熊小峰,王鴻礫,馬 睿,方 飚,秦毓毅

(國(guó)網(wǎng)四川綜合能源服務(wù)有限公司，成都 610072)

0 引言

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，民用飛機(jī)的數(shù)量也越來(lái)越多。飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)?？繒r(shí)原本由飛機(jī)輔助動(dòng)力設(shè)備(APU)提供動(dòng)力，但APU消耗航空燃油量巨大，且二氧化碳的大量排放造成環(huán)境的嚴(yán)重污染[1-4]。機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備的推廣應(yīng)用和APU替代能夠有效地緩解這一問(wèn)題，橋載設(shè)備主要包括飛機(jī)提供輔助動(dòng)力的靜變電源和專用空調(diào)設(shè)備[5-7]，因此對(duì)該設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)控制有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備的使用是由運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)就地啟動(dòng)和停止，并未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集分析，而且虛擬DPU在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用較少，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用的是硬件DPU來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的邏輯算法功能，如電力發(fā)電廠中的DCS控制系統(tǒng)用的是硬件DPU設(shè)備，而虛擬DPU常用于控制系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)[9-11]。因此，本系統(tǒng)以國(guó)電智深系統(tǒng)EDPF-NT Plus為平臺(tái)，研究虛擬DPU在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)控制中的原理及應(yīng)用技術(shù)，成功設(shè)計(jì)搭建了綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)橋載空調(diào)及靜變電源設(shè)備控制系統(tǒng)。

接下來(lái)將對(duì)虛擬DPU的工作原理以及控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

1 虛擬DPU技術(shù)

DPU是分散控制系統(tǒng)(DCS)的關(guān)鍵技術(shù)，處于核心環(huán)節(jié)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信與上位機(jī)工程師站和操作員站進(jìn)行交互。同時(shí)DPU完成控制邏輯和算法的組態(tài)、下裝及運(yùn)行，并利用硬件I/O卡件向下與實(shí)際控制對(duì)象或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工業(yè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)控制，其框圖如圖1所示。

圖1 DPU工作框圖

虛擬DPU(VDPU)就是利用軟件仿真在計(jì)算機(jī)上模擬出一個(gè)分布式控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)與真實(shí)DPU相同的功能[12-14]。VDPU具有邏輯處理、點(diǎn)記錄處理、接受和響應(yīng)指令和發(fā)送源點(diǎn)等功能，并且能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式替代硬接線，與現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[15-18]，向上向下都能夠很好地協(xié)同工作，其框圖如圖2所示。

圖2 VDPU工作框圖

通過(guò)使用虛擬DPU技術(shù)可以減少硬件DPU設(shè)備及大量的接線工作，極大地降低系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用虛擬DPU+串口服務(wù)器模式下的Mobus rtu通訊方式[14]，此通信模式主要進(jìn)行虛擬DPU側(cè)和串口服務(wù)器側(cè)兩大部分的配置。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

現(xiàn)場(chǎng)橋載設(shè)備運(yùn)行送過(guò)來(lái)的信號(hào)是通過(guò)2芯帶屏蔽線纜與串口服務(wù)器的通信接口相連接。串口服務(wù)器的作用是將現(xiàn)場(chǎng)橋載設(shè)備送過(guò)來(lái)的信號(hào)通過(guò)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成虛擬DPU適用的以太網(wǎng)信號(hào)，并將其送入工控機(jī)中。串口服務(wù)器此時(shí)映射為工控機(jī)虛擬的串口，虛擬DPU跟對(duì)應(yīng)的虛擬串口進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬DPU作為主站與作為從站[8]的橋載設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)交互的功能。

3 系統(tǒng)搭建及組態(tài)設(shè)計(jì)

3.1 串口服務(wù)器的參數(shù)設(shè)計(jì)

