基于TTCAN的燃气轮机分布式控制系统智能节点设计

张文豪, 张友谦, 沈立锐

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所无锡分部,江苏 无锡 214151)

相对于集中式控制系统,分布式控制系统具有质量轻、可靠性高和可维护性强、研制周期短、开发成本低等优点,同时可以更好地适应分层结构以及各种新技术的发展,能够满足燃气轮机控制系统小型化、综合化、高性能、高可靠性的发展需求[1]。构建燃气轮机分布式控制系统需要解决三个关键问题:耐高温的电子元器件、分布式电源总线和分布式数据总线[2]。其中,如何设计一种具有鲁棒性和可靠性的数据总线,保证某些节点在掉电或发生故障的情况下不会影响到分布式系统中其他节点正常运行是构建分布式燃气轮机控制系统首先要突破的关键技术环节之一。

控制器局域网络(controller area network,CAN)总线是一种在众多领域中广泛应用的现场总线,具有灵活性好、响应速度快、适应性强等优点,适用于短距离内基于事件触发的终端网络系统[3]。但是,作为事件触发总线,CAN总线存在不确定性、易造成故障蔓延、不利于系统重构等缺点,不适合在航空航天、军用舰船等安全关键领域开展应用推广。

基于时间触发的控制器局域网络(time triggered controller area network,TTCAN)是CAN总线的扩展,使用时间和事件共同触发,将高精度时间触发的通信系统和全局广泛的网络时间引入CAN总线中,大大提高了总线的可预测性、可靠性和实时性,满足了安全关键领域的应用需求。

Zynq-7000系列芯片的特点是在单芯片内部集成了功能丰富的双核ARM Cortex-A9处理器系统PS和Artix-7系列可编程逻辑资源PL,通过二者之间的高性能数据总线和接口实现FPGA设计灵活、可扩展性好和ARM系统运算处理能力强、开发简单等优点的完美结合[4-6]。

本文在充分研究CAN总线工作机制的基础上,以燃气轮机为控制对象,以Zynq芯片为核心处理单元,开展基于TTCAN总线的智能节点设计,结合真实的燃油控制系统,搭建半物理仿真系统,对智能节点的通信可靠性和实时性进行验证[7-8]。

1 TTCAN协议及基本架构

1.1 TTCAN协议简介

TTCAN协议是在传统CAN协议的数据链路层之上引入的高层协议,属于CAN协议的扩展协议。TTCAN协议通过静态消息交换调度表和时间同步来实现事件触发和时间触发机制相结合。

静态消息交换调度表即矩阵周期,用于规定节点发送和接收某个特定消息的时刻,如图1所示。矩阵周期包括多个基本周期,每个基本周期开始于一个时间参考消息(同步消息),并且以下一个参考消息的开始作为结束。基本周期根据用户需求可自主定义,包括若干个长度不等的时间窗,各个节点在这些时间窗内收发消息。时间窗包括同步窗口、仲裁窗口、独占窗口以及自由窗口[9-11]。

图1 矩阵周期结构

同步窗口必须设置在每个基本周期的起始位置,由计时主机节点在该窗口传输校时基准信息;仲裁窗口可以由多个节点发送消息,发生总线冲突时通过CAN总线自身的非破坏仲裁机制解决;独占窗口分配给某个特定的消息,用于传输硬实时、周期性的信息;自由窗口不传输消息,用于后期网络扩展。

1.2 TTCAN通信架构

TTCAN通信的基本架构如图2所示。一个TTCAN集群中包括1个计时主机节点、若干个备份计时主机节点和若干个普通节点。每个节点均包含主机控制器、TTCAN协议控制器以及它们之间进行数据交换的通信网络接口(communication net interface,CNI)。集群运行时,计时主机节点将本地时间作为全局时间在同步窗口发送给备份计时主机节点和普通节点;备份计时主机节点和普通节点将收到的全局时间加上传输延时时间作为各自的本地时间,从而实现集群的时间同步。当计时主机节点发生故障时,按照事先约定的优先级顺序,由下一优先级备份主机节点转换为计时主机节点;故障节点恢复后,通过时间窗口获取全局时间,重新加入集群。各个消息的传递按照静态消息交换调度表有序进行。

图2 TTCAN通信系统架构

2 TTCAN总线的优势

相比传统基于CAN 总线的分布式控制系统,基于TTCAN总线的分布式控制系统具有信息时延可确定、节点安全等级更高等优势。

(1) 信息时延可确定

传统CAN作为一种事件触发总线,等待传输的时间取决于当前数据报文的优先级和总线负载状态,低优先级的报文存在传输不定期超时甚至掉包的隐患,进而影响燃气轮机的使用性能和使用寿命。

