CN111903220B - 一种带双环网的直线电机实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带双网的直线电机实时监控系统，该监控系统包括监控管理层、过程控制层、面向设备层三层结构，监控管理层包括：弹射服务器、监控工作站、指挥工作站，过程控制层包括可编程自动化控制器、冗余热备控制器与网络通信模块，面向设备层包括网络通信模块、分布式I/O以及面向直线电机的传感器网络。其中监控管理层与过程控制层之间采用双网结构，控制网与健康监测网均采用1000Mbps光纤以太网，控制网上传递控制指令与控制反馈信号或者综合健康状态信号，健康监测网上传递大量的传感器监测数据，双网相互隔离工作。过程控制层与面向设备层采用100Mbps以太网通信。该系统是一种实时性、可靠性、维修性都达到要求的直线电机系统实时监控系统。

Description

一种带双环网的直线电机实时监控系统

技术领域

本发明涉及直线电机系统监控，具体为一种面向直线电机的实时监控系统。

背景技术

在我国海军未来的航母和大型舰船上，电力推进系统、大容量区域配电系统、电磁飞机发射系统(EMALS)、高性能武器(如电磁轨道炮、激光武器、脉冲武器、微波武器等)等分系统已成为舰船现代化的重要标志，而这些分系统的高可靠性是保证和提高装备战斗技术指标和性能的关键系统。

现有的实时监控系统主要应用于工业控制领域，大多是以PLC(可编程逻辑控制器)为监控处理核心、普通计算机为上位机、传感器网络为底层的监控系统。由于工控领域的客观要求，对监控系统的实时性、可靠性以及可维修性的要求不是太高。

直线电机作为电磁发射的核心部件，需要对其工作状态、参数进行实时而可靠的监测与控制。由于直线电机及相关辅助系统要监测的量多，而且飞机电磁发射是一个短时重复的过程，完成一架飞机的弹射全过程都只用2s不到，所以对监控实时性要求高；直线电机的温度对电机性能参数影响大，监测传感器处在复杂的电磁环境下，同时存在过程不确定和外部干扰等因素，一处发生故障，将可能导致整个系统的瘫痪，控制失效，将产生严重后果，所以对监控的可靠性要求高；同时舰船内部空间有限，电子设备布置复杂，维修困难，所以对监控系统的易维修性提出了很高的要求。针对以上方面存在的问题，所以必须开发出一种实时性、可靠性、维修性都达到要求的直线电机系统实时监控系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高实时性、高可靠性、易维修性的直线电机实时监控系统，该系统建立了三层监控结构、二层网络。每一层结构都充分考虑了系统的实时性、可靠性要求，并制定了明确的通信协议，实现了直线电机系统的高可靠性、实时的分布式监控。

该系统的三层结构分别是：上层是监控管理层，中层是过程控制层，下层是面向设备层。两层网络分别是：光纤双环1000Mps以太网，普通100Mps以太网。

监控管理层主要包括：弹射服务器，监控工作站，指挥工作站。弹射服务器的主要功能是建立数据库，存储各种直线电机的弹射数据、监控量，以备后期离线分析弹射结果。监控工作站的主要功能是实时监测直线电机的各种监测量，与监测人员交互，实时反应直线电机的健康状态。指挥工作站的主要功能是与指挥人员交互，下达指令，控制直线电机及其辅助系统工作。

过程管理层主要包括：可编程自动化控制器1(PAC1)、冗余备份PAC2、以太网通信模块。可编程自动化控制器(PAC1)的主要功能是接受监控管理层的指令并发布给面向设备层，将由面向设备层收集到的监控量发布给监控管理层，同时根据需要编写实时闭环程序控制继电器开关。冗余备份PAC2的主要功能是做PAC1的热备份冗余，当PAC1发生故障时，自动切换到PAC2。以太网通信模块的主要功能是与监控管理层、面向设备层通信。

面向设备层主要包括：各用于测量的传感器网络，控制继电器、分布式I/O。面向设备层的主要功能是采集所需要监测的直线电机的状态量，发布给过程管理层，并接受过程管理层的指令控制继电器开关。传感器网络主要包括：光纤测温传感器、压力传感器、流速传感器、液位传感器、限位开关等。

光纤双环1000Mps以太网是以光纤传输的双环网络，将监控管理层的弹射服务器、监控工作站、指挥工作站、过程管理层通信连接成双环网，一环是健康监测网，传递的主要是监测信息，另一环是控制网，传递的是控制指令。

普通100Mps以太网是将过程控制层与面向设备层的分布式I/O通信连接起来，主要功能是传递监测信息与控制指令。

本发明提供的一种带双环的直线电机实时监控系统，其特征在于：

(1)本发明的直线电机实时监控系统，在监控管理层与过程控制层采用双环网结构，将控制网与健康监测网分离，同时组成环网。保证了控制指令的实时性、可靠性，防止了因健康监测信息数据量过大、网络拥塞造成控制指令的不及时从而发生严重后果。

