基于PLC原理的DCS現(xiàn)場控制器設(shè)計

楊君宇+毛大年+曾章龍

摘 要 基于Programmable Logic Controller（PLC）原理的Distributed Control System（DCS）現(xiàn)場控制器采用雙核冗余容錯技術(shù)，當單一故障或隨機錯誤出現(xiàn)時，現(xiàn)場控制器可自動糾錯并實現(xiàn)連續(xù)不間斷控制?？刂破鬟€集成了強大的冗余總線網(wǎng)絡(luò)和PLC的高速運算功能，配套的Hplc編程工具能幫助用戶實現(xiàn)對現(xiàn)場控制器行為的監(jiān)測和二次開發(fā)。多臺現(xiàn)場控制器可自行組網(wǎng)，實現(xiàn)DCS系統(tǒng)分散控制、集中管理要求。

【關(guān)鍵詞】DCS現(xiàn)場控制器 Hplc編程工具 冗余總線網(wǎng)絡(luò)

PLC作為一種以微處理器為核心的自動控制裝置，其邏輯運算效率高，控制周期短，在開關(guān)量控制速度方面表現(xiàn)的非常優(yōu)秀。由于具有編程簡單、使用方便以及適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境等特點，所以PLC在主-從令牌環(huán)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

DCS是一個由分散過程控制級和集中過程管理級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)。其主要特征是集中管理和分散控制，網(wǎng)絡(luò)中各主機地位平等。目前DCS在電力、冶金、石化、船舶等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

近年來，隨著DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的技術(shù)革新，開放式的DCS可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實際需要將不同廠商的現(xiàn)場控制器連入控制系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成?；赑LC原理的DCS現(xiàn)場控制器（JSD-DCM-01）借鑒了PLC數(shù)據(jù)處理速度快、編程界面良好的優(yōu)點，規(guī)避了PLC在多主機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中難以兼容的缺點。利用現(xiàn)場控制器的控制與運算模塊可實現(xiàn)開放式DCS系統(tǒng)多樣化的控制策略，從而將現(xiàn)場復(fù)雜的命題變的簡單化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

DCS的集中過程管理級由管理設(shè)備組成，完成對分散過程控制級的集中監(jiān)視和管理。DCS的分散過程控制級中的現(xiàn)場控制器直接面向工業(yè)對象，其輸入信號來自生產(chǎn)過程現(xiàn)場的傳感器（如熱電偶、熱電阻）、變送器（如溫度、壓力、液位、流量等）、電氣開關(guān)（輸入觸點）等；其輸出信號去驅(qū)動執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電機等）完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)調(diào)節(jié)、順序控制等功能；其通信網(wǎng)絡(luò)與冗余總線連接，用于數(shù)據(jù)通信。本文主要研究的對象是分散過程控制級中的現(xiàn)場控制器。

2 硬件設(shè)計

2.1 微控制器單元

現(xiàn)場控制器采用德州儀器（TI）面向航空航天、鐵路、汽車、工業(yè)和醫(yī)療中對于安全性有苛刻要求的應(yīng)用環(huán)境而推出的Hercules?系列MCU中的TMS570LS3137。Hercules? TMS570LS系列處理器是按照國際標準組織ISO26262和國際電工委員會IEC61508這兩個安全標準開發(fā)的，基于ARM Cortex-R架構(gòu)，在芯片上使用了兩個相同的ARM? Cortex-R4F內(nèi)核，他們以一種鎖步的方式運行相同的程序并接收相同的輸入。在每個處理器周期中，對兩個內(nèi)核計算的操作和結(jié)果相互做邏輯比較，以檢測和響應(yīng)可能出現(xiàn)的誤差。經(jīng)exida國際安全認證機構(gòu)評估，Hercules? TMS570LS安全微處理器的開發(fā)過程和安全性原理被認定適用于SIL3系統(tǒng)。

2.2 輸入輸出接口單元

現(xiàn)場控制器使用AD8226儀表放大器和ADS1259模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成對寬動態(tài)范圍的模擬信號的數(shù)字化處理；使用TLP185GB完成數(shù)字量轉(zhuǎn)化，切斷干擾的傳輸途徑，賦予現(xiàn)場控制器更為理想的電磁兼容性。

2.3 冗余通信網(wǎng)絡(luò)單元

為了使現(xiàn)場控制器達到高可靠性和低失效率的目的，控制器通信網(wǎng)絡(luò)采用冗余技術(shù)。使用兩條CAN總線和兩個CAN總線控制器，核心微控制器通過不同的端口和中斷同時控制兩個CAN控制器。

3 軟件設(shè)計

我們配套開發(fā)了編程和仿真工具--Hplc。Hplc軟件中內(nèi)置了兩種編程語言--梯形圖語言（LD）和指令表語言（IL）。兩種語言滿足國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標準IEC1131-3的要求。用戶可以利用Hplc龐大的標準圖形庫和完備的算法，將DCS系統(tǒng)中所有現(xiàn)場控制器的端口狀態(tài)模擬出來展現(xiàn)出來。用戶通過執(zhí)行程序了解系統(tǒng)中現(xiàn)場控制器的運行狀態(tài)。

4 產(chǎn)品測試

現(xiàn)場控制器通過倍科電子技術(shù)服務(wù)部（成都）有限公司等機構(gòu)測試，證明產(chǎn)品性能達標。

從圖1可以看出現(xiàn)場控制器在30M-156M頻段內(nèi)向外輻射的電場強度，低于標準要求的數(shù)值，滿足使用要求。（注：限于版面篇幅，其他測試與結(jié)果未展示）。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PLC原理的DCS現(xiàn)場控制器，控制器借鑒了PLC軟件編程習(xí)慣和硬件設(shè)計思路，采用內(nèi)核和總線冗余容錯技術(shù)，保證設(shè)備連續(xù)不間斷運行。由多臺現(xiàn)場控制器自行組網(wǎng)系統(tǒng)滿足DCS分散控制、集中管理的要求，為工業(yè)現(xiàn)場控制提供了一種新技術(shù)產(chǎn)品。自組網(wǎng)的DCS系統(tǒng)已通過設(shè)計院的審核，準備在鋼制燃料動力船舶上進行試點。

作者簡介

楊君宇（1986-），男，中級工程師。主要研究方向為自動控制系統(tǒng)。

毛大年（1977-），男，中級工程師。主要研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)。

曾章龍（1982-），男，中級工程師。主要研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)。

作者單位

成都華氣厚普電子技術(shù)有限公司 四川省成都市 610010