CN109884880B

CN109884880B - 用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统

Info

Publication number: CN109884880B
Application number: CN201910249092.XA
Authority: CN
Inventors: 顾志飞; 詹海洋; 张春元; 刘波涛; 张磊; 孙宇; 宁娟; 刘高同; 张强
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-09-10
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109884880A

Abstract

本发明公开了一种用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统，包括冗余处理单元(100)、网络连接单元(200)、分布式I/O单元(300)、流程显示单元(400)、冗余数据采集单元(500)和数据记录单元(600)。本发明提升了空间环境模拟器控制系统的可靠性、安全性、可维修性，同时节省施工材料、缩短施工周期从而节约系统的建设成本。

Description

用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统

技术领域

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构的控制系统。

背景技术

随着我国航天事业的不断发展，航天器尺寸越来越大，用于航天器测试的空间环境模拟器尺寸也随之发展。模拟器尺寸增加的同时，为获得真空、冷黑环境的外围设备大幅增加，分布区域更广，设备接口更加复杂，对设备的可靠性、安全性和可维修性要求更高。本发明针对超大型空间环境模拟器(容器内径φ17m，容器总高约32m)设计了一套分布式、冗余架构控制系统，将分布于大型空间环境模拟器周围约6000余平方米范围内近千台设备采用分布式控制柜(箱)将小范围内设备集中连接，并采用系统总线方式将所有分布式控制柜(箱)连接至冗余配置处理单元对所有设备进行统一控制。现有空间环境模拟器控制系统根据空间环境模拟器内径尺寸一般划分为两类，内径小于φ3m的小型空间环境模拟器控制系统由于设备分布范围小一般采用集中控制结构，内径大于φ3m的大、中型空间环境模拟器一般采用流程划分(真空流程、低温流程等)进行区域集中控制，流程间数据交换、联锁控制较为复杂。这两种控制方式用于超大型空间环境模拟器控制系统会造成多个控制器之间数据交换、联锁、协作更为复杂，增加工程施工难度和研制周期。

超大型空间环境模拟器是由于航天器对试验空间的要求不断扩大而建设的体积超大的试验装备。为获得模拟航天器在轨的空间环境(真空、冷黑、辐照等)而配置的各种机组、设备、执行机构以及为监测模拟器环境及系统参数而配置的各类传感器、仪器、仪表等数量也成比例不断增加。这些设备分布空间广、接口复杂，并且大型航天器型号试验对空间环境模拟器可靠性、安全性和可维修性要求更高，一套具有分布式、冗余架构的控制系统可实现超大型空间环境模拟器对控制系统的可靠性、安全性和可维修性要求。

随着计算机技术及互联网通讯技术的不断发展分布式控制系统的可靠性、安全性逐步提高，这种通过网络(以太网、总线等)将控制器、执行器、信号采集器、智能终端进行连接，可节省大量控制器与其他设备之间的各中测控电缆，采用分散布置I/O(输入/输出)信号，通讯方式传输监控信息的系统结构成为大型或超大型试验装置的合理选择。为防止系统中由于关键部件(控制器、控制终端、数据服务器、通讯端口等)出现单点失效而导致系统瘫痪的情况发生，需对关键部件进行冗余配置，使其在出现故障时可自动切换至备用部件，避免对整个系统运行产生严重危害，保证航天器型号试验得到安全、可靠保证。

用于I/O(输入/输出)设备和连接智能终端的网络设备，需要具备可在线更换功能，在其出现故障或损坏时能够在不影响系统可靠运行的情况下将故障件进行及时更换，实现重新连接并能够正常稳定运行。

发明内容

本发明目的在于实现对超大型空间环境模拟器为获得真空、冷黑环境所配置的外围设备进行安全、可靠的控制集成，并在保证系统的可靠性、安全性、可维修性的同时减少施工材料、缩短施工周期，节约系统的建设成本。

本发明采用了如下的技术方案：

用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统，包括冗余处理单元(100)、网络连接单元(200)、分布式I/O单元(300)、流程显示单元(400)、冗余数据采集单元(500)和数据记录单元(600)，其中：

冗余处理单元(100)：具有至少两套独立的处理单元(110/120)，每个处理单元(110/120)中均具有控制单元(111/121)和通讯接口一(112/122)；

