CN108037677A

CN108037677A - 用于南极天文望远镜的潜隐故障自愈半实物仿真平台

Info

Publication number: CN108037677A
Application number: CN201711234038.5A
Authority: CN
Inventors: 杨世海; 李运; 许丹丹; 吴佳佳
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN108037677B

Abstract

用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，由故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分组成；故障模拟系统由通用工业控制计算机、显示器、控制器UMAC、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、网络交换机组成；故障分析与自愈系统由宽温工业控制计算机、显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、惯性单元、网络交换机、传感器组成。本发明与全实物模型系统相比造价较低且通用性好；与全数字仿真相比模拟故障更为接近实际情况，所得结果更为可信。本发明通用性好，可通过Ethernet与实物南极望远镜相连，不仅可作为仿真平台且可作为真正工作的实时全实物故障检测与自愈平台。

Description

用于南极天文望远镜的潜隐故障自愈半实物仿真平台

技术领域

本发明涉及一种天文望远镜的潜隐故障自愈半实物仿真平台，具体涉及一种用于南极天文光学望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台。

本发明是国家自然科学基金面上项目（11373052）“南极大口径望远镜潜隐故障预警及无缝智能自愈策略的研究”的成果。

背景技术

当今世界各国开始在南极开展天文观测，布置一些天文观测设备，而且观测设备的口径越来越大。而南极冰穹A则是地球上进行天文观测的最佳台址之一。到目前为止，中国已经在南极冰穹A成功安装了中国之星（CSTAR）望远镜、两台南极巡天望远镜(AST3-1和AST3-2)，并且同时安装了能源支撑平台PLATO-A、天文台址监测自动气象站等许多辅助设备。

南极有着优异的天文观测条件，但是高寒（冰穹A最低温度可达-80℃）、低气压（海拔4093米）等恶劣的自然环境，导致电子元件、光学和机械系统的故障率大增；南极望远镜建造在冰层上，控制系统缺乏可靠的接地以屏蔽干扰，大量电磁干扰窜入系统；南极是个类似外层空间的环境，强辐射导致单粒子翻转效应，会导致大规模集成电路的功能紊乱。再加上软件本身健壮性原因和人为操作错误等原因，使得望远镜系统故障停机的机率高于普通望远镜。

南极天文光学望远镜不能允许出现故障停机。因为位于南极冰穹A的中国南极昆仑站不是越冬站，望远镜长期无人值守，长年连续工作。望远镜一旦发生故障，第二年才会有南极考察队员进行维护工作。

对南极天文望远镜的故障检测、诊断和故障处理方法进行研究，有利于望远镜后期故障解决方案的实施。尤其是，南极天文望远镜机电系统的不少故障往往有个萌芽、发展、最终形成真正故障的过程，在这个发展过程中的故障，我们称之为潜隐故障。而对潜隐故障的及时感知和分析判断，以至于消除，是很有价值的研究。

目前国内外还没有开发出针对南极天文光学望远镜机电系统的潜隐故障半实物仿真平台，而南极天文望远镜的设计与研制又迫切需要这样的仿真平台指导与验证故障检测、故障诊断与故障处理方法。正是由于较强的新颖性和在南极天文仪器方面具有的实用性，所以国家自然科学基金提供了资金支持这个南极天文望远镜故障半实物仿真平台的发明研究。

故障仿真平台具有专门性，所以是不存在所谓的“通用”半实物仿真平台的。甚至即使对于同一对象，基于其运动性能仿真和基于其故障仿真，也需要完全不同的平台进行，即运动仿真平台和故障仿真平台。本发明与国内外现有故障仿真平台有如下区别：（1）其他平台不是针对南极环境，器件不满足高原低气压、严寒的环境；（2）其他平台没有考虑和解决故障仿真平台自己的可靠性和故障问题，更没有平台自身自愈措施；（3）其他平台没有针对南极天文望远镜这个特殊对象；（4）其他没有远程预警措施；（5）其他平台不是针对潜隐故障进行研究。

