虛擬DPU技術在機場橋載設備控制中的應用

熊小峰,王鴻礫,馬 睿,方 飚,秦毓毅

(國網四川綜合能源服務有限公司，成都 610072)

0 引言

隨著航空工業的快速發展，民用飛機的數量也越來越多。飛機在機場停靠時原本由飛機輔助動力設備(APU)提供動力，但APU消耗航空燃油量巨大，且二氧化碳的大量排放造成環境的嚴重污染[1-4]。機場橋載設備的推廣應用和APU替代能夠有效地緩解這一問題，橋載設備主要包括飛機提供輔助動力的靜變電源和專用空調設備[5-7]，因此對該設備進行生產控制有著重要現實意義。

目前機場橋載設備的使用是由運維人員現場就地啟動和停止，并未實現設備的遠程控制和數據采集分析，而且虛擬DPU在工業環境中的應用較少，工業生產現場用的是硬件DPU來實現數據采集和設備控制的邏輯算法功能，如電力發電廠中的DCS控制系統用的是硬件DPU設備，而虛擬DPU常用于控制系統的仿真和實驗[9-11]。因此，本系統以國電智深系統EDPF-NT Plus為平臺，研究虛擬DPU在實際工業生產控制中的原理及應用技術，成功設計搭建了綿陽機場橋載空調及靜變電源設備控制系統。

接下來將對虛擬DPU的工作原理以及控制系統的各個環節進行分析和實際工程設計。

1 虛擬DPU技術

DPU是分散控制系統(DCS)的關鍵技術，處于核心環節，通過數據通信與上位機工程師站和操作員站進行交互。同時DPU完成控制邏輯和算法的組態、下裝及運行，并利用硬件I/O卡件向下與實際控制對象或者執行機構進行數據傳輸，實現對整個工業對象的數據采集和生產控制，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算機上模擬出一個分布式控制單元，能夠實現與真實DPU相同的功能[12-14]。VDPU具有邏輯處理、點記錄處理、接受和響應指令和發送源點等功能，并且能夠通過網絡通信方式替代硬接線，與現場控制對象進行數據交互[15-18]，向上向下都能夠很好地協同工作，其框圖如圖2所示。

圖2 VDPU工作框圖

通過使用虛擬DPU技術可以減少硬件DPU設備及大量的接線工作，極大地降低系統成本。

2 系統框架設計

本控制系統設計采用虛擬DPU+串口服務器模式下的Mobus rtu通訊方式[14]，此通信模式主要進行虛擬DPU側和串口服務器側兩大部分的配置。系統框架設計如圖3所示。

圖3 系統框架圖

現場橋載設備運行送過來的信號是通過2芯帶屏蔽線纜與串口服務器的通信接口相連接。串口服務器的作用是將現場橋載設備送過來的信號通過串口服務器轉換成虛擬DPU適用的以太網信號，并將其送入工控機中。串口服務器此時映射為工控機虛擬的串口，虛擬DPU跟對應的虛擬串口進行通信，從而實現了虛擬DPU作為主站與作為從站[8]的橋載設備進行了數據交互的功能。

3 系統搭建及組態設計

3.1 串口服務器的參數設計

串口服務器的參數配置至關重要，直接影響系統運行數據的正常通信。首先需要將上位機的IP地址設置和串口服務器的IP地址在同一網段，利用Telnet ip命令登錄到串口服務器中進行參數設置。然后對數據送到串口服務器的端口進行波特率、數據位、停止位和校驗方式的串口配置，與通訊方的參數設置為一致，如圖4所示。

圖4 串口服務器串口配置圖

接下來在模式中將相應端口的工作方式配置為TCP/UDP Socket模式，將通信協議設置為UDP協議，設置好本地的通信端口和對端主機的地址及端口。其中本地端口指的是串口服務的端口，也就是通過這個端口號和虛擬DPU之間進行數據通訊的，串口服務器的參數配置如圖5所示。

圖5 串口服務器模式配置圖

3.2 虛擬I/O卡件的設計

通過DCS系統建立虛擬DPU的虛擬I/O卡件布置圖，然后進行虛擬卡件布置圖中的虛擬AI、AO、DI以及DO卡件相關參數的設置。首先需要根據設備廠家提供的通信數據地址表進行虛擬卡件的設計和布局，原理是將相同數據類型且數據長度一致的地址連續的數據分配到一個虛擬卡件上，如果數據類型不同或者數據長度不一樣分配到了同一卡件，將會出現通信錯誤。值得注意的是，如果一個卡件上的數據點不足，那么需要依次分配到下一個虛擬卡件上，直到所有的通信數據都在虛擬卡件上分配完畢且每個虛擬卡件上的數據類型和長度均一致。

需要為虛擬卡件設置一個設備編號，同時需要設置一個與此卡件上數據任務進行通信的從站地址，用于建立一一對應的通信通道。最后配置此虛擬卡件上的通信數據類型及數據的起始寄存器地址，虛擬DPU的虛擬卡件的配置如圖6所示。

圖6 虛擬卡件設計圖

3.3 虛擬DPU的參數設計

虛擬DPU的配置主要是通過配置文件來實現的，主要參數包括通信設備標識碼，本地、遠方的通信地址與通信端口、從站設備的地址，通信數據功能碼以及通信數據的寄存器地址，這些參數的配置都需要和串口服務器以及虛擬卡件的參數相對應起來，否則將會出現通信不成功的情況。同時值得注意的是我們需要將虛擬DPU的通信地址設置到工控機的第三塊網卡地址上，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，通信是以一個獨立設備為單元的，與此同時每一個設備下面又可以建立多個緩沖區和任務區。一個緩沖區域可以建立多個任務區，但是同一個任務區不能跨越多個緩沖區。緩沖區內也需要設置起止協議地址和數據長度，不同緩沖區間可以定義相同的數據類型和單元個數，但是緩沖區間的協議地址空間不能出現交叉。而且緩沖區的協議地址是包含該緩沖區內的任務地址范圍的，該緩沖區內的任務數據單元個數不能超過緩沖區的通信數據單元個數，每一個任務區內配置的數據地址是連續的。每一個任務區內的功能碼必須是一致的，只能和一個從站設備進行通信。