网络连接单元(200)：网络连接单元是整个控制系统数据传输中枢，包含处理单元同步通讯网络(210)、上位通讯网络(220)、分布式I/O通讯网络(230)；

分布式单元(300)：分布式单元是系统用于连接获得空间环境所配置的各种机组、设备、执行机构及监测模拟器环境及系统参数而配置的传感器、仪器、仪表各类器件的连接单元，其中包含了通讯接口二(310)和I/O接口(320)两个部分；

流程显示单元(400)：流程显示单元将冗余数据采集单元(500)所采集的数据或数据记录单元(600)所记录的数据进行显示和指令下发，用于对空间环境模拟器试验过程进行监控；

冗余数据采集单元(500)：具有至少两台用于数据采集终端(计算机、服务器)，经网络连接单元(200)连接至冗余处理单元(100)，每台数据采集终端均能连接全部处理单元(110/120)，并根据处理单元状态(110/120)有效读写数据，同时能够将冗余处理单元(100)中所有需要展示和记录的数据进行采集并传输流程显示单元(400)下发的控制指令和数据至冗余处理单元(100)。

数据记录单元(600)：所述数据记录单元经网络连接单元(200)连接至冗余数据采集单元(500)获取需记录的数据并进行存储。

其中，控制单元(111/121)用于处理超大型环境模拟器中各种机组、设备、执行机构、传感器、仪器、仪表的控制信号处理、逻辑控制、数学计算和闭环控制；通讯接口(112/122)用于连接分布式I/O单元、数据采集单元和冗余处理单元间的数据同步通讯，每个处理单元均包含用于与不同单元连接的不同端口。

其中，处理单元同步通讯网络(210)用于同步各冗余处理单元中的数据；上位通讯网络(220)用于将冗余处理单元数据传输至冗余数据采集单元；分布式I/O通讯网络(230)用于冗余处理单元连接分布式I/O单元。

其中，通讯接口二(310)均能够通过分布式I/O通讯网络连接至冗余处理单元中的每个处理单元，也能够通过协议转换单元连接至通讯节点(机组、设备、仪器、仪表、智能终端等)。

其中，I/O接口(320)通过数字量输入/输出接口、模拟量输入/输出接口、高速脉冲接口的接口模块连接信号节点(执行器、传感器等)。

其中，流程显示单元(400)与冗余数据采集单元(500)集成于同一终端，或配置独立显示终端。

其中，所述记录的数据以参数、图形、动画、曲线方式进行显示和指令下发。

其中，流程显示单元(400)的数据是经网络连接单元(200)连接至冗余数据采集单元(500)获取，不直接连接至冗余处理单元(100)，每台流程显示终端均能连接至全部冗余数据采集单元(500)，并根据数据采集单元状态有效读写数据。

其中，数据记录单元(600)与冗余数据采集单元(500)集成于同一终端，或配置独立数据记录终端。

本发明采用最新的计算机技术及互联网通讯技术使超大型空间环境模拟器控制系统在提升可靠性、安全性、可维修性的同时节省施工材料、缩短施工周期从而节约系统的建设成本。本系统在保证了系统可靠性、安全性和可维修性的同时，大幅缩减了系统线缆使用量及施工周期。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统实施例的结构框图；