发明内容

针对上述的南极天文望远镜没有故障仿真平台的现实情况，本发明设计了一种潜隐故障自愈半实物仿真平台。该平台可以准确模拟出南极天文望远镜的各种潜隐故障，产生与实际潜隐故障现象发生、发展时相同或相似的模拟量、数字量、开关量信号及其信号组合，并且该平台能实现潜隐故障的检测，允许使用者施加自己研究的待评估的故障处理算法（尤其可以是自愈算法），并能够在算法实施后评估其效果。本方法实现简单，可以进行多种自愈算法的仿真研究。而且该平台中的故障诊断自愈系统接口与南极望远镜统一，故障诊断自愈系统可以直接用作南极天文望远镜控制系统的故障检测、故障诊断和故障自愈。尤其是平台着重于潜隐故障的研究，研究及时发现并消灭故障于萌芽状态的方法。

完成上述发明任务的技术方案是：一种用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，该系统由故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分组成；其中，故障模拟系统的硬件设施由通用工业控制计算机、显示器、控制器UMAC(Universal Motion and Automation Controller）、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、网络交换机等组成；故障分析与自愈系统的硬件设施由宽温工业控制计算机、显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、惯性单元、网络交换机、传感器等组成。

其中，故障分析与自愈系统中设有独立的惯性测量单元传感器MW-MU500，安装在望远镜的镜筒上，其数据由宽温工业控制计算机直接接收。此惯性单元提供望远镜三坐标位置、速度、加速度数值。同时，南极望远镜的赤经轴和赤纬轴各有位置编码器，可以解算望远镜位置、速度、加速度。惯性单元和位置编码器既同时提供了望远镜位置、速度、加速度数据，监视了望远镜驱动系统故障，又彼此监视对方传感器可能发生的故障，为故障检测系统提供了足够的冗余度。

所述的故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分通过数据通讯网络与数据采集网络，分别与天文望远镜本体上的RA机构、DEC机构及调焦机构链接；并通过数据通讯网络与数据采集网络控制天文望远镜本体上的各个驱动器、传感器与电机；同时，故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分通过数据通讯网络与数据采集网络，分别与天文望远镜的辅助设备链接，所述的辅助设备包括：镜面除霜机构、CCD温控机构、读数头温控机构、吹风机及摄像头；以上各部分均通过数据通讯网络与数据采集网络与软件及计算机系统连接。

本发明的功能包括：南极天文光学望远镜机电控制系统的潜隐故障模拟、潜隐故障诊断与潜隐故障处理。该系统由故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分组成。

故障模拟系统实现故障现象的仿真，模拟产生南极望远镜的各种潜隐故障现象。这些故障现象是通过软硬件产生，输出可被故障诊断系统辨识的模拟量、数字量和开关量信号及其信号组合。

故障分析与自愈系统完成故障信号采集、故障分析诊断、实施某种特定的故障算法，以及对该算法的效果进行评估。具备良好的人机对话窗口，可以实现仿真启动停止、初值设定等多种仿真指令下达以及数据的保存与曲线显示等多种功能。故障信号采集通过Ethernet网络、RS485 串行通信口、IO端口开关量的输入、模拟量的采集与转换等手段得到望远镜的各运动部件、控制部件和传感器的数据。

故障模拟系统、故障分析与自愈系统这两套系统共同组成了南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台。而这两套系统从功能到实际设备都是完全独立的，彼此可以独立工作。其中故障分析与自愈系统由于采用与南极天文望远镜完全相同的接口，采用该望远镜开放的接口协议，采用适应南极低温低气压的宽温设备、器件和线缆，从而此系统可以直接作为南极望远镜的故障处理单元在南极现场进行工作。根据南极望远镜的实际工作获得的经验，故障模拟系统可以独立升级，灵活添加新的故障模式。

所述的故障模拟系统以1台通用工业控制计算机和1台控制器UMAC(UniversalMotion and Automation Controller）为核心。另外包括显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、网络交换机等组成。采用Ethernet以太网络和RS485串口两种通讯模式。

南极天文光学望远镜机电控制系统故障诊断、处理的半实物仿真系统的工作分为两种情况，模式1是南极天文光学望远镜半实物仿真模式，模式2是正常的南极天文光学望远镜故障工作模式，该模式应用于南极现场，故障分析与自愈系统成为望远镜控制系统的一部分。在模式1中，故障模拟系统与故障分析与自愈系统都参与工作。在模式2中，只有故障分析与自愈系统参与。

