三余度供電管理計算機

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摘要：介紹了飛機供電管理設(shè)備余度設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，描述了某型飛機的三余度供電管理計算機構(gòu)型設(shè)計和余度管理策略、同步及通信、表決機制以及系統(tǒng)驗證方法。

關(guān)鍵詞：三余度；同步；CCDL；故障注入

1供電管理計算機基本任務(wù)

供電管理計算機是某型飛機分布式供配電系統(tǒng)的核心控制部件，它采集飛機電源系統(tǒng)的各種參數(shù)，判斷當前飛機供配電系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，按照預(yù)先設(shè)定的控制邏輯方程，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，送到配電系統(tǒng)的匯流條接觸器，對配電系統(tǒng)的狀態(tài)進行控制。另一方面，供電管理計算機與飛機機電管理系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、發(fā)電機控制器、地面維護設(shè)備等進行通信，接收機電管理系統(tǒng)通過總線送來的對配電系統(tǒng)的控制命令，接收其他系統(tǒng)設(shè)備送來的工作狀態(tài)信息和參數(shù)，按照預(yù)定的控制規(guī)律輸出相應(yīng)的控制信號。同時，供電管理計算機對配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，把配電系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)和故障情況通過總線上傳機電管理系統(tǒng)和飛機的故障告警系統(tǒng)以及飛機其他系統(tǒng)。供電管理計算機通過總線與電氣負載管理中心通信，向電氣負載管理中心發(fā)送負載的配電控制命令，接收用電負載管理的狀態(tài)信息并上報機電管理系統(tǒng).

2飛機配電余度控制技術(shù)

從基本任務(wù)來看，飛機配電系統(tǒng)的管理計算機是一個典型的控制任務(wù)計算機，其基本構(gòu)型是由微處理機、輸人／輸出接口、模擬電子部件以及電源部件等組成，是一個前后置處理接口加數(shù)字處理機的數(shù)模混合系統(tǒng)的構(gòu)型。隨著飛機對配電系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，余度設(shè)計技術(shù)在飛機配電管理尤其是供電管理計算機研制中得到不斷地發(fā)展和應(yīng)用，從國內(nèi)軍用飛機供電管理設(shè)備的發(fā)展來看，相應(yīng)地經(jīng)歷了單余度、雙余度、三余度系統(tǒng)3種構(gòu)型模式。在飛機電源管理應(yīng)用計算機控制技術(shù)進行自動化管理后，早期主要是使用單余度的管理計算機，完成信號采集、邏輯計算、信號輸出、BIT檢査等功能，其內(nèi)部故障的監(jiān)測靠BIT完成，當管理計算機發(fā)生故障后，即向飛機報警，由飛行員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。單余度系統(tǒng)發(fā)生一次故障即被切掉，自身無法進行故障處理，系統(tǒng)的可靠性完全依賴于元器件及軟件自身的可靠性等級，在元器件的可靠性等級不變的情況下無法提髙系統(tǒng)的工作可靠性。鑒于單余度系統(tǒng)在故障處理方面的不足，發(fā)展了兩余度的控制計算機。兩余度控制計算機主要采用主備構(gòu)型，雙機獨立工作，在正常情況下由主機取得主控權(quán)，輸出控制信號，備份機同時工作，但沒有控制權(quán)，不輸出控制信號。系統(tǒng)的故障診斷由各余度獨立進行，當主機通過BIT監(jiān)測到故障時，交出控制權(quán)，退出控制，這時系統(tǒng)的控制權(quán)交由備份機，由備份機輸出控制信號。在兩余度系統(tǒng)中，發(fā)生一次故障后，通過切換可以保證設(shè)備功能的實現(xiàn)，從而降低了系統(tǒng)的失效率，提高了系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。兩個余度可以用相似性余度設(shè)計，也可以采用非相似性余度設(shè)計。例如，某三代機的電源控制器就是一個采用非相似性余度設(shè)計的兩余度電源管理設(shè)備，其中一個余度是計算機軟件控制通道，另一個余度是數(shù)字邏輯控制通道，計算機控制通道是主控通道，在該通道故障后信號由數(shù)字邏輯控制通道控制輸出。在兩余度系統(tǒng)中，故障的監(jiān)測主要還是通過各余度自身的BIT來完成，故障的診斷率依靠硬件檢測的覆蓋率，提髙硬件的檢測覆蓋率可以提髙BIT的檢測率。有的兩余度系統(tǒng)還通過兩個余度間交換信息來加強系統(tǒng)的故障診斷能力。但是，由于機內(nèi)檢測和故障監(jiān)控能力提高的局限性，兩余度系統(tǒng)無法滿足進一步提高系統(tǒng)可靠性的要求，因此，發(fā)展了三余度及多余度控制系統(tǒng)。在三余度控制系統(tǒng)中，各余度同步工作，并采用表決監(jiān)控機制，對各余度的各工作點進行監(jiān)控，對各余度的參數(shù)進行表決，通過表決機制可以屏蔽掉故障數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正確性，同時結(jié)合BIT可以實現(xiàn)故障定位與隔離，這種故障隔離的置信度可達1〇〇％。當系統(tǒng)發(fā)生一次通道故障變?yōu)閮捎喽群螅捎趦蓚€余度無法進行表決，因此這時系統(tǒng)按照兩余度構(gòu)型工作，主要依靠余度自身BIT進行故障檢測。當通過自身BIT檢測到故障時，把自身切掉，系統(tǒng)變?yōu)閱斡喽取２捎萌喽认到y(tǒng)構(gòu)型，使系統(tǒng)具有故障－工作、故障－工作的能力，降低系統(tǒng)的失效率，大大提髙了系統(tǒng)的工作可靠性。某新型飛機的供電管理計算機正是采用三余度構(gòu)型〇

