基于EtherCAT實時以太網的發動機測控系統

魏秋月，商 博*，陳曉明

(1.西安郵電大學，西安 710121；2.西安與或電子科技有限公司，西安 710065)

0 引言

與一般工程試驗相比，液體發動機試驗具有測控參數多、分布廣等特點，關鍵參數的測量精度要求高，與之配套的測控系統要求具有較高的可靠性及實時性[1]。目前國內的測控系統采用的總線大多數是基于PXI總線，雖可滿足測控系統的需求，但PXI往往針對特定型號的數據采集卡和通信協議設計，其通用性不高[2,3]。此外，針對一些數據傳輸要求高速實時的場合，PXI總線也暴露出一定的劣勢。如何有效提高測控系統的實時性和可靠性對保證發動機試驗的成功具有重要的研究意義。

EtherCAT是德國倍福公司推出的一種新型工業實時以太網總線，基于全雙工通信，總線拓撲結構靈活，其數據有效率高達90%以上。本文根據液體發動機試驗對測控系統的需求，基于EtherCAT網絡的一主多從拓撲結構完成發動機測控系統的設計。硬件系統將CX-2040-0125嵌入式軟PLC及各種測控元件集成于測控機柜中，各硬件設備安裝連接方便，通用性強，具備測控一體化功能。軟件系統采用模塊化設計，利用TwinCAT 3軟件完成PLC的組態及測控元件的控制，利用LabVIEW圖形化編程語言設計友好的上位機人機交互界面。系統具有良好的可擴展性和通用性，可完成液體發動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數的測量與控制。

1 測控系統需求

根據液體發動機試驗的特點，配套測控系統需滿足以下功能需求[4]：

1）測量與控制液體發動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數。

2）具備完整的試驗數據存儲、回放、分析、導入和導出等功能。

3）具備液體流量的自動調節及電磁閥、氣動閥等執行元件的自動時序控制功能。

2 硬件設計

2.1 系統總體方案

測控系統的總體架構如圖1所示,分為測控層、分布式I/O層、隔離驅動層及感知層。其中測控層分析與處理I/O模塊采集的數據和控制執行元件的狀態,分布式I/O層完成信號的傳輸，隔離驅動層消除電感性執行元件動作時產生的干擾電壓，感知層測量與控制液體發動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數，以及通過PID控制算法完成管路液體流量的自動調節。

圖1 測控系統架構

系統的測控層基于EtherCAT網絡的一主多從結構，主站是嵌入式軟PLC控制器和基于LabVIEW設計的上位機人機界面，從站包括三臺C6900-0050工控機設計的控制站、工藝站和測試站[5]。主站是測控系統的主控制器，其具備兩方面的功能，一方面是通過EtherCAT 總線將I/O模塊采集的試驗參數或電磁閥、手動面板按鈕等執行元件的狀態分發給控制站、工藝站和測試站，分發的過程是由主站將采集的數據插入EtherCAT報文中，控制站、工藝站和測試站分別從總線報文中讀取屬于本站點的數據；第二方面是接收控制站和工藝站的指令，并按指令實現對I/O模塊的控制，此過程實際是控制站和工藝站將數據插入EtherCAT報文中，主站讀取報文、解析指令進而實現對I/O模塊的控制。從站中的控制站作為整個測控系統的運行控制中樞，負責發動機試驗時下發“開始”、“暫停”、“結束”等運行控制指令及控制I/O模塊完成試驗數據的采集；工藝站控制電磁閥、氣動閥等執行元件按照預先設定的時序完成自動控制操作，根據質量流量計的反饋流量值控制流量調節閥的開度完成流量的自動調節；測試站完成試驗數據的顯示、分析、存儲、回放和管理等任務。

2.2 硬件設計

測控系統硬件主要由CX-2040-0125嵌入式PLC控制器、I/O模塊、C6930-0050工控機、液位變送器、質量流量計、流量調節閥、各類傳感器、電磁閥及氣動閥等組成。數據采集模塊基于倍福模擬量輸入模塊，采集包括常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數。整個測控系統具備128路測量能力，64路控制能力。