故障分析与自愈系统的工控机软件在检测分析故障信号并进行自愈动作后，会接收一个故障模拟系统传来的真正故障的说明，从而与本机的故障分析与自愈系统的判断结果进行对比，给出一个评价值，记录在文档中，也显示在工控机界面上，从而使研究者能够对自己的南极望远镜的故障分析与自愈算法有个量化的评价。

本系统所使用元器件均满足南极保温舱和室外温控环境下使用的要求：存储环境-40℃，工作环境-20摄氏度。

本系统所使用传感器部件全部采用RS485通讯；然后采用串口通信服务器MOXANport5650-8-DT实现串口通讯转换为Ethernet网络通讯，便于集中控制和编程。

本发明的有益效果是：（1）本发明的半实物故障仿真平台，与全实物仿真系统相比，造价较低而且通用性好；与全数字仿真相比，其模拟故障更为接近实际情况，所得结果更为可信。（2）此平台采用Ethernet网络接口，通用性好，可以通过Ethernet与实物望远镜相连，可以作为南极天文望远镜的真正的实时故障处理单元，而不仅仅是只做仿真研究。

下面参考附图和具体实施例，进一步详细说明本发明。

附图说明

图1 半实物仿真平台结构图；

图2-1、图2-2分别为半实物仿真平台机柜图；

图3 故障分析与自愈系统电源供应原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1，用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，参考图1和图-1、图2-2，故障模拟系统以1台通用工业控制计算机和1台控制器UMAC(UniversalMotion and Automation Controller）为核心。另外包括显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、网络交换机等组成。采用Ethernet以太网络和RS485串口两种通讯模式。图中：显示器1，键盘及托盘2，电气控制箱3，电源系统4，网络交换机5，工业控制计算机6，PDU电源分配插座7，AMP理线架8，图2-2中，UMAC控制器9。

所述的工业控制计算机采用研华IPC-610H，I7-2600(G)处理器，双网口独立网卡，其中一个网口用于设备级通讯，通过网络交换机与UMAC控制器通讯、以及与各传感器、程控电源所连接的串口通信服务器通讯；另一个网口与故障分析与自愈系统通讯。两个网口使用不同的IP段号。所述的UMAC控制器是美国Delta Tau公司生产，由基于Motorola DSP56303的CPU(80MHZ,带512×8闪存)与DELTA TAU公司开发的用户门阵列IC组成。所述的串口通信服务器为MOXA Nport5650-8-DT，EDS-208A-M-ST-T实现传感器和程控电源的RS485串口通讯转换为Ethernet网络通讯，以简化编程和提高控制的灵活性。所述IO输入输出单元来自UMAC的附件卡ACC-65E，提供24入24出的IO端口。所述的程控电源为朝阳电源4NIC-CK60（0~50V，60W）。所述的继电器设备为研华PCLD-885功率继电器输出板,它带有16个SPST继电器通道,同时拥有最大的额定接触功率(250VAC @5A和30VDC @5A)。在工业控制计算机的指令下，UMAC的ACC-65E附件板促使PCLD-885动作，模拟望远镜赤经轴正限位、赤经轴负限位、赤纬轴正限位、赤纬轴负限位、调焦机构正限位、调焦机构负限位、电路短路、电路断路等故障。程控电源模拟镜面融霜系统、读数头温控系统的电源故障。ACC-28E4通道16位高精度模拟量转换模块 I，模拟接收位置传感器LVDT的信号，进而模拟此调焦位置传感器故障II ，模拟传感器和控制电路中的电磁干扰。

参考图1和图-1、图2-2，故障分析与自愈系统以1台宽温工业控制计算机为核心。另外还包括显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、电流电压传感器、惯性单元、网络交换机等单元。采用Ethernet以太网络和RS485串口两种通讯模式。故障分析与自愈系统所使用元器件均满足南极保温舱和室外温控环境下使用的要求（即存储环境-40℃，工作环境-20摄氏度）。

