飞机机电管理系统四节点余度设计

2024-03-05曹艳梅

山西电子技术 2024年1期

宋丫，王琳，曹艳梅

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所,陕西西安 710065)

1 背景

机载机电系统由支持飞机正常、安全飞行,独立于航空电子系统、飞控系统的机电子系统组成,也称为公共设备系统。在国外,机电管理系统的研究开始于20世纪70年代末,90年代初。机电管理系统应用于欧洲战斗机EF2000,借鉴EF2000的成功经验,国内外无论在固定翼飞机还是直升机上,机电管理系统都得到了广泛应用。

典型的机电子系统包括液压系统、燃油系统、环控系统、电源及配电系统、防火系统、机轮刹车系统等。每个单独的机电子系统都需要一套管理控制器、连接器及大量的连接电缆,使得机电系统利用率低,可靠性、可维修性差。基于机电综合管理的思想,研制开发新型机电管理系统(UMS,Utility Management System)替代部分机电系统中的控制盒、信号盒、继电器盒等,实现对部分机电系统的综合控制和管理操作,提高系统的可维护性,以及故障状态检查能力。

新型机电管理系统由机电管理计算机、远程接口单元构成,通过硬线、RS422总线、GJB289A总线、ARINC429总线等形式与其他机电子系统通信互连。机电综合管理系统扮演着大脑中枢的角色,需要具备一定的抗风险能力。如果机电管理系统失效,则很多机电参数就不可获得,为了防备这种情况的发生,很多重要的机电参数都需要有备份仪表进行显示存储,这和机电系统的综合化思路是不协调的。因此,为了进一步提高机电系统的综合化程度,必须提高机电管理系统的可靠性,故机电管理系统需要采用双余度或多余度设计。同时,为了保证系统不至于繁琐冗杂,余度决策需根据具体任务场景区分对待。

本文介绍了一种常用的机电管理系统四节点余度设计,能有效提升系统稳定性及综合化程度。

2 系统概述

本文设计了一种机电管理系统架构,整个系统包括两台机电管理计算机,两台远程接口单元。如图1所示,机电管理系统内部采用GJB289A总线组网,进行四个节点之间的信息交换。1号机电管理计算机担任内总线的总线控制器(BC,Bus Controller),2号机电管理计算机作为远程终端(RT,Remote Terminal)同时亦担任备份BC,从而形成双余度BC。两个远程接口单元分别部署在系统两端,形成信息传输RT。在两个机电管理计算机之间、以及两个远程接口单元之间,采用交叉通信链路(CCDL,Cross Channel Data Link)来完成数据互连,从而构成四节点的分布式容错系统,按每个节点配置的具体任务,对机电系统进行控制。对于单节点控制的任务,采用决策结果共享方式,对于双节点控制的任务,采用热备份工作方式。

图1 机电管理系统四节点框图

机电管理系统根据各机电子系统的功能、重要性的不同,对其分别采取不同的余度配置和管理策略。对于可靠性要求高的任务采用直接余度法,即硬件备份;对可靠性要求较低的任务进行单余度设计。通过对硬件的合理配置和软件程序的编制,机电管理计算机能够对多余度任务进行管理,并控制它们之间的通讯。

节点计算机之间对于相同的任务彼此同步,始终运行同一任务,允许有限的偏差。同步是周期性的,在同步管理程序的控制下,每个节点机根据时钟向冗余节点机发出它的当前时间,同时在一定时间间隔内收到冗余节点机的时钟值,实现同步握手,然后根据同步算法校正时钟,双机开始同步工作。对于双余度任务,双通道在完成数据采集后,首先通过CCDL 进行交叉传输,实现数据共享,实现控制功能的解算,并将解算后的数据通过CCDL 进行数据传输和比较,从而实现控制数据的一致性。

3 软件设计

软件是机电管理系统正常运作的重要支撑,良好的软件设计是提高系统性能的前提。由于硬件环境采用分布式嵌入结构,基于分布式余度容错系统的软件架构是实现机电管理系统性能的关键。

机电管理计算机软件通常可以分为三个层次,应用软件层、系统软件层和I/O访问层。其中应用软件主要负责信息处理、故障预警、控制维护以及与航电系统、综合显示器的通信。系统软件主要完成节点协同、余度控制、资源管理和应用接口调用等。I/O访问层根据系统软件的需求,实现对硬件接口的直接控制,包括输入、输出、占空比等。

应用软件常常需要根据不同场景需求进行多次开发,通常可分为六大模块:通讯模块、状态与故障监控模块、系统控制模块、系统维护模块、故障预测模块以及排故测试接口模块。在具体实现时,每个模块会根据具体需求划分为若干任务。

任务一般可以分为三种工作模式:空中工作模式、地面工作模式以及地面维护模式,具体模式的选择需要根据轮载信号识别及具体操作完成。