基于双机热备PCC控制方案的航管雷达（ATM）伺服系统

　　双机热备控制功能，在工业上有着十分广泛的应用，除化工、冶金及电力等一些重要的过程自动化（PA）控制对象以外，一些重要的机器设备也同意有着24小时不间断工作，运行高度可靠，在线维护等要求，航空管制雷达（ATM）就是这样一种典型的机电设备，其工作的可靠与否，会直接关系到所在空域飞机起降的安全，针对航管雷达的这种应用特点和要求，我们运用PCC在运算控制及网络通信方面的快速性，灵活性，采用两套互耦的PCC控制器，运用我们开发的一套驱动软件，成功地构建了一套小型廉价、高效实用的双机热备航管雷达伺服控制系统，整个伺服系统具有如下图所示的对称式的控制功能构成：

　　上述系统的主要功能构成如下：

　　1） 通过CAN总线，控制驱动雷达天线的7.5kw的方位电机的启、停、正、反及调速转动，同时实时监测方位电机的转速、电流、温升及故障报警信息。

　　2） 通过CAN总线，控制0.75kw的方位润滑泵油电机的启、停及调速转动，同时实时监测泵油电机的转速、电流、温升及故障报警信息。

　　3） 控制极化电机的运动，实现天线馈源的圆极化和线极化。

　　4） 监控雷达伺服系统的转速、油压油温和其他机械信息与状态，并实现控制。

　　出于冗余热备的设计考虑，上述所有机电设备均为2套，在机械结构布置上大体呈对称化布局，他们作为相互冗余热备的两部分，构成了整个航管雷达伺服系统不可分割的整体结构，实际运行时，系统软件运用一定的策略，选取其中的一半作为主控单元，另一半则自动成为主控单元的备用单元，与一般的备用不同的是，备用的部分被称为“热备”，即工作时处于上电状态，功能上为准备状态，即当系统主控系统发生故障，控制将中断时，热备系统会自动切入控制，接管原主控系统的控制角色。上述控制系统中，除了具有两套对称布局的PCC以外，还配备了机旁监控用的一块触摸屏PowerPanel，用于实时监测系统的所有工作信息，并可实现两套PCC的主备机控制切换操作。同时，借助系统的主干网络-以太网，网上的另一台管理计算机也可以检测系统的工作状态和进行主备机远程切换。

1. 硬件的耦合实现

　　两套对称布局的PCC是整个系统的关键与核心，其相互间的软、硬件耦合关系的实现则是保证双机热备控制功能的技术核心，如下图所示的结构：

　　按上图所示，相互耦合的两套PCC中具有下列功能要素：

　　主备选择开关：作为对主备功能选择的硬件手段，该开关具有最大的选择设置权限，当系统上电时，双机热备软件会根据该开关的选择状态，设置相应的PCC为主控单元，另一套PCC则进入“热备”备机工作状态。

　　程序同步按钮：该按钮用于在装载双机热备软件时控制主备控制器之间的同步装载，当按动该按钮时，该控制器内的控制软件可借助同步数据网络耦合自动传送到另一套控制器单元上，这对于系统软件的维护是一个至关重要的功能。

　　LifeGuard（生命守护）信号：该信号在主备控制系统之间的输入输出通道间交叉连接着，通过该信号，备用的控制系统得以随时监控到主控PCC的运行状态，据此，在主控PCC瘫痪时，备用PCC会自动无扰动地切换为主控单元，接管原来主控PCC的软件运行。

　　HeartBeat（心跳）信号：该信号在主备控制系统之间的输入输出通道间交叉连接着，据此，主控PCC在其程序运行过程中，按照固定的心跳节律，指挥备用PCC的软件运行节奏，以确保主备系统软件运行状态的一致，这一信号的传递，是确保系统两套PCC在主备关系切换时无扰动的必要条件。

　　SyncData（同步数据）网络耦合：该信号通过工业以太网或高速率的串口，连接在两套PCC之间，实现主控PCC将其运行的中间级输出数据同步热备份到备用的PCC之上，这一信号的传递，是确保系统两套PCC在主备关系切换时无扰动的另一个必要条件。

　　上位管理网络的链接：该连接以工业以太网实现，是两套控制系统连接上位监控触摸屏或管控计算机的网路。

　　输入输出信号：该部分与常规的非双机热备控制系统一样，由航管雷达设备上各种传感器与执行单元构成，也可以以CAN现场总线网络的方式接入。与常规系统不同的是，从双机热备系统功能架构考虑，所有这些信号均设计了互为冗余两套，平行接入互为主备的两套PCC控制系统中。

2. 双机热备控制软件的实现

　　本系统软件的核心功能是实现两套互为热备的控制系统的协调管控，以确保系统对外的控制功能具有在线热备的功能，概括起来，软件设计需要满足如下功能特点：

　　1） 高速性;系统软件必须满足高速运行，对外实现精准的数据、状态采集与控制，并在主控单元崩溃失效以后，以较短的时间，完成主备用PCC的自动切换。

　　2） 同步性：两套互为主备的PCC控制系统必须保持相互运行的同步性要求，并在主备角色切换时，确保对硬件设备的输出控制平滑无扰动，这一点，单纯从完全对称的硬件结构设计是无法保证的，必须做出针对性的软件任务调度设计和数据同步方面的处理。这也是整个系统软件的核心所在。

　　3） 对称性：本系统设计不仅需要实现硬件方面的对称性，而且需要实现纯粹的软件对称、同一性，即两套PCC内部软件必须是完全一样的。这是在系统时间投运后，用户得以正常进行日常软硬件维护工作的客户要求。

　　4） 开放性：本系统需要通过标准的工业以太网接口，与管控计算机触摸屏联网，实现航管雷达上位管控计算机对伺服控制系统的实时监控。

　　依照上述原理要求，以下是我们设计的双机热备软件数据同步与任务调度的流程原理示意图：

　　依照上述流程设计，本双机热备软件的数据同步与任务调度的精确时序可表述如下图所示：

3. 后记

　　上述采用两套PCC的双机热备应用系统，打破了工业领域里习惯性的双机热备的“超豪华”软硬件设计架构，以低廉、经济的方案实现了小型、实用的应用要求，系统目前已成功装备在我国东北、华北的多个民用、军用机场的航管雷达网络中，历时数年，部分替代了目前市场上占主导地位的欧美发达国家进口航管雷达产品，以可靠、稳定、维护方便的优异表现，赢得了客户的一致好评，展现了良好的市场前景，目前正处于国内推广阶段。

参考文献

　　1. 《加固增强型控制器产品选型手册》 上海英硕自动化科技有限公司

　　2. 《PCC双机热备软件说明书》 上海英硕自动化科技有限公司

　　3. 《可编程计算机控制器技术》 齐蓉 肖维荣

　　4. 《ALENIA航管雷达维修经验介绍》 民航西南局四川省局