所述的宽温工业控制计算机采用磐仪FPC-7601，Intel双千兆网卡，该工控机可以运行在-20℃~80℃的环境。所述的串口通信服务器为MOXA Nport5650-8-DT实现传感器和程控电源的RS485串口通讯转换为Ethernet网络通讯后，连接到EDS-208A-M-ST-T网络交换机，以简化编程和便于集中统一控制。所述的电流传感器是6路交流电流检测ZH-4062-14F3、直流电流电压检测ZH-4223-14F3、6路交流电压检测ZH-40061-14F3。所述的ZH-4062-14F3检测以下电流：故障分析与自愈系统总电流，程控电源电流，望远镜赤纬轴驱动系统电流，望远镜赤经轴驱动系统电流，望远镜吹风系统电流；所述的ZH-40061-14F3检测以下电压：故障分析与自愈系统总电压，程控电源电压,望远镜赤纬轴驱动系统电压，望远镜赤经轴驱动系统电压，望远镜吹风系统电压；所述的ZH-4223-14F3检测以下电压和电流：宽温工业控制计算机电压电流（直流24V供电）、位置编码器读数头温控电源的电压电流，望远镜镜面融霜系统的电压电流，调焦驱动系统的电压电流。所述的惯性单元为MW-MU500，通过RS485串口，输出望远镜的姿态，包括俯仰角、横滚角、偏航角这三个欧拉角，望远镜三轴加速度、角速度。惯性测量单元传感器安装在望远镜的镜筒上，其数据由宽温工业控制计算机直接接收。此惯性单元反映望远镜位置、速度、加速度方面的故障现象，可由故障模拟系统的软件系统模拟，进而通过Ethernet发布给故障分析与自愈系统进行分析和处理。而在故障分析与自愈系统作为真正南极工作部件后，惯性单元的数据作为监控望远镜编码器位置传感器和望远镜电机的旋转变压器是否工作正常的依据之一。

南极天文光学望远镜机电控制系统故障诊断、处理的半实物仿真系统的工作分为两种情况，模式1是南极天文光学望远镜半实物仿真模式，模式2是正常的南极天文光学望远镜故障工作模式。在模式1中，故障模拟系统、故障分析与自愈系统都参与工作。故障模拟系统、故障分析与自愈系统各自的交换机通过网线相连接，机柜上的IO口插头彼此相连。故障模拟软件、故障分析与自愈软件同时工作。此模式用于研究南极望远镜的故障检测、故障分析、故障自愈的方法。在模式2中，只有故障分析与自愈系统参与。故障分析与自愈系统的交换机EDS-208A-M-ST-T通过网线连接到南极望远镜的交换机。故障模拟系统不启用。如图3所示故障分析与自愈系统的电源供应系统的具有自愈能力，以提高系统在南极工作的可靠性。采用菲尼克斯STEP—DIODE/5-24V模块，2台+24V电源并联在该模块输入端，当有一个电源故障时，模块自动切换到正常电源，该模块能够满足在南极仪器舱工作温度-20℃下工作的要求，可以在温度-20℃下工作。

Claims

1.一种用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，本系统由故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分组成；其中，故障模拟系统的硬件设施由通用工业控制计算机、显示器、控制器UMAC、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、网络交换机组成；故障分析与自愈系统的硬件设施由宽温工业控制计算机、显示器、串口通信服务器、IO输入输出单元、继电器、程控电源、惯性单元、网络交换机、传感器组成。

2.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，所述故障分析与自愈系统中设有独立的惯性测量单元传感器MW-MU500，安装在望远镜的镜筒上，其数据由宽温工业控制计算机直接接收；此惯性单元提供望远镜三坐标位置、速度、加速度数值；同时，南极望远镜的赤经轴和赤纬轴各有位置编码器解算望远镜位置、速度、加速度；惯性单元和位置编码器提供望远镜位置、速度、加速度数据，监视了望远镜驱动系统故障，又彼此监视对方传感器可能发生的故障，为潜隐故障检测系统提供足够的冗余度。

3.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，所述的故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分通过数据通讯网络与数据采集网络，分别与天文望远镜本体上的RA机构、DEC机构及调焦机构链接；并通过数据通讯网络与数据采集网络控制天文望远镜本体上的各个驱动器、传感器与电机；同时，故障模拟系统、故障分析与自愈系统两部分通过数据通讯网络与数据采集网络，分别与天文望远镜的辅助设备链接，所述的辅助设备包括：镜面除霜机构、CCD温控机构、读数头温控机构、吹风机及摄像头；以上各部分均通过数据通讯网络与数据采集网络与软件及计算机系统连接。

