適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，包括多臺操舵本地控制單元和多臺水路本地控制單元；操舵本地控制單元包括第一主控卡、第一CAN卡、模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡和模擬量輸出板卡；第一主控卡、第一CAN卡、模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡、模擬量輸出板卡均與第一CPCI總線雙向連接；水路本地控制單元包括第二主控卡、第二CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡，第二主控卡、第二CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡均與第二CPCI總線雙向連接。本實用新型可以在實驗室內為操縱控制系統的容錯技術提供軟硬件的開發平臺，同時為容錯控制原型提供測試條件。
【專利說明】適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元。
【背景技術】
[0002]海洋中蘊藏著豐富的資源，據估計世界海洋每年可提供的水產品高達2萬億噸，近岸大陸架的海底石油資源儲量可能接近2500億噸，天然氣的儲量為39萬億立方米等。隨著科學技術的不斷發展以及對能源和生活資源的需求不斷增加，人們愈益重視對深海的探索和開發，人們的活動范圍也逐漸從沿岸、近海擴展到更深的海域。這其中包括海洋石油開發、海底地質勘探、海底礦藏采集、海洋水產捕撈等，以及與上述活動有關的各式各樣的海洋工程。
[0003]“工欲善其事，必先利其器”，在海洋中進行的各項活動都離不開船舶或海洋平臺的保障，我國也愈發重視深海裝備的研發和制造。隨之而來，對其安全性和可靠性提出了更高的要求，不但要求船舶在進行正常作業的過程中滿足控制性能要求，而且對于某些特殊作業，在出現可接受的故障之后要求仍然能夠繼續完成作業，甚至滿足降低的性能指標，或至少在一定時間內不會發生重大事故。容錯控制可提高系統的安全性和可靠性，因此對船舶控制系統進行容錯控制是必要的。
[0004]控制系統廣泛應用于各大領域，為人類生活提供各種服務。但不幸的是，所有技術系統都避免不了發生故障。由于控制系統內部是緊密相連的，系統的某一部分發生故障會影響到控制回路的其它部分，因此嚴重故障甚至可致使整個系統無法運行，這意味著故障修復前不得不關閉系統。一般情況下，故障是指改變系統行為使得系統不再滿足目標的事件。容錯控制是故障診斷、魯棒控制和可重構控制三個研究領域的緊密結合。典型的容錯控制方案是，當傳感器或執行器故障發生時，故障診斷方案檢測并隔離故障源，然后開始進行重構控制，可重構控制器進行調整以適應故障，使得閉環控制系統仍然是穩定的，且被控系統可保持較理想的控制特性，故障診斷與可重構控制器需對不確定性和干擾具有一定的魯棒性。因此，故障診斷與容錯控制技術可對現代復雜系統的可靠性和安全性提供切實保障，具有十分重要的意義。
[0005]目前國內外已有大量關于船舶控制系統相關領域的研究成果，但是在船舶容錯控制領域的研究還不是十分深入，仍然存在許多有待解決的問題和難點，但是對于船舶容錯控制領域的研究需要建立在實驗平臺之上，國內外沒有報道船舶容錯控制研發平臺。
【發明內容】
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，為進一步的容錯控制技術的研究提供基礎條件。
[0007]為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是:一種適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，包括多臺操舵本地控制單元和多臺水路本地控制單元，所述操舵本地控制單元和水路本地控制單元通過CAN總線或者以太網與計算機通信；所述操舵本地控制單元包括第一主控卡、第一 CAN卡、第一模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡和模擬量輸出板卡；所述第一主控卡、第一 CAN卡、第一模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡、模擬量輸出板卡均與第一 CPCI總線雙向連接；所述水路本地控制單元包括第二主控卡、第二 CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡，所述第二主控卡、第二 CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡均與第二 CPCI總線雙向連接。
[0008]所述第一主控卡、第二主控卡均通過以太網與所述計算機通信。
[0009]所述第一 CAN卡、第二 CAN卡均通過CAN總線與所述計算機通信。
[0010]所述第一主控卡、第二主控卡各接有一個顯示器。
[0011]所述第一主控卡、第二主控卡型號均為研華MIC-3323D01-D23E。
[0012]所述第一 CAN卡、第二 CAN卡型號均為研華MIC-3680。
[0013]所述第一模擬量采集卡、第二模擬量采集卡型號均為研華MIC-3716。
[0014]所述第一開關量I/O卡、第二開關量I/O卡型號均為研華MIC-3756。
[0015]所述PWM開關量輸出板卡型號為研華MIC-3780。
[0016]所述模擬量輸出板卡型號為研華MIC-3723。
