技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种适用于操艇控制系统容错技术研发平台的本地控制单元。
背景技术
[0002] 海洋中蕴藏着丰富的资源，据估计世界海洋每年可提供的
水产品高达 2万亿吨，近岸大陆架的海底石油资源储量可能接近2500亿吨，
天然气的储量为39万亿立方米等。随着科学技术的不断发展以及对
能源和生活资源的需求不断增加，人们愈益重视对深海的探索和开发，人们的活动范围也逐渐从沿岸、近海扩展到更深的海域。这其中包括海洋石油开发、海底地质勘探、海底矿藏采集、海洋水产捕捞等，以及与上述活动有关的各式各样的海洋工程。
[0003] “工欲善其事,必先利其器”，在海洋中进行的各项活动都离不开
船舶或海洋平台的保障，我国也愈发重视深海装备的研发和制造。随之而来，对其安全性和可靠性提出了更高的要求，不但要求船舶在进行正常作业的过程中满足控制性能要求，而且对于某些特殊作业，在出现可接受的故障之后要求仍然能够继续完成作业，甚至满足降低的性能指标，或至少在一定时间内不会发生重大事故。容错控制可提高系统的安全性和可靠性，因此对船舶控制系统进行容错控制是必要的。
[0004] 控制系统广泛应用于各大领域，为人类生活提供各种服务。但不幸的是，所有技术系统都避免不了发生故障。由于控制系统内部是紧密相连的,系统的某一部分发生故障会影响到控制回路的其它部分，因此严重故障甚至可致使整个系统无法运行，这意味着故障修复前不得不关闭系统。一般情况下，故障是指改变系统行为使得系统不再满足目标的事件。容错控制是故障诊断、鲁棒控制和可重构控制三个研究领域的紧密结合。典型的容错控制方案是,当
传感器或执行器故障发生时,故障诊断方案检测并隔离故障源，然后开始进行重构控制，可重构
控制器进行调整以适应故障，使得闭环控制系统仍然是稳定的,且被控系统可保持较理想的控制特性，故障诊断与可重构控制器需对不确定性和干扰具有一定的鲁棒性。因此,故障诊断与容错控制技术可对现代复杂系统的可靠性和安全性提供切实保障,具有十分重要的意义。
[0005] 目前国内外已有大量关于船舶控制系统相关领域的研究成果，但是在船舶容错控制领域的研究还不是十分深入，仍然存在许多有待解决的问题和难点，但是对于船舶容错控制领域的研究需要建立在实验平台之上，国内外没有报道船舶容错控制研发平台。
发明内容
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是，针对
现有技术不足，提供一种适用于操艇控制系统容错技术研发平台的本地控制单元，为进一步的容错控制技术的研究提供
基础条件。
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种适用于操艇控制系统容错技术研发平台的本地控制单元，包括多台操
舵本地控制单元和多台水路本地控制单元，所述操舵本地控制单元和水路本地控制单元通过CAN总线或者以太网与计算机通信；所述操舵本地控制单元包括第一主控卡、第一CAN卡、第一模拟量采集卡、第一
开关量I/O卡、PWM开关量输出板卡和模拟量输出板卡；所述第一主控卡、第一CAN卡、第一模拟量采集卡、第一开关量I/O卡、PWM开关量输出板卡、模拟量输出板卡均与第一C
PCI总线双向连接；
所述水路本地控制单元包括第二主控卡、第二CAN卡、第二模拟量采集卡、第二开关量I/O卡，所述第二主控卡、第二CAN卡、第二模拟量采集卡、第二开关量I/O卡均与第二CPCI总线双向连接。
[0008] 所述第一主控卡、第二主控卡均通过以太网与所述计算机通信。
[0009] 所述第一CAN卡、第二CAN卡均通过CAN总线与所述计算机通信。
[0010] 所述第一主控卡、第二主控卡各接有一个显示器。
[0011] 所述第一主控卡、第二主控卡型号均为研华MIC-3323D01-D23E。
[0012] 所述第一CAN卡、第二CAN卡型号均为研华MIC-3680。
[0013] 所述第一模拟量采集卡、第二模拟量采集卡型号均为研华MIC-3716。