4.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，本系统的工作分为两种情况，模式1是南极天文光学望远镜半实物仿真模式，模式2是正常的南极天文光学望远镜故障工作模式，该模式应用于南极现场，故障分析与自愈系统成为望远镜控制系统的一部分；在模式1中，故障模拟系统与故障分析与自愈系统都参与工作；在模式2中，只有故障分析与自愈系统参与。

5.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，本系统所使用元器件均满足南极保温舱和室外温控环境下使用的要求：存储环境-40℃，工作环境-20℃。

6.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，本系统所使用传感器部件全部采用RS485通讯；然后采用串口通信服务器MOXA Nport5650-8-DT实现串口通讯转换为Ethernet网络通讯，便于集中控制和编程。

7.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，所述的工业控制计算机采用研华IPC-610H，I7-2600(G)处理器，双网口独立网卡，其中一个网口用于设备级通讯，通过网络交换机与UMAC控制器通讯、以及与各传感器、程控电源所连接的串口通信服务器通讯；另一个网口与故障分析与自愈系统通讯；两个网口使用不同的IP段号；所述的UMAC控制器由基于Motorola DSP 56303的80MHZ,带512×8闪存CPU与用户门阵列IC组成；所述的串口通信服务器为MOXA Nport5650-8-DT，EDS-208A-M-ST-T实现传感器和程控电源的RS485串口通讯转换为Ethernet网络通讯，以简化编程和提高控制的灵活性；所述IO输入输出单元来自UMAC的附件卡ACC-65E，提供24入24出的IO端口；所述的程控电源为朝阳电源4NIC-CK60；所述的继电器设备为研华PCLD-885功率继电器输出板,它带有16个SPST继电器通道，同时拥有最大的额定接触功率；在工业控制计算机的指令下，UMAC的ACC-65E附件板促使PCLD-885动作，模拟望远镜赤经轴正限位、赤经轴负限位、赤纬轴正限位、赤纬轴负限位、调焦机构正限位、调焦机构负限位、电路短路、电路断路故障；程控电源模拟镜面融霜系统、读数头温控系统的电源故障；ACC-28E4通道16位高精度模拟量转换模块（1）模拟接收位置传感器LVDT的信号，进而模拟此调焦位置传感器故障（2）模拟传感器和控制电路中的电磁干扰。

8.根据权利要求1所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，所述的宽温工业控制计算机采用磐仪FPC-7601，Intel双千兆网卡；所述的串口通信服务器为MOXA Nport5650-8-DT；实现传感器和程控电源的RS485串口通讯转换为Ethernet网络通讯后，连接到EDS-208A-M-ST-T网络交换机；所述的电流传感器是6路交流电流检测ZH-4062-14F3、直流电流电压检测ZH-4223-14F3、6路交流电压检测ZH-40061-14F3；所述的ZH-4062-14F3检测以下电流：故障分析与自愈系统总电流，程控电源电流，望远镜赤纬轴驱动系统电流，望远镜赤经轴驱动系统电流，望远镜吹风系统电流；所述的ZH-40061-14F3检测以下电压：故障分析与自愈系统总电压，程控电源电压,望远镜赤纬轴驱动系统电压，望远镜赤经轴驱动系统电压，望远镜吹风系统电压；所述的ZH-4223-14F3检测以下电压和电流：宽温工业控制计算机电压电流、位置编码器读数头温控电源的电压电流，望远镜镜面融霜系统的电压电流，调焦驱动系统的电压电流；所述的惯性单元为MW-MU500，通过RS485串口，输出望远镜的姿态，包括俯仰角、横滚角、偏航角这三个欧拉角，望远镜三轴加速度、角速度；惯性测量单元传感器安装在望远镜的镜筒上，其数据由宽温工业控制计算机直接接收；此惯性单元反映望远镜位置、速度、加速度方面的故障现象，由故障模拟系统的软件系统模拟，进而通过Ethernet发布给故障分析与自愈系统进行分析和处理。

9.根据权利要求1-8之一所述的用于南极天文望远镜机电系统的潜隐故障自愈半实物仿真平台，其特征在于，所述的故障分析与自愈系统的电源供应系统具有自愈能力，采用菲尼克斯STEP—DIODE/5-24V模块，2台+24V电源并联在该模块输入端，当有一个电源故障时，模块自动切换到正常电源，该模块满足在南极仪器舱工作温度-20℃下工作的要求。