图2为图1中冗余处理单元100的结构框图；

图3为图1中网络连接单元200的结构框图；

图4为图1中分布式I/O单元300的结构框图。

具体实施方案：

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，需要注意的是，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图1，图1显示了本发明的用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统实施例的结构框图。其中，该系统包括冗余处理单元(100)、网络连接单元(200)、分布式I/O单元(300)、流程显示单元(400)、冗余数据采集单元(500)和数据记录单元(600)。冗余处理单元(100)：具有至少两套独立的处理单元(110/120)，每个处理单元(110/120)中均具有控制单元(111/121)和通讯接口一(112/122)；网络连接单元(200)：网络连接单元是整个控制系统数据传输中枢，包含处理单元同步通讯网络(210)、上位通讯网络(220)、分布式I/O通讯网络(230)；分布式单元(300)：分布式单元是系统用于连接获得空间环境所配置的各种机组、设备、执行机构及监测模拟器环境及系统参数而配置的传感器、仪器、仪表各类器件的连接单元，其中包含了通讯接口二(310)和I/O接口(320)两个部分；流程显示单元(400)：流程显示单元将冗余数据采集单元(500)所采集的数据或数据记录单元(600)所记录的数据进行显示和指令下发，用于对空间环境模拟器试验过程进行监控；冗余数据采集单元(500)：具有至少两台用于数据采集终端(计算机、服务器)，经网络连接单元(200)连接至冗余处理单元(100)，每台数据采集终端均能连接全部处理单元(110/120)，并根据处理单元状态(110/120)有效读写数据，同时能够将冗余处理单元(100)中所有需要展示和记录的数据进行采集并传输流程显示单元(400)下发的控制指令和数据至冗余处理单元(100)。数据记录单元(600)：可与冗余数据采集单元(500)集成于同一终端，也可配置独立数据记录终端，所述数据记录单元经网络连接单元(200)连接至冗余数据采集单元(500)获取需记录的数据并进行存储。流程显示单元(400)：可与冗余数据采集单元(500)集成于同一终端，也可配置独立显示终端，显示终端将冗余数据采集单元(500)所采集的数据或数据记录单元(600)所记录的数据以参数、图形、动画、曲线等方式进行显示和指令下发，用于对空间环境模拟器试验过程进行监控。流程显示单元(400)的数据是经网络连接单元(200)连接至冗余数据采集单元(500)获取，一般不直接连接至冗余处理单元(100)，每台流程显示终端均能连接至全部冗余数据采集单元(500)，并可以根据数据采集单元状态有效读写数据。

参见图2-4，图2-4分别显示了本发明系统中冗余处理单元100、网络连接单元200、分布式I/O单元300的结构框图，其中，所述冗余处理单元(100)包括至少两套独立的处理单元(110/120)，每个处理单元(110/120)中均具有控制单元(111/121)和通讯接口(112/122)；其中所述网络连接单元(200)包含处理单元同步通讯网络(210)、上位通讯网络(220)和分布式I/O通讯网络(230)；其中所述分布式单元(300)包含了通讯接口(310)和I/O接口(320)。

具体而言，冗余处理单元(100)：冗余处理单元是控制系统的核心，具有至少两套独立的处理单元(110/120)，每个处理单元(110/120)中均具有控制单元(111/121)和通讯接口(112/122)。控制单元(111/121)用于处理超大型环境模拟器中各种机组、设备、执行机构、传感器、仪器、仪表的控制信号处理、逻辑控制、数学计算和闭环控制等功能。通讯接口(112/122)用于连接分布式I/O单元、数据采集单元和冗余处理单元间的数据同步通讯。每个处理单元均包含用于与不同单元连接的不同端口。处理单元(110/120)可采用具备逻辑控制、数据计算、开环/闭环控制等控制功能，并具备连接多种现场总线、以太网、串行通讯能力的计算机、服务器、可编程控制器、可编程智能控制器、嵌入式计算机、工业计算机等设备。

网络连接单元(200)：网络连接单元是整个控制系统数据传输中枢，包含处理单元同步通讯网络(210)、上位通讯网络(220)、分布式I/O通讯网络(230)。处理单元同步通讯网络(210)是多个处理单元(110/120)之间进行连接和交换数据的网络，应采用传输速率不低于10Mbps的现场总线或以太网。上位通讯网络(220)用于连接冗余处理单元(100)、流程显示单元(400)、冗余数据采集单元(500)和数据记录单元(600)。其中冗余处理单元(100)只和冗余数据采集单元(500)进行数据交换，流程显示单元(400)和数据记录单元(600)全部数据来源于冗余数据采集单元(500)，上位通讯网络(220)应采用传输速率不低于100Mbps的以太网。分布式I/O通讯网络(230)是冗余处理单元(100)与分布式单元(300)进行连接的设备

分布式单元(300)：分布式单元是系统用于连接获得空间环境所配置的各种机组、设备、执行机构及监测模拟器环境及系统参数而配置的传感器、仪器、仪表等器件的连接单元。其中包含了通讯接口(310)和I/O接口(320)两个部分。通讯接口(310)均能够通过分布式I/O通讯网络连接至冗余处理单元中的每个处理单元，也能够通过协议转换单元连接至通讯节点(机组、设备、仪器、仪表、智能终端等)。I/O接口(320)可通过数字量输入/输出接口、模拟量输入/输出接口、高速脉冲接口等接口模块连接信号节点(执行器、传感器等)。