串口服務(wù)器的參數(shù)配置至關(guān)重要，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的正常通信。首先需要將上位機(jī)的IP地址設(shè)置和串口服務(wù)器的IP地址在同一網(wǎng)段，利用Telnet ip命令登錄到串口服務(wù)器中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。然后對(duì)數(shù)據(jù)送到串口服務(wù)器的端口進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)方式的串口配置，與通訊方的參數(shù)設(shè)置為一致，如圖4所示。

圖4 串口服務(wù)器串口配置圖

接下來(lái)在模式中將相應(yīng)端口的工作方式配置為T(mén)CP/UDP Socket模式，將通信協(xié)議設(shè)置為UDP協(xié)議，設(shè)置好本地的通信端口和對(duì)端主機(jī)的地址及端口。其中本地端口指的是串口服務(wù)的端口，也就是通過(guò)這個(gè)端口號(hào)和虛擬DPU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的，串口服務(wù)器的參數(shù)配置如圖5所示。

圖5 串口服務(wù)器模式配置圖

3.2 虛擬I/O卡件的設(shè)計(jì)

通過(guò)DCS系統(tǒng)建立虛擬DPU的虛擬I/O卡件布置圖，然后進(jìn)行虛擬卡件布置圖中的虛擬AI、AO、DI以及DO卡件相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。首先需要根據(jù)設(shè)備廠家提供的通信數(shù)據(jù)地址表進(jìn)行虛擬卡件的設(shè)計(jì)和布局，原理是將相同數(shù)據(jù)類(lèi)型且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一致的地址連續(xù)的數(shù)據(jù)分配到一個(gè)虛擬卡件上，如果數(shù)據(jù)類(lèi)型不同或者數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一樣分配到了同一卡件，將會(huì)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。值得注意的是，如果一個(gè)卡件上的數(shù)據(jù)點(diǎn)不足，那么需要依次分配到下一個(gè)虛擬卡件上，直到所有的通信數(shù)據(jù)都在虛擬卡件上分配完畢且每個(gè)虛擬卡件上的數(shù)據(jù)類(lèi)型和長(zhǎng)度均一致。

需要為虛擬卡件設(shè)置一個(gè)設(shè)備編號(hào)，同時(shí)需要設(shè)置一個(gè)與此卡件上數(shù)據(jù)任務(wù)進(jìn)行通信的從站地址，用于建立一一對(duì)應(yīng)的通信通道。最后配置此虛擬卡件上的通信數(shù)據(jù)類(lèi)型及數(shù)據(jù)的起始寄存器地址，虛擬DPU的虛擬卡件的配置如圖6所示。

圖6 虛擬卡件設(shè)計(jì)圖

3.3 虛擬DPU的參數(shù)設(shè)計(jì)

虛擬DPU的配置主要是通過(guò)配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要參數(shù)包括通信設(shè)備標(biāo)識(shí)碼，本地、遠(yuǎn)方的通信地址與通信端口、從站設(shè)備的地址，通信數(shù)據(jù)功能碼以及通信數(shù)據(jù)的寄存器地址，這些參數(shù)的配置都需要和串口服務(wù)器以及虛擬卡件的參數(shù)相對(duì)應(yīng)起來(lái)，否則將會(huì)出現(xiàn)通信不成功的情況。同時(shí)值得注意的是我們需要將虛擬DPU的通信地址設(shè)置到工控機(jī)的第三塊網(wǎng)卡地址上，以建立起通信的通道，這樣就完成了虛擬DPU的配置，部分配置代碼如下：

[General]

IoDeviceCnt=1

[IoDevice1]

DeviceId=1

protocol=modbus

master=1

LocalIp=192.168.0.201

LocalPort=4000

RemoteIp=192.168.0.10

RemotePort=10 003

Timeout=2 000

Delay=100

Period=100

bufcnt=1

SubTask=3

[IoDevice1_buf1]

SlaveId=101

type=3

unitCnt=4 000

startAddr=250

[IoDevice1_SubTask1]

