基于OPC技術(shù)的運(yùn)載火箭地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)研究

鄭國(guó)昆 蘇 娟 吳齊才 楊之江

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076)

0 引 言

運(yùn)載火箭地面設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱地面設(shè)備)在運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射過程中，主要完成加注、供氣、瞄準(zhǔn)、垂直度調(diào)整、加泄連接器脫落和擺桿控制等各個(gè)功能的射前準(zhǔn)備工作。目前地面設(shè)備各分系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)測(cè)控流程的電氣化，但各分系統(tǒng)僅在內(nèi)部形成了測(cè)控流程的自動(dòng)化體系，系統(tǒng)的交互少，各分系統(tǒng)間的測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)水平參差不齊、標(biāo)準(zhǔn)不一，接口匹配設(shè)計(jì)復(fù)雜、兼容性差；各分系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)分散，難以全面了解各系統(tǒng)測(cè)試狀態(tài)，上級(jí)指揮自動(dòng)化程度低、發(fā)射決策效率低下，導(dǎo)致了測(cè)試發(fā)射準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；各分系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備重復(fù)配套，不利于研制成本的控制。

地面設(shè)備在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中屬于可重復(fù)使用的系統(tǒng)，隨著我國(guó)航天器高密度發(fā)射的常態(tài)化，對(duì)地面設(shè)備也提出了新的要求：1) 提升地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的通用性，避免各分系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)帶來(lái)的差異性問題以及各分系統(tǒng)內(nèi)部接口不一致導(dǎo)致的兼容性問題；2) 提升地面設(shè)備測(cè)試的自動(dòng)化程度，地面設(shè)備歷來(lái)是火箭系統(tǒng)中自動(dòng)化程度相對(duì)低下的部分，靠人工完成的測(cè)試項(xiàng)目較多，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程自動(dòng)化和判讀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化，對(duì)節(jié)約人力，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，縮短發(fā)射準(zhǔn)備周期有重要意義，以避免高密度發(fā)射帶來(lái)的周期被迫縮短問題；3) 提高數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析處理歸檔入庫(kù)，方便測(cè)試人員進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀、歷史數(shù)據(jù)查詢等。

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，不同硬件控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互一般依靠不同的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)，但硬件設(shè)備廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序功能相對(duì)固定，不滿足軟件設(shè)計(jì)人員的不同需求，當(dāng)系統(tǒng)功能需求超過硬件設(shè)備廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序功能范圍時(shí)，軟件設(shè)計(jì)中就必須進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，大大增加了軟件的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。

OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)技術(shù)的出現(xiàn)為此問題的解決提供了契機(jī)。OPC是基于過程控制的對(duì)象鏈接和嵌入(Object Linking and Embedding，OLE)技術(shù)[1]，是基于微軟公司的COM(部件對(duì)象模型)和DCOM(分布式部件對(duì)象模型)技術(shù)制定的自動(dòng)化領(lǐng)域信息通信接口應(yīng)用技術(shù)。基于OPC技術(shù)，可使硬件設(shè)備廠商之間具備了一套通用的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，由硬件設(shè)備廠商提供OPC服務(wù)器程序，軟件設(shè)計(jì)中僅需在滿足OPC規(guī)范的情況下，即可與不同的硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這樣就掃除了不同軟件和硬件之間的通信障礙，并且從根本上解決了軟件設(shè)計(jì)中必須為不同設(shè)備開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的問題。同時(shí)，不同軟件之間由于數(shù)據(jù)接口不匹配帶來(lái)的通信問題也可通過OPC技術(shù)解決，為實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)及模塊間協(xié)調(diào)運(yùn)行提供了可能[2-4]。

1 OPC技術(shù)規(guī)范及技術(shù)背景

1.1 OPC規(guī)范概述

OPC技術(shù)是在微軟公司的COM和DCOM基礎(chǔ)上發(fā)展的，因此具備面對(duì)對(duì)象的特征，OPC規(guī)范是包含了一系列的屬性和方法的集合，由OPC基金會(huì)進(jìn)行發(fā)布和維護(hù)，作為全世界硬件設(shè)備廠商的研發(fā)規(guī)范。OPC規(guī)范主要包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取規(guī)范(Data Access，DA)、報(bào)警與事件處理規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)處理規(guī)范、批量數(shù)據(jù)過程規(guī)范、數(shù)據(jù)安全規(guī)范和數(shù)據(jù)交換規(guī)范等一系列規(guī)范。其中OPC DA規(guī)范是OPC規(guī)范的基礎(chǔ)，基于OPC DA規(guī)范的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其余的規(guī)范才得以建立發(fā)展[5-9]。