(2)本发明的直线电机实时监控系统，在监控管理层的监控工作站、指挥工作站都采用工业级的PC104+作为处理器，具有低功耗、高可靠性、小体积、无风扇、宽温工作的特点，符合舰船复杂电磁、严苛温度环境下的应用。

(3)本发明的直线电机实时监控系统在过程管理层应用双处理器热备冗余，提高了系统的可靠性。一般的双处理器热备冗余都采用Controlnet作为下层网络，本发明的直线电机实时监控系统采用的是最新的采用Ethernet/IP网络的双处理器热备冗余。当PAC1发生故障时，系统将快速切换到热备机PAC2处理数据信息，其中热备机与主机之间的切换时间在ms级，不影响实时监控系统的正常运作。

(4)本发明的直线电机实时监控系统在面向设备层中应用的温度传感器为光纤测温传感器，光线测温传感器的优点在于反应时间快，抗电磁干扰能力强，可以对温度进行分布式测量，体积小，便于埋藏在定子线圈、内屏蔽层中，特别适合用于飞机电磁发射领域的直线电机定子温度测量。

(5)本发明的直线电机实时监控系统在面向设备层中应用的传感器均采用双倍冗余布置，再通过对同一测量数据的数值平均处理，提高了监控系统数据的准确性、可靠性。

(6)本发明的直线电机实时监控系统的大多数的监控设备都采用模块化处理，无论是作为HMI上位机PC104+的处理器、显示卡、网络卡，还是智能PAC的处理器、分布式I/O均采用易拔插、易拆卸、易维修的整体模块。在维修过程中，通过监测软件发现故障元件后，直接现场拔插更换，对整套系统的正常运转几乎没有影响。

(7)本发明的直线电机实时监控系统采用以太网一网到底，网络协议上采用基于CIP协议的Ethernet/IP。不同于以往的来源/目标的通信方式，而是基于生产者/用户的通信模式，适用于大范围的数据传送模式，它可以在同一时间，网络中一台设备与多台设备之间实现数据传送，一台设备播出自己的数据后，其他设备将同时接受到数据，并靠识别标识符来决定获取或舍弃数据。

(8)本发明的直线电机实时监控系统对故障报警采用双重报警机制。对系统的健康状态的判断取决于两个条件，一个是控制网上传递的“综合健康状态信号”，另一个是在监控工作站上工作的监控人员根据健康数据网上传递的健康监测量作出的判断。这样对故障报警采用双重验证，提高了系统的可靠性，并降低了系统的虚警率。

综上所述，本发明提供的的带双环网的直线电机实时监控系统是一套集监测、隔离、定位、控制、保护于一体的智能化、芯片化、模块化、通用与专用结合的监控系统，克服了舰船用电子设备的恶劣条件，它不但能提高直线电机系统的可靠性、实时性、维修性，而且简化维修、降低费用，是一套适用于舰船用直线电机系统健康诊断的分布式监控装置。

附图说明

图1是本发明一种带双网的直线电机实时监控系统的网络拓扑示意图。

图2是本发明一种带双网的直线电机实时监控系统的传感器布置示意图。

图3是本发明一种带双网的直线电机实时监控系统的监控管理层与过程控制层软件通信原理框图。

图4是一种带双网的直线电机实时监控系统的过程控制层软件模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，直线电机实时监控系统主要分成三层结构：监控管理层、过程控制层、面向设备层。现根据监测数据的信号流向由底层向上层来解释该图。面向设备层的传感器网络采集到直线电机的监测数据，如直线电机定子温度、动子温度、直线电机水冷系统的流速等模拟量，传感器输出4到20mA的电流输入到分布式I/O中的模拟量输入模块1794-IB16D或者温度输入模块1794-IR8中，如直线电机极限位置开关等开关量通过变送器转换为0到5V的开关电平并输入到开关量输入模块1794-IB16D中，这些模拟量、开关量在分布式I/O模块中转换为监测数字信号，监测数字信号在分布式I/O的背板通信传递，然后通过各分布式I/O的EtherNet/IP通信模块(1794-ENBT)2、3、4，在交换机4.3中信息交互，通过100Mbps的以太网上传至过程控制层的EtherNet/IP通信模块(1756-EN2T)1，通信模块1将各监测数字信号通过背板传递到可编程自动化处理器(PAC1)中。

PAC1采用罗克韦尔自动化公司的控制器1756-L63，平均无故障时间高达1114482个小时，具有高可靠性，同时，PAC2采用同样的一台控制器1756-L63作PAC1的热备冗余，当PAC1发生故障时，系统将快速切换到热备机PAC2处理数据信息，其中热备机与主机之间的切换时间在ms级，不影响实时监控系统的正常运作。在过程控制层的PAC1中，完成算法控制后，一方面PAC1发出控制信号，通过网络传递给面向设备层的分布式I/O开关量输出模块1794-OB16D，控制如水泵等的电磁阀开关通断。另一方面PAC1将收集到的实时监测信号通过交换机4.1上传上健康监测网，实时数字信号在由交换机4.1、3.1、2.1、1.1组成的1000Mbps光纤健康监测网环网传递；同时PAC1将控制反馈信号或者弹射状况是否健康的“综合健康状态信号”通过交换机4.2上传至由交换机4.2、3.2、2.2、1.2组成的1000Mbps光纤控制环网传递。其中弹射状况是否健康的“弹射允许信号”是：在PAC1中，综合各传感器采集到的监测数字信号后，经过程序判断是否各项数据均在阈值内，再逻辑与或为一个综合健康状态信号，这个信号只用一位数字量表示，为“0”或“1”，反映弹射状况是否健康。此信号可以作为监控管理层发出控制信号的反馈信号，只有在弹射状况健康时，才能按弹射流程进行下一步正常操作。