[0014] 所述第一开关量I/O卡、第二开关量I/O卡型号均为研华MIC-3756。
[0015] 所述PWM开关量输出板卡型号为研华MIC-3780。
[0016] 所述模拟量输出板卡型号为研华MIC-3723。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型可以在实验室内为操纵控制系统的容错技术提供软
硬件的开发平台，同时为容错控制
原型提供测试条件。
附图说明
[0018] 图1为操艇控制系统容错技术研发平台的本地控制单元结构示意图；
[0019] 图2为操舵本地控制单元结构示意图；
[0020] 图3为水路本地控制单元结构示意图。
[0021] 图4为操舵本地控制单元与外围
电路接口示意图；
[0022] 图5为水路本地控制单元与外围电路接口示意图。
具体实施方式
[0023] 本地控制需要进行
数据采集、数据通信及PWM
信号输出、模拟量输出、
数字量输出等功能，每样功能的实现都需要硬件的依托。每个CD本地控制单元需要采集12路模拟量，输出4路模拟量；采集4路数字量，输出24V PWM 4路及24V数字量2路。每个SL本地控制单元需要采集模拟量11路；采集数字量24路，输出数字量25路。基于以上系统的功能分析，对本地控制单元系统所需要的信号进行统计，如表1所示。
[0024] 表1 信号统计
[0025]
[0026] 按照上述要求要求，每个CD系统需要CPCI机箱1台，主控卡1台，CAN板1台，开关量输入输出卡1台，模拟量采集卡1台，模拟量输出卡1台。每个SL系统需要CPCI机箱1台，主控卡1台，CAN板1台，开关量输入输出卡1台，模拟量采集卡1台。CD及SL机柜各需要KVM一台。具体选型如下表所示。
[0027] (1) CPCI机箱：MIC-3001
[0028] MIC-3001是支持8槽3U CompactPCI卡、4U高度的高品质CompactPCI平台。8槽
底板中有一槽为系统槽，其余7槽为
外围设备槽；同时支持H.110兼容的CT总线及后出线接线板。MIC-3001具有高可用性及充足的扩展能
力，并兼容PICMG 2。5CT总线规范，是刀片式
服务器/服务器集群（blade server/server farms)和中等规模的下一代网络（NGN）应用诸如软交换（softswitch))及信令网关等的理想平台。MIC-3001热拔插
风扇模
块及冗余电源，具有很强的可维护性，能保证系统7X24不间断运行。用户可选购的报警模块可对系统进行故障侦测。
[0029] (2) 系统主控卡：MIC-3323
[0030] MIC-3323支持Intel 最新的低功耗Pentium M处理器,与Intel移动式915GM Express
芯片组搭配,集成优化过的图形控制器，提供双通道DDR2
[0031] SO-DIMM内存与最新标准的I/O接口，同时不会产生
散热的问题，完全适合高性能
嵌入式系统的构建应用。MIC-3323利用ICH6-M所提供的PCIe总线接口，最大化了I/O性能，通过2个X1的PCIe通道连接2个Intel 82573E千兆以太网控制器，在全双工模式下，提供2Gbps的带宽。另外通过1个X1的PCIe通道,经过一个PCIe-PCI桥, 分别为PMC接口与CompactPCI总线提供了64bit/100MHz、64bit/66MHz的数据带宽。位于CompactPCI总线接口的PCI-PCI桥，性能灵活，可以使MIC-3323既可以作为CompactPCI系统主控卡使用，也可以作为独立的单板计算机，应用于集群系统。基于标准的I/O技术应用趋势，ICH-6M为MIC-3323提供了2个SATA控制器，提供150MB/s的数据传输率。其中一个接口由RIO卡引出，另外一个接口则由客户选择应用于RIO卡或CPU卡板载2.5”SATA
硬盘。MIC-3323通过以太网络接口与串口，支持最新的系统管理规范IPMI 2.0，提供了系统平台的整体管理功能。针对今天的嵌入式运算平台，MIC-3323不仅提供了强大的运算处理性能，而且在客户的应用平台中，可以帮助客户将产品性能最大化,风险最小化。