OPC DA規(guī)范有別于一般傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式，其可使上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備在相互之間的通信規(guī)則未知的情況下還可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。OPC DA規(guī)范采用COM技術(shù)典型的C/S模式，一個(gè)OPC客戶端可以連接到一個(gè)或多個(gè)OPC DA服務(wù)器，一個(gè)OPC DA服務(wù)器可以與一個(gè)或多個(gè)客戶端相連接。其典型的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。理論上OPC DA服務(wù)器可以和所有的硬件設(shè)備或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)源連接，因此使上位機(jī)軟件不需要為特定的硬件設(shè)備開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

圖1 OPC C/S模式典型架構(gòu)圖

PC服務(wù)器是基于OPC規(guī)范的控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為對(duì)應(yīng)設(shè)備提供符合OPC規(guī)范的接口和數(shù)據(jù)通信機(jī)制。OPC規(guī)范中要求硬件設(shè)備廠商必須提供符合規(guī)范的OPC服務(wù)器，以保證任何符合OPC規(guī)范的OPC客戶端均可實(shí)現(xiàn)對(duì)其的訪問和數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，OPC規(guī)范要求所有的軟件廠商必須提供符合規(guī)范的OPC客戶端，以保證客戶端可訪問任何符合規(guī)范的OPC服務(wù)器，并與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

OPC服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)由服務(wù)器(Server)對(duì)象、組(Group)對(duì)象和項(xiàng)(Item)對(duì)象組成，其中：Server對(duì)象維護(hù)自身信息和Group對(duì)象鏈表；Group對(duì)象維護(hù)自身信息和Item對(duì)象鏈表；Item對(duì)象內(nèi)部維護(hù)自身信息，主要包括訪問權(quán)限、激活狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)值等。Server對(duì)象和Group對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)COM組件，提供標(biāo)準(zhǔn)接口，Item對(duì)象不提供客戶端接口，可自定義或派生于COM。這樣OPC服務(wù)器就可將對(duì)硬件設(shè)備的訪問封裝在內(nèi)部，而只為OPC客戶端提供訪問接口，OPC客戶端僅需明確接口即可調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)完成功能，無(wú)須考慮訪問硬件設(shè)備這一復(fù)雜過程。OPC服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPC 服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3為OPC服務(wù)器和OPC客戶端數(shù)據(jù)流向圖。客戶端通過接口函數(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，客戶端用戶界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器端的操作；服務(wù)器通過驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Server地址空間起保存具體數(shù)據(jù)源的作用，對(duì)象接口部分是客戶端和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的唯一途徑，服務(wù)器的用戶界面并非必須存在，一般只用作監(jiān)測(cè)服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)和客戶端數(shù)量等。

圖3 OPC 服務(wù)器和客戶端數(shù)據(jù)流向

1.2 地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)常用架構(gòu)

隨著我國(guó)航天運(yùn)載火箭的發(fā)展，地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)也經(jīng)歷了從無(wú)到有，由簡(jiǎn)入繁的過程，本文以包含3個(gè)分系統(tǒng)的地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)為例，介紹地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的常用架構(gòu)。