3 軟件設計

3.1 軟件總體規劃

軟件總體規劃框圖如圖2所示，嵌入式軟PLC基于Windows系統平臺，帶有一個處理核，處理核將程序分為Task0-Task3四個優先級不同的任務，每個任務都有自己的循環方式及循環時間，且PLC程序最短循環周期為1ms。初始化操作與模塊狀態檢測設置優先級最高，使用Task0任務調用，在程序運行過程中一旦出現初始化操作失敗或模塊狀態異常，程序優先處理該任務。Task1用于在程序運行過程出現急停報警或者超出參數的安全保護范圍時，程序只執行報警和安全保護相關程序，報警清除后程序方可正常運行。Task2用于運行對時間要求不高的程序，因此將數據采集程序、控制程序及自動時序設置為此段運行。Task3用于完成管路液體流量的PID自動調節。每個任務的程序都是獨立運行，通過全局變量與其他任務進行數據交換。

圖2 軟件總體規劃框圖

3.2 數據存儲

對變化較快的壓力和流量數據，采用倍福ELM3704超采樣模塊采集，采樣率為10kHz，上位機讀取采集數據的周期為20ms，為降低因時間延遲產生的影響，定義Sample_Buffer_0[200][24]和Sample_Buffer_1[200][240]兩個二維數組交替緩存數據；對變化相對較慢的溫度和液位數據，分別采用倍福EL3314熱電偶采集模塊和普通EL4124模擬量輸入模塊采集，采樣率設為1KHz。試驗采集數據保存為二進制格式，方便數據存儲和上位機LabVIEW讀取。

3.3 通訊設計

液體發動機測控系統的人機界面采用LabVIEW圖形化編程語言開發，其與倍福TwinCAT 3之間通過ADS通訊協議進行數據信息交互。ADS是倍福公司定義的一種基于TCP/IP基礎的通信協議，其采用Server/Client模型[6]。本系統將TwinCAT 3作為ADS的Server，LabVIEW作為ADS的Client。LabVIEW與TwinCAT 3通過ADS提供的變量名訪問方式進行通信，變量名的訪問需經過3個步驟：請求句柄、經句柄寫數據及刪除句柄，在TwinCAT 3的底層應用了ADS Server中的三個Function：F003、F005和F006。其中請求句柄是向內存地址16#F003中寫數據值，創建到通信變量名的句柄；經句柄寫入數據是向內存地址16#F005中寫入數據；刪除句柄是向內存地址16#F006中寫入數據用以刪除句柄。系統定義的部分通信變量名如表1所示。

表1 通訊變量列表

3.4 數據管理

數據管理具備試驗數據的顯示、分析、存儲與回放等功能，利用LabVIEW上位機將常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、液位及管路液體流量等參數進行處理后顯示并存儲為Excel和TDMS兩種格式，方便用戶查看和測試站軟件進行數據分析，數據管理面板如圖3所示。

圖3 數據管理面板

4 系統功能測試與分析

TwinCAT 3軟件完成PLC的組態和I/O通道掃描，并對掃描通道進行在線綁定和量程設定，更新配置文件信息并下載運行PLC程序。

常溫推進劑模擬貯箱界面如圖4所示，控制氣動閥K100和K101數字量輸入通道的光電開關閉合，控件顯示為綠色，其余K型氣動閥的光電開關斷開，控件顯示為黃色。對數字量輸出通道，通過點擊電磁閥DCXXX輸出高電平，控件顯示為綠色，對應的LED燈點亮；DCXXX電磁閥輸出低電平，控件則顯示紅色，對應的LED燈熄滅。

圖4 常溫推進劑模擬貯箱界面

對壓力、溫度、流量和液位等模擬量參數，傳感器將其轉變為4-20mA電流信號接入AI通道，使用數字萬用表的測量值與上位機LabVIEW獲取的測量值進行比對，測量結果如表2所示。由表2可知，AI通道的相對誤差穩定在0.5%以內，符合模擬量參數測量的高精度要求。

表2 模擬量輸入測量

使用數字萬用表對AO通道流量調節閥LT1輸出的4-20mA模擬電流進行測量。結果表明，AO通道的相對誤差穩定在0.3%以內，滿足模擬量輸出功能的高精度要求。

控制電磁閥DC100-DC103完成自動時序操作，如圖5所示，部分電磁閥按照預先設定的時序完成動作，測試效果良好，符合系統的自動時序控制要求。

圖5 部分電磁閥動作時序

5 結語

本文基于EtherCAT實時以太網和嵌入式軟PLC設計了一套液體發動機測控系統。系統采用EtherCAT網絡的主從結構保證主站與從站的實時數據通訊，將其用于發動機試驗中常溫推進劑模擬貯箱的壓力、溫度、流量及液位等參數的測量與控制。上位機采用圖形化編程語言LabVIEW開發，人機交互界面友好，易于操作。該系統具有實時性高、易于擴展和組態靈活等特點，可滿足不同類型的發動機地面試驗需求，擁有良好的應用前景。