3三余度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三余度供電管理計算機內(nèi)部包括3個通道，每個通道包含有獨立的電源模塊、離散信號采樣模塊、模擬信號采樣模塊、處理器模塊、輸出模塊。各通道間通過硬件同步信號進行工作同步，保證信號的一致性。通道間通過交叉數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)交換，執(zhí)行軟件表決。各通道的輸出數(shù)據(jù)送到表決輸出模塊，執(zhí)行數(shù)出表決，表決后的數(shù)據(jù)再進行驅(qū)動輸出。完善的余度設(shè)計應(yīng)該包括余度結(jié)構(gòu)配置和余度管理策略兩個方面。在余度結(jié)構(gòu)確定后，就應(yīng)主要考慮系統(tǒng)余度管理策略，包括余度同步管理、數(shù)據(jù)交換、表決機制、故障診斷及余度切換機制等方面。下面介紹供電管理計算機的余度管理策略設(shè)計。

3．1同步

供電管理計算機的余度采用相似性余度設(shè)計，各通道的軟硬件設(shè)計完全一致，所采用的元器件也相同。這樣各通道工作特性是一致的。但是由于元器件的差異性，各通道在工作時并不能保證完全工作在同一時刻，會出現(xiàn)工作點上的微小時間差，但是該時間差會導致各通道工作狀態(tài)的差異，從而使系統(tǒng)狀態(tài)混亂。因此，必須建立同步機制，使各通道嚴格按照規(guī)定的時序點工作，這樣才能使各通道的數(shù)據(jù)具有一致性。供電管理計算機采用握手－應(yīng)答的同步機制，首先每個通道向其他通道發(fā)出同步請求信號，然后等待其他通道的同步信號，當接收到其他兩個通道的同步應(yīng)答信號后，3個通道同步成功，開始執(zhí)行任務(wù)程序。如果有通道這時未應(yīng)答，則其他通道等待一定的時間，在這時間內(nèi)等到該通道的應(yīng)答，則3個通道同時開始運行任務(wù)程序，如超過等待時間后還未等到應(yīng)答，則由這兩個通道開始運行任務(wù)程序，而另一個通道則繼續(xù)等待與其他通道的同步。如果連續(xù)多個周期無法完成同步，由其他通道置該通道同步故障，切掉該通道。為降低供電管理計算機的復(fù)雜程度，其同步采用松同步方式，即在一個程序周期內(nèi)實現(xiàn)一次同步，同步成功后即開始工作任務(wù)，首先開始進行信號采樣，以保證同步通道的信號采樣是同步的，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。

