CGSE控制系统关键模块设计

摘要

阿尔法磁谱仪（AMS）空间探测器试验是丁肇中教授领导的以探索空间反物质和暗物质为主要目的的大型国际合作科学试验项目，是国际空间站上唯一的大型科学试验。阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪，AMS-02中最关键的部件是超导磁体。由上海交通大学参与合作设计并独立制造的低温地面支持设备（CGSE）系统是在发射前对AMS-02中的超导磁体完成冷却、测试和超流氦加注的重要系统。本项目的实施旨在为AMS这一富于原创性的重大前沿基础研究计划作出重要贡献。 从设计制造的角度来看，CGSE系统可以分为两部分：CGSE机械部分（CGSE-MS）和CGSE电子部分（CGSE-ES）。CGSE电子部分是CGSE中完成测量、控制、通信以及监控任务的重要子系统，它又可分成两个部分：控制器系统（CGSE-ES-CON-S）和通信接口系统（CGSE-ES-COM-IF），前者主要用于完成对CGSE机械部分的控制，后者主要用于提供CGSE系统与AMS-02其它子系统间的通信接口。 本文主要研究CGSE控制系统中关键功能模块的设计及实现工作，包括：分布式冗余控制系统设计、控制算法设计、人机界面设计、通信模块设计等。系统硬件设计：控制器系统中，使用西门子S7-400H冗余PLC作为控制器，通过Profibus现场总线网络构架分布式的数据采集系统，上位机与控制器DP口的通信通过西门子CP5613A2卡实现；通信接口系统中，采用运行Linux的PC外挂EPP-CAN Box、内插以太网卡的方式，将CAN与Ethernet异构网络互联。系统的软件设计：控制器系统中，通过西门子SIMATIC MANAGER编写控制器算法，利用西门子WinCC设计系统的人机界面，使用Socket开发基于TCP连接的网络通信程序，并根据OPC协议实现通信程序与人机界面的交互；通信接口系统中，在Linux环境下开发CAN-Bus与Ethernet的通信模块。 试验结果表明本文所用控制系统与通信接口设计方案具有较高的稳定性和可靠性，易于维护。此外，本文所使用的控制算法具有较高的鲁棒性和控制品质，易于实现。