某型燃氣輪機控制系統網絡通訊技術研究

王巧玉 邵雄凱 劉建舟

[摘 要]在燃氣輪機控制系統開發過程中,選取實時、可靠的通信總線有利于提高控制系統的整體性能。本文首先對目前幾種流行的網絡通訊技術進行比較,然后提出了基于EtherCAT實時以太網的燃機控制系統設計思路。控制器各模塊之間通過EtherCAT實時以太網進行通訊,具有通訊速率高、穩定性強、可靠性好等優點。

[關鍵詞]燃氣輪機 控制系統 EtherCAT 實時以太網

[中圖分類號]TK47[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0044-03

A Survy of Network Communication Thchnology for A Gas Turbine Control System

WANG Qiao-yu,SHAO Xiong-kai,LIU Jian-zhou

(College of Computer Science and Technology,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

[Abstract]During development process of gas turbine control system, choosing the real-time and reliable communication bus is in favor of improving the integral performance of that control system. Firstly,this paper compares several popular network communication technologies at present; Secondly,the paper presents a new method of turbine control system based on EtherCAT. Since it has such advantages as high communication rate, strong stability and excellent reliability, modules of controller realize their each-to-each communication via EtherCAT real-time Ethernet.

[Keyword]gas turbine;control system ; EtherCAT ; real-time Ethernet

1 引言

燃氣輪機是一種新型動力機械,與其它動力裝置相比,具有功率大、尺寸小、重量輕、機動性強,采用箱裝體結構可快速更換等優點[1],因此被廣泛應用于航空、艦船、車輛和發電等領域。燃氣輪機控制系統是燃機工作過程中必不可少的組成部分,它的技術水平對燃機的工作性能有著重要影響,而通信總線作為控制系統中內部數據交換的橋梁,其可靠性是整個系統可靠性的重要保障,總線的速度也直接影響到整個控制系統的性能,因此必須選擇實時、可靠的通信總線。

2 幾種網絡通訊技術的比較

2.1 現場總線

現場總線是當今自動化領域發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網[2]。現場總線技術適合于分散的、具有通信接口的現場被控設備的系統,可以節省大量現場布線成本,但對于具有集中I/O的單機控制系統,現場總線技術沒有明顯優勢。目前市場上常見的幾種現場總線有FF(基金會現場總線)、Profibus、CAN等,它們的主要技術參數如表1所示。

現場總線產品具有可靠性高、使用靈活等優點,在工程上得到了廣泛的應用,但從應用狀況看,無論是FF和Profibus,還是其他一些現場總線,都只能較好實現速率要求較慢的過程控制,對于高速控制系統,現場總線卻日趨成為其發展的瓶頸。

2.2 工業以太網

工業以太網是工業控制領域中另一種最受歡迎的通信網絡,通過采用減輕以太網負荷、提高網絡速度、采用交換式以太網和全雙工通信、采用信息優先級和流量控制以及虛擬局域網等技術,到目前為止工業以太網的實時響應時間可以達到5～10ms,相當于現有的現場總線,但對于響應時間小于5ms的應用,工業以太網已不能勝任。工業以太網具有較大的通訊帶寬,可以實現大批量數據的傳輸,但由于無法保證數據的實時性,所以在燃機控制領域未得到應用。

2.3 工業實時以太網

為了滿足高實時性能應用的需要,各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業以太網實時性的技術解決方案,這些方案建立在IEEE802.3標準的基礎上,通過對其相關標準的擴展提高實時性,并且做到與標準以太網的無縫連接,這就是工業實時以太網。工業實時以太網技術的出現為燃機控制系統的設計提供了新的解決方案,其通訊實時性、可靠性特別適合于分布式控制系統的設計。成熟的工業實時以太網方案并不多,目前在工業領域應用最為廣泛的當屬EtherCAT工業實時以太網。

3 EtherCAT實時以太網簡介

EtherCAT(Ethernet fot Control Automation Technology)是開放式的實時以太網通訊協議,由德國倍福公司開發,并且得到了EGT組織的支持[3]。EtherCAT是一個可用于現場級的超高速I/O網絡,它采用標準的以太網幀,數據幀利用效率高;支持幾乎所有的拓撲結構,包括線型、樹形、星型等,網絡拓撲結構靈活;可在30ms內更新1000個I/O數據,實時能力優異。EtherCAT擁有多種機制,支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊[4]。它實現了安全功能,采用技術可行且經濟實用的方法,使以太網技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優越,可以完全兼容以太網,可將因特網技術嵌入到簡單設備中,并最大化地利用了以太網所提供的巨大帶寬,是一種實時性強、成本低廉的網絡技術。

EtherCAT突破了其它以太網解決方案的系統限制:不必在每個連接點接收以太網數據包,然后進行解碼并復制為過程數據。從站設備在報文經過其節點時,每個I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以讀出該報文中指定到此I/O的數據。同樣,從站的輸入數據可以在報文經過時插入到數據幀的相關報文中,報文僅有幾納秒延遲[5]。我們可以將以太網幀想象為一輛高速行駛的“火車”,整輛火車不停的穿越所有的從站設備,火車“車廂”(EtherCAT報文)的長度可以改變,從站設備可以在每列“火車”經過時“提取”或“插入”單獨的“乘客”(BIT)或者多個“乘客”。