[0032] (3) CAN卡：MIC-3680
[0033] l 包含Windows DLL函数库和
用例；
[0034] l 兼容CompactPCI PICMG 2.0 R3.0规范；
[0036] l 两个独立的CAN端口；
[0037] l 支持 CAN2.0A/B；
[0038] l 传输速率可达1 Mbps；
[0039] l 16 MHz CAN控制器
频率；
[0040] l 2500VDC光隔离；
[0041] l 支持Windows 98/ME/2000/XP驱动程序和应用工具。
[0042] (4) 模拟量输出卡：MIC-3723
[0043] MIC-3723 是一款隔离高
密度多通道模拟量输出卡，每个模拟量输出通道都带有一个 14 位 DAC。 MIC-3723具有可选
电压、
电流输出和BoardID?? 开关，是要求多路模拟量输出工业应用的理想解决方案。
[0044] (5) 模拟量输入卡：MIC-3716
[0045] 规格：①16路单端输入或者8路差分输入，也可以采用组合输入； ②
分辨率为16位，最高
采样速率为250kS/s； ③FIFO缓冲的大小为1024samples/ch ④过硬保护为
30v；⑤输入阻抗为100MΩ。
[0046] 一般特性：①支持热插拔； ②总线类型 CompactPCI ③I/O接口类型，68脚SCSI-II孔型接口，功耗典型值为：+5v时为850mA，+12v时为600mA；最大值为：+5v时为1A，+12v时为700mA。
[0047] (6) 开关量采集卡：MIC-3756
[0048] l 32路开关量输入，32路TTL电平或功率输出，3路脉冲计数；
[0049] l 光
电隔离为电流驱动方式，一分钟内可耐压5000V；
[0050] l 每个点输入电压可选（出厂为0～24V)；
[0051] l 每个点输入电压可选（出厂为0～24V)；
[0052] l 输入电流限制在4mA左右，由R1～R32阻值决定；
[0053] l 各
输出信号具有
锁存功能，驱
动能力为＋24V/200mA；
[0054] l 工作模式为CPU扫描刷新输出，最快扫描周期<5μS；
[0055] l 基地址浮动，由PCI协议管理地址；
[0056] l 物理I/O地址为BASE+0～BASE+7H；
[0057] l 提供WIN/98/2000/NT/XP下驱动程序及动态连接库；
[0058] l 功率输出时须从机外提供＋12V或＋24V辅助电源。
[0059] 本实用新型的工作原理是：
[0060] 本地控制单元系统部署在4台本地控制单元机箱内，其中CD为2台机箱，JH为2台机箱，主要完成与CD、JH相关的数据采集及
控制信号的输出，具体功能如下所示：
[0061] 1.操舵本地控制装置采集并显示操舵模拟系统上的实际舵
角、
阀芯位移、
泵斜盘位置、泵启停状态等信息，并通过以太网和CAN网发送采集的信息。其通过外围电路与操舵模拟系统连接，如图4所示，操舵本地控制装置外围电路包括余度扩展板、调理板、驱动板、2选1输出切换板。驱动板、PWM驱动板是为后级阀
门中的负载提供驱动；2选1输出切换板是通过容错计算机选择CPCI机箱输出；余度扩展板是把其中的一余度
输入信号转成两余度输入信号且前后级相互隔离；调理板是把其中阀芯和舵角的电位器信号转换成0-10V的电压信号。
[0062] 2.水路本地控制装置采集并显示均衡及
悬停模拟系统上的泵、阀状态，水舱压力、液位高度，悬停水舱与
海水的压差，并通过以太网和CAN网发送采集的信息。本地控制单元与水路部分连接示意图如图5所示；水路本地控制装置外围箱包括余度扩展板、驱动板、2选1输出切换板。驱动板是为后级阀门中的负载提供驱动；2选1输出切换板是通过容错计算机选择CPCI机箱输出。余度扩展板是把1余度输入信号转成2余度输入信号且前后级相互隔离，分为4-20mA的电流信号通过隔离栅转变成两路0-10V的电压信号；
[0063] 3.操舵、水路本地控制装置可通过以太网和CAN总线接收并显示控制指令，同时实现对泵、阀的控制。