3.4 系統組態設計

最后對控制對象進行程序組態，通過發送啟動指令去啟動現場的橋載設備，以及采集現場設備的運行狀態來實現設備運行狀態的反饋。對于廊橋專用空調設備而言，就地沒有單獨的運行狀態信號，但是有空調左風機和右風機的運行狀態信號，那么就需要對廊橋的空調運行狀態進行邏輯組態設計。將其左風機和右風機的運行狀態進行取或運算，只要任意一個風機在運行，此時我們判斷該空調設備在運行。與此同時，我們對取或之后的綜合信號進行延時2 s的信號處理，防止信號的誤動作，提高信號的可靠性，其邏輯組態設計如圖7所示。

圖7 空調運行及單次耗電量組態邏輯圖

如圖7所示，電能表采集的是總的空調耗電量情況，但是我們對設備進行能效分析，需要計算出空調每一次運行的用電情況。那么我們用設備的運行狀態為觸發條件，保持住瞬間的電能表數據，然后實時記錄設備運行的耗能數據，當設備再次啟動時進行刷新，記錄下實時電能數據與保持的數據之差，則計算出空調設備單次運行的耗電量。對空調進行能效分析，需要計算空調設備的制冷能力，本系統用空氣焓差法[19-20]計算制冷量，計算公式如下：

(1)

其中:Q為空調的制冷量，I1、I2分別為空調回風、送風空氣焓值，L為風量，υ為濕空氣比容，X為空氣的濕度，這5個量均不能直接通過測量得出，需要間接計算得出，那么首先對空調設備進風溫度、出風溫度、環境濕度以及風量進行測量，然后根據原理計算出空調的制冷量，其部分邏輯組態設計如圖8所示。

圖8 空調制冷量計算組態邏輯圖

4 系統運行與測試

4.1 虛擬DPU的啟動

一臺工控機上可以安裝和運行多個虛擬DPU，通過國電智深系統的工程管理器可以設置虛擬DPU的域號和站號，以及該DPU對應的工程師站的編號。點擊將虛擬DPU運行起來，可以在桌面看到虛擬DPU的狀態顏色由黃色變成了綠色。同時可以在系統狀態圖上看到其運行狀態，這樣就可以用工程管理器對該虛擬DPU上傳下載組態程序，發送指令或者采集現場數據，虛擬DPU的運行結果如圖9所示。

圖9 虛擬DPU運行圖

4.2 控制系統的運行

將控制系統運行起來，就可以實現機場就地現場廊橋靜變電源和專用空調設備的生產控制和數據采集，也可以采集變壓器高低壓側開關及電能計量表的相關運行參數，同時還可以對設備的運行數據進行分析和處理，便于監控現場設備的運行狀態和運行情況，其運行的過程畫面概況如圖10所示。

圖10 控制系統監控畫面圖

通過對5號廊橋的專用空調和靜變電源進行數據監控，可以直觀知道設備的運行狀態，并且可以將設備的故障狀態顯示到監控畫面上，如果就地設備出現故障，運行人員可以第一時間發現問題并及時處理。其中5號廊橋的專用空調和靜變電源的運行畫面如圖11所示。

圖11 5號廊橋設備的運行畫面圖

通過能效分析可以得出設備的耗能情況，及時判斷出設備是否處于最優運行狀態，運行人員主動判斷和采取有效的措施保障機場廊橋設備的安全穩定運行，其中5號廊橋專用空調的能效分析運行畫面如圖12所示。

圖12 能效分析畫面

4.3 系統的測試

對設計的控制系統進行了運行測試，測試表明設計的橋載設備控制系統具有可靠性和實時性?？煽啃员憩F控制系統中的任一設備對象發生故障不會影響整個控制系統以及其他控制對象的正常運行。控制系統的網絡通訊負荷率不大于20%，虛擬DPU的平均負荷率測試不大于40%，整個系統的可利用率大于99%。由于虛擬DPU是在工控機上虛擬出來的分布式控制單元，那么其負荷率的大小取決于工控機的計算性能，其虛擬DPU的運算速度依賴于工控機的運算速度[21-22]。

實時性表現為從就地設備數據變化到控制系統采集并存入數據庫中且顯示到畫面上的時間小于1 s。系統應用層調用一個常用畫面時，從接受指令到讀取數據庫中的數據，再到數據輸出的時間小于1 s，滿足對現場設備的生產控制和運行信息數據采集的需求和要求。

5 結束語

本文對航空工業環境下飛機運行的橋載設備進行了分析，闡明了機場橋載設備控制系統的價值和意義。本文基于國電智深系統和虛擬DPU技術設計搭建了機場橋載設備控制系統并在綿陽機場落地應用，相關技術指標滿足要求。該控制系統利用工業級串口服務器實現了串口數據到以太網數據的轉換傳輸，建立起DCS系統虛擬DPU與設備之間的運行數據通信，滿足了數據的長距離傳輸要求且減少了大量硬接線及現場布線工作，減少了硬件DPU的使用，有效的降低了系統成本。對機場現場的橋載設備實現了遠程控制和數據信息采集，極大地方便了運行人員，提高了運維人員的工作效率。最后利用DCS控制系統的數據處理和分析能力，實現了對機場橋載設備的運行能耗分析，為管理者的決策和節能工作提供有效的數據支撐。