3．2CCDL通信（交叉通信數(shù)據(jù)鏈）

對多余度系統(tǒng)來說，通道間的數(shù)據(jù)交換是非常重要的，只有實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，才能進行表決和故障診斷及系統(tǒng)重構(gòu)。對一個LRU內(nèi)的多通道間的數(shù)據(jù)交換，一般有兩種方式：①并行總線方式。各通道通過并行總線方式進行數(shù)據(jù)交換，兩個通道間交換使用雙口隨機存儲器作為交換接口，直接掛到各自通道的數(shù)據(jù)總線上，作為外設(shè)進行管理。該方式運行速度快，帶寬較大，管理便捷，但是由于使用雙口存儲器，硬件成本高，另外，由于雙口存儲器直接與通道的數(shù)據(jù)總線連接，增加了2個通道的耦合程度，非關(guān)鍵部件故障可能傳染到關(guān)鍵部件中去，加大了系統(tǒng)的共太故障風險。因此，通常不推薦使用該方式。②CCDL交叉通信數(shù)據(jù)鏈方式。各通道間通過串行總線進行數(shù)據(jù)交換，通道間耦合程度低，電氣隔離性能好，通道的單點故障不會波及到其他通道，容易滿足系統(tǒng)的可靠性和安全性要求。該方式接口硬件簡單，容易實現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下具有最佳的性能，也是目前在多余度系統(tǒng)中被廣泛使用的數(shù)據(jù)交換方式。在供電管理計算機中，每個通道設(shè)計了2條全雙工的通信總線，分別用于與其他2個通道交換數(shù)據(jù)?？偩€波特率為921．6kbit／s，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為400KB?？偩€接口在硬件上是獨立的，保證單個總線接口故障不會傳染到其他總線接口。CCDL交換的數(shù)據(jù)包括各通道采樣輸入數(shù)據(jù)、上一周期計算輸出數(shù)據(jù)、通道及系統(tǒng)故障診斷數(shù)據(jù)。

3．3表決

多余度系統(tǒng)中一個重要功能是表決，通過表決可以有效抑制隨機故障，保證三余度系統(tǒng)有效運行。表決形式包括軟件表決、硬件表決形式，表決點包括輸人表決、輸出表決、狀態(tài)表決等。根據(jù)供電系統(tǒng)的工作特點，其信號變化頻率相對較低，同時對匯流條接觸器的控制信號有邏輯上的關(guān)聯(lián)性，因此，在其內(nèi)部設(shè)置了兩個表決點：輸人表決和輸出狀態(tài)表決。輸入表決采用軟件表決方式，對3個通道的每一個信號進行2／3表決，屏蔽故障信號，用表決后的數(shù)據(jù)作為各通道的共用計算數(shù)據(jù)。輸出狀態(tài)表決采用硬件電路通道狀態(tài)表決方式。通過CCDL數(shù)據(jù)交換后，各通道都得到了其他通道的輸人采樣數(shù)據(jù)，即進行軟件表決。對輸人的離散量信號，采用2／3表決。當3個采樣信號相同時，表決輸出值采用采樣值。當兩個采樣值為“〇”而一個采樣值為“1”時，表決輸出值為“〇”，并對采樣值為“1”的通道置一次采樣故障。當兩個采樣值為“1”而一個采樣值為“〇”時，表決輸出值為“1”，并對采樣值為“〇”的通道置一次采樣故障。當連續(xù)出現(xiàn)5個周期的采樣故障時，置該通道故障。對輸人的模擬量信號，采用門限比較法，門限值設(shè)定為硬件的采樣最大允許誤差￡。當3個通道完好時，如果3個通道的最大值與最小值之差小于e，則表決后的值等于中間值或三者的平均值；如果有一個通道的值與其他兩個通道的差值大于e而這兩個通道值的差小于e，則用這兩個通道的平均值；如果3個通道相互間的差值大于2e，則使用上個周期的值作為表決后的值。當有一個通道故障時，則使用髙優(yōu)先級通道的值作為表決后的值；當兩個通道故障時，直接使用該完好通道的值作為表決后的值。由于供電管理計算機的輸出信號間有關(guān)聯(lián)性要求，因此，在輸出環(huán)節(jié)不對輸出信號進行表決，而是對通道進行表決，由表決出的通道直接輸出其信號。通道表決使用硬件表決電路，表決的輸入信號有3個通道的工作狀態(tài)信號、3個通道對其他通道的故障判斷信號，表決結(jié)果為某一通道的選擇信號，該信號具有唯一性。硬件表決電路如圖4所示。