SlaveId=101

FuncCode=3

StartReg=256

RegCnt=35

PeriodNo=A

需要注意的是，在虛擬DPU的配置文件中，通信是以一個(gè)獨(dú)立設(shè)備為單元的，與此同時(shí)每一個(gè)設(shè)備下面又可以建立多個(gè)緩沖區(qū)和任務(wù)區(qū)。一個(gè)緩沖區(qū)域可以建立多個(gè)任務(wù)區(qū)，但是同一個(gè)任務(wù)區(qū)不能跨越多個(gè)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)內(nèi)也需要設(shè)置起止協(xié)議地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，不同緩沖區(qū)間可以定義相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型和單元個(gè)數(shù)，但是緩沖區(qū)間的協(xié)議地址空間不能出現(xiàn)交叉。而且緩沖區(qū)的協(xié)議地址是包含該緩沖區(qū)內(nèi)的任務(wù)地址范圍的，該緩沖區(qū)內(nèi)的任務(wù)數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)不能超過(guò)緩沖區(qū)的通信數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)，每一個(gè)任務(wù)區(qū)內(nèi)配置的數(shù)據(jù)地址是連續(xù)的。每一個(gè)任務(wù)區(qū)內(nèi)的功能碼必須是一致的，只能和一個(gè)從站設(shè)備進(jìn)行通信。

3.4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

最后對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行程序組態(tài)，通過(guò)發(fā)送啟動(dòng)指令去啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的橋載設(shè)備，以及采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的反饋。對(duì)于廊橋?qū)Ｓ每照{(diào)設(shè)備而言，就地沒(méi)有單獨(dú)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，但是有空調(diào)左風(fēng)機(jī)和右風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，那么就需要對(duì)廊橋的空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)。將其左風(fēng)機(jī)和右風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行取或運(yùn)算，只要任意一個(gè)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，此時(shí)我們判斷該空調(diào)設(shè)備在運(yùn)行。與此同時(shí)，我們對(duì)取或之后的綜合信號(hào)進(jìn)行延時(shí)2 s的信號(hào)處理，防止信號(hào)的誤動(dòng)作，提高信號(hào)的可靠性，其邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 空調(diào)運(yùn)行及單次耗電量組態(tài)邏輯圖

如圖7所示，電能表采集的是總的空調(diào)耗電量情況，但是我們對(duì)設(shè)備進(jìn)行能效分析，需要計(jì)算出空調(diào)每一次運(yùn)行的用電情況。那么我們用設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為觸發(fā)條件，保持住瞬間的電能表數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)記錄設(shè)備運(yùn)行的耗能數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備再次啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行刷新，記錄下實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)與保持的數(shù)據(jù)之差，則計(jì)算出空調(diào)設(shè)備單次運(yùn)行的耗電量。對(duì)空調(diào)進(jìn)行能效分析，需要計(jì)算空調(diào)設(shè)備的制冷能力，本系統(tǒng)用空氣焓差法[19-20]計(jì)算制冷量，計(jì)算公式如下：

(1)

其中:Q為空調(diào)的制冷量，I1、I2分別為空調(diào)回風(fēng)、送風(fēng)空氣焓值，L為風(fēng)量，υ為濕空氣比容，X為空氣的濕度，這5個(gè)量均不能直接通過(guò)測(cè)量得出，需要間接計(jì)算得出，那么首先對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度、環(huán)境濕度以及風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)原理計(jì)算出空調(diào)的制冷量，其部分邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 空調(diào)制冷量計(jì)算組態(tài)邏輯圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

4.1 虛擬DPU的啟動(dòng)

一臺(tái)工控機(jī)上可以安裝和運(yùn)行多個(gè)虛擬DPU，通過(guò)國(guó)電智深系統(tǒng)的工程管理器可以設(shè)置虛擬DPU的域號(hào)和站號(hào)，以及該DPU對(duì)應(yīng)的工程師站的編號(hào)。點(diǎn)擊將虛擬DPU運(yùn)行起來(lái)，可以在桌面看到虛擬DPU的狀態(tài)顏色由黃色變成了綠色。同時(shí)可以在系統(tǒng)狀態(tài)圖上看到其運(yùn)行狀態(tài)，這樣就可以用工程管理器對(duì)該虛擬DPU上傳下載組態(tài)程序，發(fā)送指令或者采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，虛擬DPU的運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