1) 分系統(tǒng)獨(dú)立的集成式測(cè)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)架構(gòu)原理圖如圖4所示，3個(gè)分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，互相之間沒有數(shù)據(jù)交互。分系統(tǒng)的內(nèi)部采用上位機(jī)+系統(tǒng)測(cè)控單元的常用架構(gòu)模式。系統(tǒng)測(cè)控單元是系統(tǒng)架構(gòu)的核心，一般根據(jù)系統(tǒng)功能和性能需求選取PLC、單片機(jī)和實(shí)時(shí)控制器等硬件設(shè)備，控制執(zhí)行器件(電機(jī)、電磁閥等)完成系統(tǒng)的規(guī)定動(dòng)作，通過傳感器采集系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和狀態(tài)。上位機(jī)運(yùn)行用戶界面以完成監(jiān)測(cè)和控制，與系統(tǒng)測(cè)控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，顯示系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài)，并完成數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等功能。此種系統(tǒng)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)交互必須通過驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行，而不同的分系統(tǒng)的具體的硬件設(shè)備和廠商均不同，導(dǎo)致不同分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需要的驅(qū)動(dòng)程序不一致，軟件開發(fā)難度大，系統(tǒng)通用性和可維護(hù)性差，并且各分系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，時(shí)間難以統(tǒng)一也是一大難題。發(fā)射測(cè)試過程中，各分系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，由于各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨(dú)立處理和存儲(chǔ)，當(dāng)分系統(tǒng)工作存在測(cè)試流程上的邏輯性時(shí)，數(shù)據(jù)后處理和分析的工作量也相當(dāng)巨大。

2) 地面設(shè)備集成測(cè)控系統(tǒng)：系統(tǒng)架構(gòu)原理圖如圖5所示，在系統(tǒng)架構(gòu)1)的基礎(chǔ)上，增加指揮控制單元和數(shù)據(jù)處理單元。指揮控制單元和數(shù)據(jù)處理單元可以與各分系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，指揮控制單元負(fù)責(zé)發(fā)射測(cè)試過程的指揮調(diào)度協(xié)調(diào)功能，提升發(fā)射測(cè)試過程的指揮調(diào)度自動(dòng)化，數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)將測(cè)試過程中各分系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判讀提供了條件。但是，此種系統(tǒng)仍然以系統(tǒng)架構(gòu)1)為基礎(chǔ)，沒有脫離分系統(tǒng)獨(dú)立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且與系統(tǒng)測(cè)控單元的數(shù)據(jù)交互仍然需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，很難做到接口一致。

圖5 集成式測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決地面設(shè)備各分系統(tǒng)測(cè)控單元選型不一，設(shè)備接口不一致等問題，本文提出一種基于OPC技術(shù)的地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。系統(tǒng)架構(gòu)采取分層式架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、OPC服務(wù)器層、OPC客戶端層和系統(tǒng)應(yīng)用層。

圖6 基于OPC技術(shù)的地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

1) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。仍以3個(gè)分系統(tǒng)為例，包括各分系統(tǒng)的測(cè)控單元、執(zhí)行器件和傳感器，分系統(tǒng)1與分系統(tǒng)2的測(cè)控單元選型相同的情況下，二者可共用相同驅(qū)動(dòng)程序接口，但分系統(tǒng)3的測(cè)控單元與其余分系統(tǒng)不同，因此驅(qū)動(dòng)程序接口不一致。

2) OPC服務(wù)器層。分系統(tǒng)1與分系統(tǒng)2的驅(qū)動(dòng)程序相同，因此二者共用同一OPC DA服務(wù)器，分系統(tǒng)3使用不同的OPC DA服務(wù)器，兩個(gè)OPC DA服務(wù)器可以依據(jù)OPC 數(shù)據(jù)交換規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互過程由OPC數(shù)據(jù)交換服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。這樣在OPC服務(wù)器層即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，當(dāng)某一分系統(tǒng)存在造成多個(gè)分系統(tǒng)的人員和設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)的故障時(shí)，可通過OPC數(shù)據(jù)交換服務(wù)器使其余分系統(tǒng)得知，并應(yīng)急處理，提升了應(yīng)急處理信息的傳遞速率。在OPC DA服務(wù)器的基礎(chǔ)上，依據(jù)OPC報(bào)警與事件處理規(guī)范建立OPC報(bào)警處理(AE)服務(wù)器，用于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷和相應(yīng)。依據(jù)OPC歷史數(shù)據(jù)處理規(guī)范建立OPC歷史數(shù)據(jù)處理(HDA)服務(wù)器，用于OPC服務(wù)器層對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)等分析。最后，OPC服務(wù)器層依據(jù)OPC規(guī)范，向OPC客戶端提供接口以供調(diào)用。