TTCAN为不同的消息定义了不同的时间窗口,在同一时间窗口内,总线上只能有一条消息传输,避免了总线仲裁,使得低优先级消息最大信息时延可确定,保证了低优先级消息的实时性。

(2) 节点安全等级更高

作为一种多主机系统,CAN总线智能节点自行控制数据的接收和发送,没有总线权限保护装置对总线资源进行统一调配。当低优先级的智能节点发生故障时,难以及时被中央控制节点发现,降低了智能节点的容错能力和安全等级。

TTCAN通过权限保护装置,确保某一特定时间,仅某一智能节点独占总线,保证了节点故障消息的及时发送,提高了智能节点的安全等级。

3 智能节点设计

智能节点的硬件实现框图如图3所示,图中实线箭头表示应用数据流向,虚线箭头表示时间数据流向。TTCAN智能节点包括主机控制器、TTCAN总线协议控制器以及用于两者之间通信的CNI。

3.1 主机控制器

本文选取PS中的CPU0来作为主机处理器核心,CPU1作为协议处理器核心。如此设计的原因是因为TTCAN智能节点中首先启动主机控制器,更新CNI状态域中的控制器状态标志位;协议控制器检测到主机控制器状态正常后,开始初始化相关参数并进入启动状态。以Zynq-7000系列芯片从flash中启动为例,硬件启动队列之后,两个CPU执行位于地址为0x0相同的BootROM程序,并在0x0处区分两个CPU的身份。然后,CPU1停止运行并且执行等待指令,CPU0继续执行BootROM。等待CPU0执行完BootROM、FSBL(first stage bootloader,第一级启动代码)并进入main()函数后,由CPU0将CPU1的入口地址赋给CPU1;CPU1结束等待,开始执行CPU1的初始化及主程序。鉴于主机模块和CPU0处理器优先运行的特点,选择PS中的CPU0处理器作为主机模块的处理器。

主机控制器包括主机处理器以及保证运行的存储模块和时钟模块。根据主机控制器功能不同,可以将集群内的节点分为三类:智能转速采集节点、中央处理节点和智能油门位置控制节点。智能转速采集节点的主机控制器通过转速传感器采集燃气轮机转速信号,并将采集结果通过TTCAN总线传输给中央处理节点;中央处理节点的主机控制器从TTCAN总线获取转速信息,并结合上位机的控制指令进行PID运算,得到理论油门位置;智能油门位置控制节点从TTCAN总线得到理论油门位置,结合从RVDT传感器获得的油门开度,进行油门位置闭环控制。三类智能节点协同工作,实现燃气轮机转速闭环控制。

3.2 协议控制器

协议控制器包括协议处理器、本地时间计数器、冗余编解码模块、静态消息交换调度表、冗余总线保护器(bus guardian,BG)模块、两路物理层驱动模块,用于实现通信数据编码解码、时钟同步、时间窗分配及调度等功能,保证各个智能节点之间的正常通信。

(1) 协议处理器

协议处理器是TTCAN总线控制器的核心,由CPU1以及保证运行的存储模块和时钟模块组成,用于完成与主机控制器的数据交互、时间窗口分配以及集群重构。协议处理器通过Zynq内部的AXI总线协调PL各个总线协议模块工作。

(2) 本地时间计数器

对于计时主机节点,本地时间计数器在时钟模块的驱动下,对本地时间进行循环计数,计数值在每个矩阵周期结尾进行清零。同时,在同步窗口将本地时间传输给集群中的其他智能节点。其他智能节点收到计时主机节点的时间信息后,再加上传输延时,作为其他智能节点的本地时间。

(3) 冗余编解码模块

冗余编解码模块用于将协议处理器要发出的应用数据、本地时间等信息进行编码后传输给BG模块。同时,将从BG模块收到的应用数据进行解码后,通过AXI总线发送给协议处理器;将从BG模块收到的时间信息进行解码,对本地时间计数器的计数值进行修正。

该模块设计时并未采用Zynq开发软件中提供的相关IP核来实现,而是根据设计需求,利用PL内的FPGA资源自主开发设计的,具有较高的灵活性和可更改性。

(4) 静态消息交换调度表

静态消息交换调度表规定了矩阵周期节点发送和接收消息的时刻,在集群启动前定义完成;集群运行过程中,不支持在线更改。本文定义的静态消息交换调度表长度为20 ms,包含4个基本周期,每个基本周期长度为5 ms。

(5) BG模块

BG模块是一个总线权限保护装置,用来避免节点在发送时间外占用总线,从而造成总线数据紊乱。BG模块内保护独立计数模块,使用不同于本地时间计数器的PLL资源进行独立计数,同时每个基本周期根据同步窗口收到的时间信息对独立计数模块进行修正。只有当节点的本地计数器和BG模块内部的独立计时模块同时授权总线使用权限时,BG模块才允许节点进行数据发送。