EtherCAT報文結構如圖1所示,一個EtherCAT通訊幀包括6Bytes的目標地址、6Bytes的源地址、2Bytes的以太網幀類型、11Bit的長度、1Bit的保留位、4Bit的類型、若干個子報文和CRC校驗。EtherCAT沒有重新定義新的以太網幀結構,而是在標準以太網幀中使用了一個特殊的以太網幀類型0X88A4,采用這種方式可以使控制數據直接寫入以太網幀內,并且可以與遵守其它協議的以太網幀在同一網絡中并行。

4 基于EtherCAT的燃機控制系統設計

鑒于EtherCAT技術出色的性能以及在工業控制領域的廣泛應用,本文的控制系統采用EtherCAT作為電子控制器各模塊之間通訊的橋梁。

系統的控制對象是某型中檔功率燃氣輪機,燃機的控制系統能實現燃機的自動調節,包括對燃機的起動、加速、減速、變工況、穩態工況運行、停車等過程實施全面的自動控制,采集現場的數據并對重要參數進行限制與保護,對燃機狀態進行監視,能實現對燃機的故障診斷和處理,記錄、存儲重要參數,完成與其它設備的通訊功能等。

4.1 電子控制器的設計

燃機電子控制器采用基于EtherCAT通訊的模塊化設計,控制器的各功能模塊之間用EtherCAT進行連接,完成數據的交互。各模塊可以集中在一起,也可以分散到燃機的各個部分,通過EtherCAT實現實時信息交流和控制,通訊帶寬可達到100M。

電子控制器由主CPU模塊、AD模塊、AO模塊、DO模塊等組成,電子控制器原理如圖2所示。控制系統采用主、從站方式,主站采用PowerPC系列的CPU,從站采用DSP28X芯片。每個CPU模塊作為主站,與各從站形成EtherCAT網,控制系統由三個EtherCAT子網組成,每個子網都能獨立完成所有控制功能,子網之間通過各自的主站模塊實現單個子網間點對點的通訊,從而為燃機提供三冗余的控制,提高控制的可靠性。本控制系統的設計也可方便的實現功能的擴展。

4.1 EtherCAT通訊軟件框架

控制軟件主要包括主站CPU模塊的控制程序、各從站模塊的控制程序和其它底層軟件模塊。EtherCAT主站只需要具備以太網接口,主站功能完全由軟件實現。EtherCAT可以用一個以太網幀發送1498字節的有效數據,所以在通常情況下,每個通信周期只需要一個或兩個幀就能完成所有結點的全部通信。EtherCAT主站功能主要包含以下幾個方面:

(1) 讀取配置文件,根據配置文件的信息構造主站與從站設備;

(2) 管理EtherCAT從站,發送配置文件中定義的初始化幀,依次讀取從站節點的配置信息,存儲到從站的配置表中;

(3) 根據從站的配置信息,主站依次去配置從站的尋址地址,數據長度等,完成一系列初始化工作;

(4) 由主站控制通訊周期,實現過程數據通信,完成主站與從站之間的實時數據交換,達到主站控制從站運行,并處理從站實時狀態的功能。

EtherCAT從站的主要功能包括信號采集、信號輸出、調理補償,并且實現了運算、內部自檢測、超限保護和診斷、以及辨識傳感器故障的功能。從站工作流程如圖3所示。

從站首先完成初始化配置,之后便進入主循環狀態,等待主站發送指令,當接收到主站指令后,從站控制芯片產生中斷,根據相關控制算法及控制邏輯進行指令的處理,然后反饋信息給主站,完成一次通信。在這個過程中,從站會根據系統故障字等進行相關的故障診斷和處理。

底層軟件模塊主要包括應用層協議包,IO接口功能實現等。EtherCAT通訊主要是實現應用層協議,因此軟件設計中一項重要的工作就是EtherCAT通訊軟件包的開發,根據控制系統的結構和特點,軟件包的開發可以分為以下幾個功能模塊,包括網絡收發模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設備模塊、主站模塊和從站模塊。網絡收發模塊完成底層網絡數據包的發送和接收功能;EtherCAT接口模塊實現EtherCAT通訊程序和功能軟件的接口功能;EtherCAT設備模塊實現EtherCAT設備掃描和軟件初始化工作;主站模塊實現主站初始化命令和循環命令的發送處理,實現和維護主站的狀態;從站模塊實現設備的配置,同時維護從站設備的狀態。

5 結語

本文提出了基于EtherCAT實時以太網的燃機控制系統設計思路,并針對電子控制器和控制系統軟件這兩個主要部件的設計進行了簡要的介紹,這種電子控制系統設計方案是切實可行的,它能夠解決燃機控制系統大數據量實時傳輸問題,提高系統的實時性。同時EtherCAT使用方便,只需要標準的以太網電纜和價格低廉的標準連接器即可,極大的節約了成本。EtherCAT以其先進的技術優勢、優越的性能將在燃機控制系統中得到廣泛的應用。

[參考文獻]

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[4] EtherCAT Technology Group (ETG). EtherCAT: the Ethernet Fieldbus[J]. PC Control, 2005,7:14～19.

[5] 德國倍福公司.實時以太網:I/O層超高速以太網[J].工業以太網與現場總線, 2004,4

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