3) OPC客戶端層。包含OPC DA、OPC AE、OPC HDA客戶端，可通過客戶端調(diào)用接口完成與各自服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，并且在客戶端層設(shè)置OPC服務(wù)器配置工具，用于對(duì)OPC服務(wù)器層包含的服務(wù)器進(jìn)行配置，作為系統(tǒng)擴(kuò)充和更改時(shí)使用。

4) 系統(tǒng)應(yīng)用層。系統(tǒng)應(yīng)用層的主要作用是提供面向用戶的用戶界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，測(cè)試數(shù)據(jù)中心將地面設(shè)備過程中的所有測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，按照預(yù)先設(shè)定好的處理方法進(jìn)行處理，完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，并將數(shù)據(jù)提供給需要的模塊。分系統(tǒng)1-分系統(tǒng)3用戶界面為各分系統(tǒng)人員進(jìn)行測(cè)試操作、監(jiān)測(cè)和控制的人機(jī)界面接口。地面設(shè)備指揮控制用戶界面實(shí)現(xiàn)發(fā)射測(cè)試過程的指揮調(diào)度協(xié)調(diào)功能，提升發(fā)射測(cè)試過程的指揮調(diào)度自動(dòng)化，使各分系統(tǒng)按照測(cè)試流程順序執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)據(jù)瀏覽用戶界面基于實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)中心和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)建立，用于在發(fā)射測(cè)試過程中及發(fā)射后進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能的實(shí)現(xiàn)。在測(cè)試發(fā)射的不同階段，對(duì)地面設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)要求不一，因此應(yīng)用層配置工具主要完成測(cè)試流程配置、指令配置、參數(shù)配置和用戶界面配置等功能。

圖6所示的系統(tǒng)架構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和OPC服務(wù)器層之間的數(shù)據(jù)交互需要硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序支持。基于OPC規(guī)范，硬件設(shè)備廠商在為其硬件設(shè)備開發(fā)OPC服務(wù)器時(shí)，已經(jīng)將驅(qū)動(dòng)程序一并包含并提供，因此不需要系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)人員再重復(fù)開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)人員僅需依據(jù)OPC服務(wù)器提供的接口進(jìn)行相應(yīng)的客戶端開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)與所有的硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，最大限度保證了設(shè)計(jì)通用性，無(wú)論哪個(gè)分系統(tǒng)，對(duì)于OPC客戶端而言，接口均一致，保證了客戶端及系統(tǒng)應(yīng)用層軟件的通用性。

本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)中，分系統(tǒng)作為地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的一部分嵌入到系統(tǒng)架構(gòu)中，利用應(yīng)用層配置工具可進(jìn)行測(cè)試流程配置，可快速完成不同分系統(tǒng)的測(cè)試流程界面的配置，免去大量測(cè)試流程調(diào)整的工作。

在測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，采取對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行配置的方式，對(duì)地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行在線重構(gòu)，保證系統(tǒng)除故障點(diǎn)外的其余部分不受故障影響，可繼續(xù)完成測(cè)試流程，提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和可維護(hù)性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)均統(tǒng)一維護(hù)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)的完整性及數(shù)據(jù)采集格式的統(tǒng)一，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和報(bào)表分析等工作。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先提出當(dāng)前運(yùn)載火箭地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的需求，分析OPC技術(shù)規(guī)范的原理和優(yōu)勢(shì)，其次在概括了當(dāng)前地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的常用架構(gòu)的弊端的基礎(chǔ)上，提出了基于OPC技術(shù)的運(yùn)載火箭地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)，介紹其組成，并重點(diǎn)描述了各虛擬層的功能，最后著重分析了提出的系統(tǒng)架構(gòu)相對(duì)于常用架構(gòu)在工作量、可維護(hù)性和擴(kuò)充能力方面的優(yōu)勢(shì)。基于OPC技術(shù)的運(yùn)載火箭地面設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)，可大大減少系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的工作量，使之更集中于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)而非底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)上，可提高系統(tǒng)的擴(kuò)充能力和容錯(cuò)能力，其數(shù)據(jù)維護(hù)的方式更為合理，為后續(xù)數(shù)據(jù)判讀智能化、測(cè)試流程全自動(dòng)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭加注發(fā)射測(cè)試過程無(wú)人值守提供了可行的思路。