[0017]與現有技術相比，本實用新型所具有的有益效果為:本實用新型可以在實驗室內為操縱控制系統的容錯技術提供軟硬件的開發平臺，同時為容錯控制原型提供測試條件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元結構示意圖；
[0019]圖2為操舵本地控制單元結構示意圖；
[0020]圖3為水路本地控制單元結構示意圖。
[0021]圖4為操舵本地控制單元與外圍電路接口示意圖；
[0022]圖5為水路本地控制單元與外圍電路接口示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本地控制需要進行數據采集、數據通信及PWM信號輸出、模擬量輸出、數字量輸出等功能，每樣功能的實現都需要硬件的依托。每個CD本地控制單元需要采集12路模擬量，輸出4路模擬量；采集4路數字量，輸出24V PWM 4路及24V數字量2路。每個SL本地控制單元需要采集模擬量11路；采集數字量24路，輸出數字量25路。基于以上系統的功能分析，對本地控制單元系統所需要的信號進行統計，如表I所示。
[0024]表I信號統計
[0025]系統信號類型通道數是I擴
___________ 滿
f電位' g路
(O-1OV)__
於λ 模擬量± 5V__2路
4-20Μ4
CD 系統__(Q-10V)_____
__開關量 OV-15V____
15Υ 的 PWM4 路
輸出__15V__2?__
___模擬量__± IQV__2_fe__
_ , 模擬量11路16路
輸入 1艽以里(Q-1QV)______
SL系統 _開關量—OV-1SV24路32路
輸出開關量 0\’-24\，25路32路
[0026]按照上述要求要求，每個⑶系統需要CPCI機箱I臺，主控卡I臺，CAN板I臺，開關量輸入輸出卡I臺，模擬量采集卡I臺，模擬量輸出卡I臺。每個SL系統需要CPCI機箱I臺，主控卡I臺，CAN板I臺，開關量輸入輸出卡I臺，模擬量采集卡I臺。⑶及SL機柜各需要KVM—臺。具體選型如下表所示。
[0027](I) CPCI 機箱:MIC-3001
[0028]MIC-3001是支持8槽3U CompactPCI卡、4U高度的高品質CompactPCI平臺。8槽底板中有一槽為系統槽，其余7槽為外圍設備槽；同時支持H.110兼容的CT總線及后出線接線板。MIC-3001具有高可用性及充足的擴展能力，并兼容PICMG 2。5CT總線規范，是刀片式服務器/服務器集群(blade server/server farms)和中等規模的下一代網絡(NGN)應用諸如軟交換(Softswitch))及信令網關等的理想平臺。MIC-3001熱拔插風扇模塊及冗余電源，具有很強的可維護性，能保證系統7X24不間斷運行。用戶可選購的報警模塊可對系統進行故障偵測。
[0029](2)系統主控卡:MIC_3323
[0030]MIC-3323支持Intel最新的低功耗Pentium M處理器，與Intel移動式915GMExpress芯片組搭配，集成優化過的圖形控制器，提供雙通道DDR2
[0031]SO-DIMM內存與最新標準的I/O接口，同時不會產生散熱的問題，完全適合高性能嵌入式系統的構建應用。MIC-3323利用ICH6-M所提供的PCIe總線接口，最大化了 I/O性能，通過2個Xl的PCIe通道連接2個Intel 82573E千兆以太網控制器，在全雙工模式下，提供2Gbps的帶寬。另外通過I個Xl的PCIe通道，經過一個PCIe-PCI橋，分別為PMC接口與 CompactPCI 總線提供了 64bit/100MHz、64bit/66MHz 的數據帶寬。位于 CompactPCI總線接口的PC1-PCI橋，性能靈活，可以使MIC-3323既可以作為CompactPCI系統主控卡使用，也可以作為獨立的單板計算機，應用于集群系統。基于標準的I/O技術應用趨勢，ICH-6M為MIC-3323提供了 2個SATA控制器，提供150MB/s的數據傳輸率。其中一個接口由R1卡引出，另外一個接口則由客戶選擇應用于R1卡或CPU卡板載2.5” SATA硬盤。MIC-3323通過以太網絡接口與串口，支持最新的系統管理規范IPMI 2.0，提供了系統平臺的整體管理功能。針對今天的嵌入式運算平臺，MIC-3323不僅提供了強大的運算處理性能，而且在客戶的應用平臺中，可以幫助客戶將產品性能最大化，風險最小化。
[0032](3) CAN 卡:MIC_3680
[0033]I 包含Windows DLL函數庫和用例；
[0034]I 兼容 CompactPCI PICMG 2.0 R3.0 規范；
[0035]I支持熱插拔；
[0036]I 兩個獨立的CAN端口；
[0037]I 支持 CAN2.0A/B ；
[0038]I傳輸速率可達I Mbps;
[0039]I 16 MHz CAN 控制器頻率；
[0040]I 2500VDC 光隔離；
[0041]I支持Windows 98/ME/2000/XP驅動程序和應用工具。
[0042](4)模擬量輸出卡:MIC_3723
[0043]MIC-3723是一款隔離高密度多通道模擬量輸出卡，每個模擬量輸出通道都帶有一個14位DAC。MIC-3723具有可選電壓、電流輸出和BoardID--開關，是要求多路模擬量輸出工業應用的理想解決方案。
[0044](5)模擬量輸入卡:MIC_3716
[0045]規格:①16路單端輸入或者8路差分輸入，也可以采用組合輸入；②分辨率為16位，最高采樣速率為250kS/s ；③FIFO緩沖的大小為1024samples/Ch④過硬保護為30v ;⑤輸入阻抗為100M Ω。
[0046]—般特性:①支持熱插拔；②總線類型CompactPCI ③I/O接口類型，68腳SCS1-1I孔型接口，功耗典型值為:+5v時為850mA，+12v時為600mA ;最大值為:+5v時為ΙΑ, +12v 時為 700mA。
