謝蔚卿 葛健 方仕雄 朱蔚萍 張侃健 魏海坤

(東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

南極大陸最高點(diǎn)冰穹A，海拔4093m，溫度最低為-77℃ ～-85℃，年平均氣溫為-58.5℃。冰穹A地區(qū)是南極冷源的中心區(qū)，是南極冰蓋上僅存的一個(gè)開展深冰芯鉆探的理想地點(diǎn)，也是開展雪冰現(xiàn)代過(guò)程、大氣科學(xué)、空間物理和天文學(xué)觀測(cè)等科學(xué)觀測(cè)的理想地點(diǎn)，具有極其重要的科學(xué)價(jià)值。

2008年，南極天文中心和澳大利亞新南威爾士大學(xué)合作開發(fā)成功了天文觀測(cè)支撐平臺(tái)PLATO，PLATO能夠?yàn)橛^測(cè)站提供能源動(dòng)力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能［1，2］。通過(guò)銥星通信，PLATO把平臺(tái)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)和實(shí)時(shí)信息傳至設(shè)在澳大利亞的監(jiān)控中心，值守人員根據(jù)傳回來(lái)的信息決定是否進(jìn)行遠(yuǎn)程控制［3，4］。PLATO平臺(tái)的控制方式簡(jiǎn)單，不易出錯(cuò)，但是需要人時(shí)刻值守，對(duì)人工干預(yù)的要求高，一旦干預(yù)不及時(shí)，系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)比較大。

為了最大限度地提高系統(tǒng)可靠性，賦予平臺(tái)自主控制的能力，掌握支撐平臺(tái)的核心技術(shù)，南極天文中心決定建設(shè)我國(guó)首座獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行管理與維護(hù)的南極自動(dòng)天文觀測(cè)站。其主控系統(tǒng)是平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)控制中樞，改遠(yuǎn)程手動(dòng)控制為自主控制和手動(dòng)控制相結(jié)合，自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，排除系統(tǒng)運(yùn)行故障，同時(shí)在需要的時(shí)候可以進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，以彌補(bǔ)復(fù)雜情況下自主控制的不足。本文主要介紹南極科考支撐平臺(tái)主控系統(tǒng)的設(shè)備選型及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 南極科考支撐平臺(tái)主控系統(tǒng)介紹

南極科考支撐平臺(tái)主控系統(tǒng)是平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)控制中樞，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)、觀測(cè)儀器以及艙內(nèi)外溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，除了完成上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能，還負(fù)責(zé)執(zhí)行國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各觀測(cè)儀器的遙控操作。主控系統(tǒng)的控制要求如下:

(1)環(huán)境溫度為-30℃ ～-80℃時(shí)，使發(fā)電艙的溫度保持在0℃ ～15℃，儀器艙的溫度保持在-20℃ ～20℃，同時(shí)溫控功耗較小，同時(shí)能夠?qū)μ煳膬x器進(jìn)行過(guò)流保護(hù);

(2)對(duì)發(fā)電機(jī)組能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控其工作狀態(tài)，自動(dòng)偵測(cè)故障狀態(tài)，運(yùn)行發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動(dòng)切換到下一臺(tái)發(fā)電機(jī)，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組進(jìn)行定期巡檢和根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令切換發(fā)電機(jī);

(3)接收來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的命令，向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)以供讀取，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)至少一年。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件選型

出于對(duì)南極低溫低壓的惡劣環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的考慮，硬件選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)是可靠性高，同時(shí)兼顧系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單，使用方便。

主控系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，因?yàn)槠涫褂梅奖悖_發(fā)迅速［5］。為了保證控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，決定采用控制器冗余和通信介質(zhì)冗余方案。考慮到南極現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，無(wú)人值守，引起切換的原因復(fù)雜多變，軟件切換速度易受外界影響，依靠硬件切換更加可靠。雙機(jī)架硬件冗余提供主從兩個(gè)機(jī)架，采用兩套完整獨(dú)立的系統(tǒng)，切換速度快，可靠性高。因此采用雙機(jī)架硬件冗余方案。