(6) 物理层驱动模块

该模块是唯一一个在Zynq芯片外部实现的模块,用于提高传输信号的抗干扰能力和长距离传输驱动能力。本文以ADM3053芯片为核心开展物理层设计,该芯片内部集成隔离DC/DC转换器和电源隔离CAN收发器,最大传输速率为1 Mbps,单通道的电路原理图如图4所示。

图4 CAN单通道驱动电路原理图

4 半物理平台搭建及验证

4.1 搭建半物理平台

本文采用4个TTCAN智能节点组成燃气轮机分布式控制系统,结合一套真实的燃油控制系统和一套燃气轮机模拟装置,搭建燃气轮机半物理仿真平台,如图5所示,对智能节点的工作性能进行验证。其中,智能执行机构节点采用与某型燃气轮机完全一致的燃油控制系统,以提高分布式控制系统的动态仿真置信度。

图5 基于TTCAN的半物理试验平台

本文选取的4个智能节点包括智能传感器节点、中央处理节点、备份中央处理节点和智能执行机构节点。其中,中央处理节点定义为计时主机节点,备份中央处理节点定义为备份计时主机节点,其余为普通节点。该试验平台包括转速控制的大闭环和燃油位置控制的小闭环,二者协调工作,实现对燃气轮机转速的实时控制。

智能传感器节点用来采集燃气轮机转速信息并通过TTCAN总线传输给中央处理节点。中央处理节点根据上位机的给定转速和智能传感器节点采集的燃气轮机实际转速,计算出理论油门位置,并通过总线传输给智能执行机构节点。智能执行机构节点根据收到的理论油门位置和采集到的实际油门位置,计算出油门驱动电流并输出给燃气轮机模拟装置。备份中央处理节点正常状态下不发出控制指令,当中央处理节点发生故障时,切换为中央处理节点。

4.2 仿真结果及分析

半物理仿真结果如图6和图7所示。本文的验证试验不针对具体燃气轮机型号,因此转速和油门位置的量纲均转换为百分比的形式。控制过程包括6个阶段:3个转速上升阶段和3个转速下降阶段。由图可知,通过转速闭环和油门位置闭环控制,可以实现对燃气轮机转速信号的动、静态控制,验证了TTCAN总线控制器通信性能的可靠性和实时性。

图6 油门位置闭环控制响应曲线

图7 转速闭环控制响应曲线

5 实时性验证

5.1 搭建验证平台

以某型燃气轮机的一级报警信号金属屑报警为例,验证TTCAN智能节点组成燃气轮机分布式控制系统的实时性。一级报警信号每10 ms进行一次采集,故障发生后需在20 ms内输出报警信号。

首先,设置中央处理节点、备份中央处理节点、智能执行机构节点和智能传感器节点在仲裁窗口的帧ID值依次为1～4,ID值越小,优先级越高。同时,设置智能传感器节点每10 ms进入一次独占窗口。为提高验证结果的可信度,设置中央处理节点在仲裁窗口始终占据总线。

其次,使用智能传感器节点采集金属屑故障信号,并在该节点的仲裁窗口和独占窗口发送采集情况给中央处理节点和备份中央处理节点。

再次,若中央处理节点收到金属屑故障信号,则通过该节点的仲裁窗口和独占窗口,输出指令给智能执行机构节点发出报警;否则,指示智能执行机构节点输出正常信号。

最后,智能执行机构节点根据收到的指令,发出报警或正常信号。

5.2 仿真结果

由于金属屑报警信号的产生及报警信号的采集均由燃气轮机模拟装置完成。本文设置金属屑报警信号产生后,模拟装置的MCU引脚1发出高电平信号;采集到报警信号后,模拟装置的MCU引脚2发出高电平信号。通过示波器测量引脚1和引脚2上升沿信号的时间差,验证分布式控制系统的实时性。

通过连续10次采集时间差,并取最大值来验证试验结果,如表1所示。结果表明,从金属屑故障发出到采集到报警信号最大时长为10.138 ms,满足一级报警信号20 ms内完成的实时性要求。

表1 TTCAN总线实时性验证记录表

6 结论

为解决传统CAN总线延迟时间不确定的难题,基于Zynq平台设计了一种TTCAN总线控制器,并搭建了燃气轮机分布式控制系统半物理仿真平台对总线控制器的功能和实时性进行验证。结果表明,自主设计的TTCAN总线控制器能够精准、实时地实现燃气轮机转速闭环控制,为后续研究时间触发机制下的燃气轮机分布式控制系统奠定了基础。