[0047](6)開關量采集卡:MIC_3756
[0048]I 32路開關量輸入，32路TTL電平或功率輸出，3路脈沖計數；
[0049]I光電隔離為電流驅動方式,一分鐘內可耐壓5000V;
[0050]I每個點輸入電壓可選(出廠為O?24V);
[0051]I每個點輸入電壓可選(出廠為O?24V);
[0052]I輸入電流限制在4mA左右，由Rl?R32阻值決定；
[0053]I各輸出信號具有鎖存功能，驅動能力為+ 24V/200mA;
[0054]I工作模式為CPU掃描刷新輸出，最快掃描周期〈5 μ S ;
[0055]I基地址浮動，由PCI協議管理地址；
[0056]I 物理 I/O 地址為 BASE+0 ?BASE+7H ；
[0057]I提供WIN/98/2000/NT/XP下驅動程序及動態連接庫；
[0058]I功率輸出時須從機外提供+ 12V或+ 24V輔助電源。
[0059]本實用新型的工作原理是:
[0060]本地控制單元系統部署在4臺本地控制單元機箱內，其中CD為2臺機箱，JH為2臺機箱，主要完成與CD、JH相關的數據采集及控制信號的輸出，具體功能如下所示:
[0061]1.操舵本地控制裝置采集并顯示操舵模擬系統上的實際舵角、閥芯位移、泵斜盤位置、泵啟停狀態等信息，并通過以太網和CAN網發送采集的信息。其通過外圍電路與操舵模擬系統連接，如圖4所示，操舵本地控制裝置外圍電路包括余度擴展板、調理板、驅動板、2選I輸出切換板。驅動板、PWM驅動板是為后級閥門中的負載提供驅動；2選I輸出切換板是通過容錯計算機選擇CPCI機箱輸出；余度擴展板是把其中的一余度輸入信號轉成兩余度輸入信號且前后級相互隔離；調理板是把其中閥芯和舵角的電位器信號轉換成O-1OV的電壓信號。
[0062]2.水路本地控制裝置采集并顯示均衡及懸停模擬系統上的泵、閥狀態，水艙壓力、液位高度，懸停水艙與海水的壓差，并通過以太網和CAN網發送采集的信息。本地控制單元與水路部分連接示意圖如圖5所示；水路本地控制裝置外圍箱包括余度擴展板、驅動板、2選I輸出切換板。驅動板是為后級閥門中的負載提供驅動；2選I輸出切換板是通過容錯計算機選擇CPCI機箱輸出。余度擴展板是把I余度輸入信號轉成2余度輸入信號且前后級相互隔離，分為4-20mA的電流信號通過隔離柵轉變成兩路0-10V的電壓信號；
[0063]3.操舵、水路本地控制裝置可通過以太網和CAN總線接收并顯示控制指令，同時實現對泵、閥的控制。
【權利要求】
1.一種適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，包括多臺操舵本地控制單元和多臺水路本地控制單元，所述操舵本地控制單元和水路本地控制單元通過CAN總線或者以太網與計算機通信；其特征在于，所述操舵本地控制單元包括第一主控卡、第一CAN卡、第一模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡和模擬量輸出板卡；所述第一主控卡、第一 CAN卡、第一模擬量采集卡、第一開關量I/O卡、PWM開關量輸出板卡、模擬量輸出板卡均與第一 CPCI總線雙向連接；所述水路本地控制單元包括第二主控卡、第二CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡，所述第二主控卡、第二 CAN卡、第二模擬量采集卡、第二開關量I/O卡均與第二 CPCI總線雙向連接。
2.根據權利要求1所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一主控卡、第二主控卡均通過以太網與所述計算機通信。
3.根據權利要求1或2所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一 CAN卡、第二 CAN卡均通過CAN總線與所述計算機通信。
4.根據權利要求3所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一主控卡、第二主控卡各接有一個顯示器。
5.根據權利要求4所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一主控卡、第二主控卡型號均為研華MIC-3323D01-D23E。
6.根據權利要求5所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一 CAN卡、第二 CAN卡型號均為研華MIC-3680。
7.根據權利要求6所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一模擬量采集卡、第二模擬量采集卡型號均為研華MIC-3716。
8.根據權利要求7所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述第一開關量I/O卡、第二開關量I/O卡型號均為研華MIC-3756。
9.根據權利要求8所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述PWM開關量輸出板卡型號為研華MIC-3780。
10.根據權利要求9所述的適用于操艇控制系統容錯技術研發平臺的本地控制單元，其特征在于，所述模擬量輸出板卡型號為研華MIC-3723。
【文檔編號】G05B23/02GK203950197SQ201420342071
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】羅安, 田園, 謝寧, 謝龍裕, 李澤斌, 王皓 申請人:湖南大學, 長沙博立電氣有限公司