3．4余度管理

當多余度系統(tǒng)發(fā)生故障后，需要對余度通道進行管理，制定余度管理策略，保證產(chǎn)品在1次或2次故障時的正常工作。余度管理包括輸入電路故障管理、同步故障管理、CCDL故障管理、通道故障管理等策略，每一種管理策略要根據(jù)產(chǎn)品的故障模式進行分析，針對故障模式提出相應(yīng)的處理辦法。余度管理的基礎(chǔ)是故障探測。在供電管理計算機中故障探測主要使用BIT技術(shù)，對電源組件、離散量輸人組件、模擬tt輸人組件、處理器及存儲器組件、輸出模塊、同步信號、CCDL總線接口等硬件進行檢査，檢査范圍覆蓋了全部的硬件模塊，結(jié)合BIT軟件，可以對供電管理計算機的整個功能組件進行檢測。故障的判定則由BIT軟件按照預(yù)定的邏輯設(shè)定，所有的故障判定都采用“延時判定”，即故障發(fā)生后連續(xù)10個周期繼續(xù)判斷該故障現(xiàn)象，如果該現(xiàn)象連續(xù)出現(xiàn)，才判定該故障，否則不設(shè)定該故障。3．4．1輸入電路故障管理由于供電管理計算機對輸人數(shù)據(jù)進行表決，表決結(jié)果可以屏蔽單個通道的故障，因此，通過輸入表決即可判定該通道的輸入電路是否故障。當該通道的輸入通路故障數(shù)量＞5個時，認為該通道輸入組件故障，設(shè)定該通道輸人故障字，系統(tǒng)切掉該通道，變?yōu)閮捎喽?。如果輸人通路故障?shù)量矣5個，則只設(shè)定輸人故障字，系統(tǒng)不切掉該通道，繼續(xù)保持為三余度狀態(tài)。3．4．2同步故障管理供電管理計算機的同步故障模式包括通道的單個同步信號故障、多個同步信號故障、通道同步故障等多種故障，同步管理策略要對各種同步故障模式進行處理。其中，單個通道信號故障只設(shè)置故障字，不對故障通道進行切換；而通道同步故障則要切掉該故障通道，系統(tǒng)降級。3．4．3CCDL故陣管理供電管理計算機的CCDL故障模式包括通道的單個CCDL故障、通道CCDL故障等模式。對CCDL故障的管理模式為：只要發(fā)生CCDL故障，即切掉該故障通道，使系統(tǒng)降級，以保證數(shù)據(jù)的正確性。當系統(tǒng)變?yōu)閱斡喽葧r，不切掉該通道，使系統(tǒng)保持基本功能。3．4．4通道故障管理通道故障是指由于處理器故障、存儲器故障、電源失效等原因?qū)е碌脑撏ǖ啦还ぷ?。當發(fā)生一個通道故障時，通過監(jiān)控電路可以切掉該通道，系統(tǒng)變?yōu)閮捎喽龋@時兩個通道間繼續(xù)進行同步和CCDL數(shù)據(jù)交換，但軟件不進行數(shù)據(jù)表決，而是直接使用本通道的輸入采樣數(shù)據(jù)，輸出表決電路直接使用當前高優(yōu)先級的通道進行輸出。當發(fā)生兩個通道故障時，這兩個通道被切掉，系統(tǒng)直接使用剩下的通道執(zhí)行任務(wù)。

4系統(tǒng)驗證

供電系統(tǒng)管理計算機驗證包括基本功能驗證和余度管理功能驗證兩部分。對基本功能驗證，按照產(chǎn)品規(guī)范要求提供輸人信號，驗證產(chǎn)品的輸出信號是否滿足要求。對余度管理功能驗證，則進行故障注人，模擬故障發(fā)生，驗證供電管理計算機是否實現(xiàn)了故障檢測及余度管理功能。故障注人包括硬件故障注入和軟件故障注人兩種方式，首先要對產(chǎn)品故障模式分析報告中分析的故障模式進行分類，分析每一個故障模式的特性，確定相應(yīng)的故障注入方式，在不改變硬件狀態(tài)下首先考慮硬件故障注人，在硬件故障注人有困難時采用軟件故障注人方式。供電管理計算機的通道故障采用硬件注人方式，具體方法是通過拉低各通道的復(fù)位信號，使處理器復(fù)位，通道停止工作，這時驗證供電管理計算機的故障處理邏輯。由于其他故障模式的產(chǎn)生需要改變硬件狀態(tài)，因此，其他故障模式的注人采用軟件注人方式，具體方法是由地面維護設(shè)備通過產(chǎn)品的地面維護總線向產(chǎn)品發(fā)送故障注人命令，該命令包括故障模式代碼和參數(shù)。產(chǎn)品接收到該命令后即用相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)代替正確的數(shù)據(jù)，或執(zhí)行相應(yīng)的動作模擬故障的發(fā)生。該故障送人到軟件的故障處理模塊或硬件處理電路，驗證產(chǎn)品軟件的故障處理模塊及硬件的故障處理電路的功能。當驗證完成后，再向產(chǎn)品發(fā)送故障撤銷命令，使軟件模擬故障撤銷，產(chǎn)品恢復(fù)正常工作。為防止供電管理計算機在正常工作時產(chǎn)生誤動作，在產(chǎn)品進人故障注人模式時設(shè)置了多個判定條件。首先在硬件上設(shè)置了硬線開關(guān)，只有這個開關(guān)接地有效時才允許地面維護總線信號接人產(chǎn)品，軟件判斷到這個開關(guān)有效后才允許進人故障注入模式。同時，軟件還要判斷輪載信號，輪載信號無效時不允許進人故障注人模式。軟硬件多個限制條件有效保證供電管理計算機工作狀態(tài)不會混亂。

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作者：李建勇 單位：航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司