基于PLC原理的DCS現場控制器設計

楊君宇+毛大年+曾章龍

摘 要 基于Programmable Logic Controller（PLC）原理的Distributed Control System（DCS）現場控制器采用雙核冗余容錯技術，當單一故障或隨機錯誤出現時，現場控制器可自動糾錯并實現連續不間斷控制。控制器還集成了強大的冗余總線網絡和PLC的高速運算功能，配套的Hplc編程工具能幫助用戶實現對現場控制器行為的監測和二次開發。多臺現場控制器可自行組網，實現DCS系統分散控制、集中管理要求。

【關鍵詞】DCS現場控制器 Hplc編程工具 冗余總線網絡

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，在開關量控制速度方面表現的非常優秀。由于具有編程簡單、使用方便以及適應工業現場惡劣環境等特點，所以PLC在主-從令牌環網中得到廣泛應用。

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絡為紐帶的多級計算機系統。其主要特征是集中管理和分散控制，網絡中各主機地位平等。目前DCS在電力、冶金、石化、船舶等各行各業都獲得了極其廣泛的應用。

近年來，隨著DCS關聯領域的技術革新，開放式的DCS可以賦予用戶更大的系統集成自主權，用戶可根據實際需要將不同廠商的現場控制器連入控制系統，達到最佳的系統集成。基于PLC原理的DCS現場控制器（JSD-DCM-01）借鑒了PLC數據處理速度快、編程界面良好的優點，規避了PLC在多主機網絡結構中難以兼容的缺點。利用現場控制器的控制與運算模塊可實現開放式DCS系統多樣化的控制策略，從而將現場復雜的命題變的簡單化。

1 系統總體設計

DCS的集中過程管理級由管理設備組成，完成對分散過程控制級的集中監視和管理。DCS的分散過程控制級中的現場控制器直接面向工業對象，其輸入信號來自生產過程現場的傳感器（如熱電偶、熱電阻）、變送器（如溫度、壓力、液位、流量等）、電氣開關（輸入觸點）等；其輸出信號去驅動執行器（如調節閥、電磁閥、電機等）完成生產過程的數據采集、閉環調節、順序控制等功能；其通信網絡與冗余總線連接，用于數據通信。本文主要研究的對象是分散過程控制級中的現場控制器。

2 硬件設計

2.1 微控制器單元

現場控制器采用德州儀器（TI）面向航空航天、鐵路、汽車、工業和醫療中對于安全性有苛刻要求的應用環境而推出的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的，基于ARM Cortex-R架構，在芯片上使用了兩個相同的ARM? Cortex-R4F內核，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，對兩個內核計算的操作和結果相互做邏輯比較，以檢測和響應可能出現的誤差。經exida國際安全認證機構評估，Hercules? TMS570LS安全微處理器的開發過程和安全性原理被認定適用于SIL3系統。

2.2 輸入輸出接口單元

現場控制器使用AD8226儀表放大器和ADS1259模數轉換器完成對寬動態范圍的模擬信號的數字化處理；使用TLP185GB完成數字量轉化，切斷干擾的傳輸途徑，賦予現場控制器更為理想的電磁兼容性。

2.3 冗余通信網絡單元

為了使現場控制器達到高可靠性和低失效率的目的，控制器通信網絡采用冗余技術。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 軟件設計

我們配套開發了編程和仿真工具--Hplc。Hplc軟件中內置了兩種編程語言--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系統中所有現場控制器的端口狀態模擬出來展現出來。用戶通過執行程序了解系統中現場控制器的運行狀態。

4 產品測試

現場控制器通過倍科電子技術服務部（成都）有限公司等機構測試，證明產品性能達標。

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

5 結束語

本文設計了一種基于PLC原理的DCS現場控制器，控制器借鑒了PLC軟件編程習慣和硬件設計思路，采用內核和總線冗余容錯技術，保證設備連續不間斷運行。由多臺現場控制器自行組網系統滿足DCS分散控制、集中管理的要求，為工業現場控制提供了一種新技術產品。自組網的DCS系統已通過設計院的審核，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。

毛大年（1977-），男，中級工程師。主要研究方向為嵌入式控制系統。

曾章龍（1982-），男，中級工程師。主要研究方向為嵌入式控制系統。

作者單位

成都華氣厚普電子技術有限公司 四川省成都市 610010