目前提供雙機(jī)架硬件冗余的主流產(chǎn)品系列主要有以下四種:Schneider Quantum，Siemens S7-400H，GE S90-70，AB Control-Logix 5000。施耐德在電力系統(tǒng)有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，Quantum是成熟的雙機(jī)熱備系統(tǒng)，Modbus總線是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］。西門子S7-400H主要集中于重工業(yè)，冶金等行業(yè)［7］。GE的雙機(jī)冗余主要用于電廠的汽輪機(jī)保護(hù)，在其它領(lǐng)域少有應(yīng)用［8］。AB的ControlLogix支持以太網(wǎng)，采用開放的ControlNet標(biāo)準(zhǔn)，而且ControlNet網(wǎng)絡(luò)還可以冗余，符合平臺(tái)既要采用控制器冗余，又要采用通信介質(zhì)冗余方案的需求［9］。AB的ControlLogix冗余控制系統(tǒng)在俄羅斯極寒地區(qū)有多個(gè)成功案例，并且其1794系列I/O模塊能夠在低溫環(huán)境下可靠工作，所以選用基于ControlLogix，ControlNet和1794遠(yuǎn)程I/O模塊的冗余控制系統(tǒng)。

AB的冗余控制器設(shè)計(jì)時(shí)，保證主從控制機(jī)架的型號(hào)、機(jī)架內(nèi)模塊的型號(hào)、固件版本號(hào)、節(jié)點(diǎn)地址(IP地址)及位置完全相同。冗余控制器無(wú)需另外編程而且對(duì)于ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的任一設(shè)備是“透明”的。一對(duì)冗余機(jī)架之間使用1757-SRM模塊通信。冗余ControlNet介質(zhì)使用下列組件:1756-CNBR ControlNet模塊和兩個(gè)相同的ControlNet連接。為完成冗余通信連接，在IO通信站點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)選用帶A、B通道的ACNR模塊。

控制器型號(hào)采用ControlLogix 5561，控制網(wǎng)網(wǎng)橋模塊為具有冗余接口的1756-CNBR。對(duì)于上下位機(jī)的通信模塊，主要有1756-ENBT和1756-EWEB兩種模塊可供選擇。兩者比較來(lái)看，EWEB模塊的缺點(diǎn)主要是通信速率慢，優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，開發(fā)量少，維護(hù)方便。南極科考支撐平臺(tái)對(duì)通信速率要求不高，對(duì)可靠性要求極高，因此采用1756-EWEB模塊作為上下位機(jī)的通信模塊。遠(yuǎn)程從站通信模塊為帶有冗余通信接口的1794-ACNR模塊。遠(yuǎn)程I/O模塊根據(jù)需要選擇在低溫環(huán)境下工作的IO模塊。

連接兩艙的同軸電纜選用定制的可在-80℃條件下正常工作的低溫同軸電纜。為了減少運(yùn)輸中的刮傷和最大限度提升其工作溫度，對(duì)兩艙之間暴露在雪地的同軸電纜，在其表面再設(shè)置以聚氨酯泡沫塑料為主要隔熱材料的耐低溫保溫層。

綜上所述，主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示:

3 主控系統(tǒng)控制背板分布方案

控制背板分為五類:結(jié)構(gòu)控制板，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)控制板，負(fù)載控制板，電源系統(tǒng)控制板，電源系統(tǒng)并網(wǎng)控制板。結(jié)構(gòu)控制板主要用于結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)與控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)控制板主要用于給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)部件提供電力供應(yīng)，負(fù)載控制板主要用于檢測(cè)負(fù)載電流信號(hào)和負(fù)載電源控制，電源系統(tǒng)控制板主要用于發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢測(cè)和控制，電源系統(tǒng)并網(wǎng)控制板主要用于發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制。

4 運(yùn)行結(jié)果與結(jié)論

采用羅克韋爾PLC解決方案對(duì)南極科考支撐平臺(tái)主控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹。在第27次南極科學(xué)考察過(guò)程中，項(xiàng)目組成員在南極昆侖站成功搭建起南極科考支撐平臺(tái)。從2011年1月8日起，平臺(tái)開始成功運(yùn)行，一直到2011年2月28日結(jié)束運(yùn)行，平臺(tái)在無(wú)人值守的情況下成功運(yùn)行約50天。

下面截取從2011年1月17日至2011年2月17日三號(hào)發(fā)電機(jī)1月以來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的間隔時(shí)間為30分鐘。圖2和圖3分別是三號(hào)發(fā)電機(jī)在南極現(xiàn)場(chǎng)電壓電流值的歷史趨勢(shì)圖:

圖1 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 三號(hào)發(fā)電機(jī)電流值歷史趨勢(shì)圖

數(shù)據(jù)分析表明，主控系統(tǒng)在無(wú)人值守下成功運(yùn)行，主控系統(tǒng)硬件選型及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。

南極科考支撐平臺(tái)主控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為在高原極寒等惡劣條件下無(wú)人值守控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很大的借鑒意義。

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