在监控管理层中，双网的数据各有处理。其中，健康监测网上传递的健康监测数据可以通过交换机1.1，传递到弹射服务器中，再通过数据库软件SQL，存储在弹射数据库中，以备后期离线分析调用。健康监测数据也可以通过交换机3.1，传递到监控工作站中，再通过人机界面软件Intouch，将弹射健康的详细情况呈现给监控人员分析，观测每一次弹射情况下，直线电机状态是否健康。控制网上传递的控制信号与控制反馈信号通过交换机2.1传递到指挥工作站上，同样通过人机界面软件Intouch，将控制反馈信号呈现给指挥人员，指挥人员根据情况作出下一步指令操作后，控制信号通过交换机2.1传递到控制网上，再一级级传递到底层面向设备层的控制继电器上。其中监控工作站与指挥工作站硬件上都采用盛博科技生产的PC104+做主机，CPU模块采用PM-4060，PM-4060采用Intel LV PentiumMCPU，工作频率为1.6GHz，具有64KB以及高速缓存和2MB二级高速缓存。PM-4060与PC/AT标准完全兼容，并遵从PC104+标准。该模块集成了PS/2键盘鼠标接口、CRT、IDE、USB 2.0、两串一并等接口，专为嵌入式应用设计。软件上采用Intouch组态软件进行人机交互与界面开发，它充分利用Windows的图形编辑功能，方便的构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表，将底层的监测信息通过显示屏显示给操作人员。通过在上位机上建立网络数据库，将各类实时数据、画面、图标等信息存入本地网络服务器中，以备后期对各种弹射数据深入分析。

图2为实时监控系统的面向设备层传感器布置示意图，主要采集的监测量有：直线电机的定子温度、动子温度、定子水冷系统的水流速、动子水冷系统水流速、定子/动子水箱水压、张紧缓冲机构中张紧杆压力、缓冲缸压力等。主要的控制量有定子水冷系统水泵的开关、动子水冷系统水泵的开关、张紧螺线杆的伸缩、缓冲螺线杆的伸缩、定子补水阀门的开关、动子补水阀门开关、动子排水阀门的开关等。

图3为实时监控系统过程控制层与监控管理层的通信原理框图，Intouch组态软件与Controllogix控制器之间的通信采用RSLINX通信协议，Intouch组态软件通过以太网与PAC1进行通信，访问PAC1相关的寄存器地址，从而获得PAC1所监测的量与修改相关寄存器的值。在运行期间，Intouch组态软件是通过驱动程序与PAC1交换数据，包括采集监测量与发送控制指令，每隔一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通信程序与Intouch组态软件构成一个完整的系统，保证了整套监测系统的实时性。

图4为实时监控系统过程控制层软件模块框图，当整套直线电机系统上电后，首先实现的是数据初始化，然后测试通信系统的有效性，然后按照预定程序的编写，运行各个模块程序，这些模块程序分别完成直线电机系统监控的部分功能，可以看作是各个子程序，这其中包括动子水冷循环、定子水冷循环等。当发生故障状态时，经过两次判断后，进入故障理断子程序，防止了整套监控系统的误报警，降低了监控系统的虚警率。在执行完整套程序后，接受到上位机发送的断电指令时，保存好所采集到的数据后发送上位机保存后关机。

Claims (4)

1.一种带双网的直线电机实时监控系统，其特征在于：系统分为监控管理层、过程控制层、面向设备层三层结构，监控管理层与过程控制层采用双网结构，控制网与健康监测网分离，均采用1000Mbps光纤以太网，过程控制层与面向设备层之间采用100Mbps以太网通信。

2.根据权利要求1所述的带双网的直线电机实时监控系统，其特征在于：面向设备层中直线电机定子测温传感器采用光纤测温传感器，流量传感器、压力传感器、液位传感器、限位开关均采用双倍冗余布置，通过对采集的同一监测量值求平均的方式增加系统可靠性。

3.根据权利要求1所述的带双网的直线电机实时监控系统，其特征在于：系统的监控管理层包括弹射服务器、监控工作站、指挥工作站三部分，将数据存储、监控显示、指挥命令分作三个独立的上位机工作。

4.根据权利要求1所述的带双网的直线电机实时监控系统，其特征在于：对系统的健康状态的判断取决于两个条件，一个是控制网上传递的“综合健康状态信号”，另一个是在监控工作站上工作的监控人员根据健康监测网上传递的健康监测量作出的判断。

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