圖9 虛擬DPU運(yùn)行圖

4.2 控制系統(tǒng)的運(yùn)行

將控制系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)就地現(xiàn)場(chǎng)廊橋靜變電源和專用空調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)控制和數(shù)據(jù)采集，也可以采集變壓器高低壓側(cè)開(kāi)關(guān)及電能計(jì)量表的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)還可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，便于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行情況，其運(yùn)行的過(guò)程畫(huà)面概況如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面圖

通過(guò)對(duì)5號(hào)廊橋的專用空調(diào)和靜變電源進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，可以直觀知道設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以將設(shè)備的故障狀態(tài)顯示到監(jiān)控畫(huà)面上，如果就地設(shè)備出現(xiàn)故障，運(yùn)行人員可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理。其中5號(hào)廊橋的專用空調(diào)和靜變電源的運(yùn)行畫(huà)面如圖11所示。

圖11 5號(hào)廊橋設(shè)備的運(yùn)行畫(huà)面圖

通過(guò)能效分析可以得出設(shè)備的耗能情況，及時(shí)判斷出設(shè)備是否處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行人員主動(dòng)判斷和采取有效的措施保障機(jī)場(chǎng)廊橋設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其中5號(hào)廊橋?qū)Ｓ每照{(diào)的能效分析運(yùn)行畫(huà)面如圖12所示。

圖12 能效分析畫(huà)面

4.3 系統(tǒng)的測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試表明設(shè)計(jì)的橋載設(shè)備控制系統(tǒng)具有可靠性和實(shí)時(shí)性?？煽啃员憩F(xiàn)控制系統(tǒng)中的任一設(shè)備對(duì)象發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)以及其他控制對(duì)象的正常運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷率不大于20%，虛擬DPU的平均負(fù)荷率測(cè)試不大于40%，整個(gè)系統(tǒng)的可利用率大于99%。由于虛擬DPU是在工控機(jī)上虛擬出來(lái)的分布式控制單元，那么其負(fù)荷率的大小取決于工控機(jī)的計(jì)算性能，其虛擬DPU的運(yùn)算速度依賴于工控機(jī)的運(yùn)算速度[21-22]。

實(shí)時(shí)性表現(xiàn)為從就地設(shè)備數(shù)據(jù)變化到控制系統(tǒng)采集并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中且顯示到畫(huà)面上的時(shí)間小于1 s。系統(tǒng)應(yīng)用層調(diào)用一個(gè)常用畫(huà)面時(shí)，從接受指令到讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，再到數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間小于1 s，滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的生產(chǎn)控制和運(yùn)行信息數(shù)據(jù)采集的需求和要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)航空工業(yè)環(huán)境下飛機(jī)運(yùn)行的橋載設(shè)備進(jìn)行了分析，闡明了機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備控制系統(tǒng)的價(jià)值和意義。本文基于國(guó)電智深系統(tǒng)和虛擬DPU技術(shù)設(shè)計(jì)搭建了機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備控制系統(tǒng)并在綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)落地應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足要求。該控制系統(tǒng)利用工業(yè)級(jí)串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸，建立起DCS系統(tǒng)虛擬DPU與設(shè)備之間的運(yùn)行數(shù)據(jù)通信，滿足了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸要求且減少了大量硬接線及現(xiàn)場(chǎng)布線工作，減少了硬件DPU的使用，有效的降低了系統(tǒng)成本。對(duì)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的橋載設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)信息采集，極大地方便了運(yùn)行人員，提高了運(yùn)維人員的工作效率。最后利用DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備的運(yùn)行能耗分析，為管理者的決策和節(jié)能工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。