以天津超大空间环境模拟器为例，控制系统采用分布式、冗余架构控制系统。控制系统采用2台冗余处理单元用于处理超大型环境模拟器中各种机组、设备、执行机构、传感器、仪器、仪表的控制信号处理、逻辑控制、数学计算和闭环控制等功能。2个冗余处理单元之间通过同步通讯网络传输数据。通过分布式I/O通讯网络连接至设备间粗抽系统、高真空系统、真空度测量系统、罐内摄像系统、供液系统、液氮系统、气氮系统、热沉测温等分布式I/O单元，用于连接获得空间环境所配置的各种机组、设备、执行机构及监测模拟器环境及系统参数而配置的传感器、仪器、仪表各类器件。2台冗余处理单元与2台冗余数据采集单元之间采用上位通讯网络连接。2台冗余数据采集单元从冗余处理单元采集所有工艺参数、下发控制指令，并将需存储的数据提供给数据记录单元。流程显示单元通过上位通讯网络连接至冗余数据采集单元获取数据，并通过图形化的界面显示出工艺流程，并可通过操作窗口对工艺设备进行控制，控制指令通过上位通讯网络传输至冗余数据采集单元最终下达到冗余处理单元执行。数据记录单元由冗余数据采集单元获取关键工艺参数进行存储。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.用于超大型空间环境模拟器的分布式、冗余架构控制系统，包括冗余处理单元（100）、网络连接单元（200）、分布式I/O单元（300）、流程显示单元（400）、冗余数据采集单元（500）和数据记录单元（600），其中：

冗余处理单元（100）：具有至少两套独立的处理单元（110/120），每个处理单元（110/120）中均具有控制单元（111/121）和通讯接口一（112/122）；

网络连接单元（200）：网络连接单元是整个控制系统数据传输中枢，包含处理单元同步通讯网络（210）、上位通讯网络（220）、分布式I/O通讯网络（230）；

分布式单元（300）：分布式单元是系统用于连接获得空间环境所配置的各种机组、设备、执行机构及监测模拟器环境及系统参数而配置的传感器、仪器、仪表各类器件的连接单元，其中包含了通讯接口二（310）和I/O接口（320）两个部分；

流程显示单元（400）：流程显示单元将冗余数据采集单元（500）所采集的数据或数据记录单元（600）所记录的数据进行显示和指令下发，用于对空间环境模拟器试验过程进行监控；

冗余数据采集单元（500）：具有至少两台用于数据采集终端，经网络连接单元（200）连接至冗余处理单元（100），每台数据采集终端均能连接全部处理单元（110/120），并根据处理单元状态（110/120）有效读写数据，同时能够将冗余处理单元（100）中所有需要展示和记录的数据进行采集并传输流程显示单元（400）下发的控制指令和数据至冗余处理单元（100）；

数据记录单元（600）：所述数据记录单元经网络连接单元（200）连接至冗余数据采集单元（500）获取需记录的数据并进行存储。

2.如权利要求1所述的系统，其中，控制单元（111/121）用于处理超大型环境模拟器中各种机组、设备、执行机构、传感器、仪器、仪表的控制信号处理、逻辑控制、数学计算和闭环控制；通讯接口（112/122）用于连接分布式I/O单元、数据采集单元和冗余处理单元间的数据同步通讯，每个处理单元均包含用于与不同单元连接的不同端口。

3.如权利要求1所述的系统，其中，处理单元同步通讯网络（210）用于同步各冗余处理单元中的数据；上位通讯网络（220）用于将冗余处理单元数据传输至冗余数据采集单元；分布式I/O通讯网络（230）用于冗余处理单元连接分布式I/O单元。

4.如权利要求1所述的系统，其中，通讯接口二（310）均能够通过分布式I/O通讯网络连接至冗余处理单元中的每个处理单元，也能够通过协议转换单元连接至通讯节点。

5.如权利要求1所述的系统，其中，I/O接口（320）通过数字量输入/输出接口、模拟量输入/输出接口、高速脉冲接口的接口模块连接信号节点。

6.如权利要求1所述的系统，其中，流程显示单元（400）与冗余数据采集单元（500）集成于同一终端，或配置独立显示终端。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述记录的数据以参数、图形、动画、曲线方式进行显示和指令下发。

8.如权利要求1所述的系统，其中，流程显示单元（400）的数据是经网络连接单元（200）连接至冗余数据采集单元（500）获取，不直接连接至冗余处理单元（100），每台流程显示终端均能连接至全部冗余数据采集单元（500），并根据数据采集单元状态有效读写数据。

9.如权利要求1所述的系统，其中，数据记录单元（600）与冗余数据采集单元（500）集成于同一终端，或配置独立数据记录终端。