网络F。

所述通讯网络E与通讯网络F构成一对冗余网络。

在其他的实施例中，网络E与网络F的形式可以根据实际设备的需要进行选择。

从站PLC节点应采集各变频器节点301，302，303，304，305，306及绝对值编码器节点201，202，203，204等设备的状态信息并上传给上位机节点，各变频器节点301，302，303，304，305，306等设备的状态字信息可以根据系统的需要用于应用层进行信号处理。

为了更清楚地说明本发明的网络拓扑结构的应用方式，现例举其工作原理如下：

当系统上电后，各元件正常工作。主上位机节点1与备上位机节点4利用网络A或B与采集主站主PLC节点2或备站主PLC节点的数据并进行监控。A网络与B网络构成冗余网络，当A网络失效时，主上位机节点1与备上位机节点4仍然可以通过网络B与主站主PLC节点2和主站备PLC节点5向B上位机节点发送指令，同时主上位机节点1与备上位机节点4也可以通过网络B接收主站主PLC节点2和主站备PLC节点5的数据。主上位机节点1、备上位机节点4、主站主PLC节点2与主站备PLC节点5之间均设置通讯检测校验位，并利用指示灯显示网络A与网络B的工作状态。

主站主PLC节点2作为主站运行占有主动权，主站主PLC节点2与主站备PLC节点5之间通过冗余的高速通讯网络G或H进行通讯，G网络与H网络为冗余网络，当G网络失效时，H网络同样可以完成数据同步。主站主PLC节点2与主站备PLC节点5上具有状态指示灯显示网络G与网络H的工作状态。

主站主PLC节点2、主站备PLC节点5、从站主PLC节点3、从站备PLC节点6之间通过网络C与网络D进行通讯。C网络与D网络构成冗余网络，当C网络失效时，主站主PLC节点2、主站备PLC节点5仍然可以通过网络D与从站主PLC节点3、从站备PLC节点6实现通讯。

网络E与网络F同时工作，分别用于从站主PLC节点3、从站备PLC节点6与网络中的其他设备之间进行通讯，网络E与网络F无物理连接，当单个网络E失效时，虽然会造成从站主PLC节点3与各个设备之间通讯失效，但是由于网络F工作正常，网络F中的过程级各设备仍然可以正常工作保证任务的完成，即网络E与网络F虽然为单点，但是并不是系统级单点。同时网络E与网络F的通讯检测校验位从站主PLC节点3、从站备PLC节点6发送给上位机节点，以反馈给操作人员根据需要做出应急预案。

根据本发明的另一个实施例，所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构不存在公用节点。其中，网络E和网络F分别由两组若干变频器节点301，302，303，304，305，306和若干绝对值编码器节点201，202，203，204构成。

需要说明的是，现有技术中一般使用的增量编码器无法按照本发明的连接方式进行电气连接和通信连接。本领域技术人员应当清楚的是增量编码器无法替代上述绝对值编码器节点。类似的，其他类型的编码器尚未经过试验证实其可靠性以及证实能够解决与本申请相同的技术问题和达到与本申请相同的技术效果。

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明一些具体实施方式的结构，并非详尽无遗或限制于上述所述具体形式。其中，“若干”可以是一个，也可以是至少两个的意思。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种活动发射平台网络拓扑结构，所述活动发射平台包括如下节点：主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点、主站备PLC节点、从站主PLC节点、从站备PLC节点、若干变频器节点，以及若干绝对值编码器节点，其特征在于，所述网络拓扑结构包括顺次连接的基础自动化级通讯网络结构和过程自动化级通讯网络结构，且所述基础自动化级通讯网络结构和所述过程自动化级通讯网络结构共用如下节点：从站主PLC节点、从站备PLC节点；

所述基础自动化级通讯网络结构包括主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点、主站备PLC节点、从站主PLC节点，以及从站备PLC节点，所述基础自动化级通讯网络结构包括彼此互不重叠的通讯网络A、通讯网络B、通讯网络C、通讯网络D、高速通讯网络G与高速通讯网络H；

主上位机节点、主站主PLC节点和从站主PLC节点依次连接，其间分别包括通讯网络A和通讯网络C；备上位机节点、主站备PLC节点和从站备PLC节点依次连接，其间分别包括通讯网络B和通讯网络D；主上位机节点、备上位机节点、主站主PLC节点和主站备PLC节点同时被连接在通讯网络A和通讯网络B中，主站主PLC节点、从站主PLC节点、主站备PLC节点以及从站备PLC节点同时被连接在通讯网络C和通讯网络D中。

所述通讯网络A与通讯网络B构成一对冗余网络，且所述通讯网络C与通讯网络D构成另一对冗余网络；

主站主PLC节点和主站备PLC节点之间包括冗余的高速通讯网络G和高速通讯网络H，以进行数据同步；

所述过程自动化级通讯网络结构包括从站主PLC节点、从站备PLC节点、若干变频器节点及绝对值编码器节点，所述过程自动化级通讯网络结构包括通讯网络E和通讯网络F；

所述从站主PLC节点与第一组变频器节点和绝对值编码器节点之间包括通讯网络E，所述从站备PLC节点与第二组变频器节点和绝对值编码器节点之间包括通讯网络F；

所述通讯网络E与通讯网络F构成一对冗余网络；

当系统上电后，各元件正常工作；主上位机节点1与备上位机节点4利用网络A或B与采集主站主PLC节点2或备站主PLC节点的数据并进行监控；A网络与B网络构成冗余网络，当A网络失效时，主上位机节点1与备上位机节点4仍然能够通过网络B与主站主PLC节点2和主站备PLC节点5向B上位机节点发送指令，同时主上位机节点1与备上位机节点4也能够通过网络B接收主站主PLC节点2和主站备PLC节点5的数据；主上位机节点1、备上位机节点4、主站主PLC节点2与主站备PLC节点5之间均设置通讯检测校验位，并利用指示灯显示网络A与网络B的工作状态；

主站主PLC节点2作为主站运行占有主动权，主站主PLC节点2与主站备PLC节点5之间通过冗余的高速通讯网络G或H进行通讯，G网络与H网络为冗余网络，当G网络失效时，H网络同样能够完成数据同步；主站主PLC节点2与主站备PLC节点5上具有状态指示灯显示网络G与网络H的工作状态；

主站主PLC节点2、主站备PLC节点5、从站主PLC节点3、从站备PLC节点6之间通过网络C与网络D进行通讯；C网络与D网络构成冗余网络，当C网络失效时，主站主PLC节点2、主站备PLC节点5仍然能够通过网络D与从站主PLC节点3、从站备PLC节点6实现通讯；

网络E与网络F同时工作，分别用于从站主PLC节点3、从站备PLC节点6与网络中的其他设备之间进行通讯，网络E与网络F无物理连接，当单个网络E失效时，虽然会造成从站主PLC节点3与各个设备之间通讯失效，但是由于网络F工作正常，网络F中的过程级各设备仍然能够正常工作保证任务的完成，即网络E与网络F虽然为单点，但是并不是系统级单点；同时网络E与网络F的通讯检测校验位从站主PLC节点3、从站备PLC节点6发送给上位机节点，以反馈给操作人员根据需要做出应急预案。