羅克韋爾自動化提供的PLC控制器及其它模塊，能夠適應(yīng)南極惡劣的作業(yè)環(huán)境，為南極冰穹A搭建了 可靠的科考支撐平臺的主控系統(tǒng) ，保證無人值守的科考支撐平臺在高原極寒中可靠安全地運行。
使用羅克韋爾自動化公司的產(chǎn)品1756-L61 ControlLogix控制器和輸入輸出模塊搭建了南極科考支撐平臺的現(xiàn)場主控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是南極冰穹Dome A自動天文觀測站的控制中樞，實現(xiàn)了對電源系統(tǒng)、觀測儀器設(shè)備、艙內(nèi)外溫度等觀測站現(xiàn)場運行環(huán)境和設(shè)備的自動監(jiān)測與控制。除了完成上述現(xiàn)場監(jiān)控的功能外，還使用了羅克韋爾自動化公司的產(chǎn)品1756-EWEB模塊，使得主控系統(tǒng)可以通過銥星通信來執(zhí)行國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)對各觀測儀器(包括網(wǎng)絡(luò)攝像機)的遙操作。
現(xiàn)場主控系統(tǒng)需要并已經(jīng)實現(xiàn)的具體功能包括以下幾點：
? 各發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)控與運行調(diào)度
? 發(fā)電艙和儀器艙的溫度控制
? 各觀測儀器的供電和過流保護
? 各觀測儀器和關(guān)鍵設(shè)備的溫度控制
? 執(zhí)行對各觀測儀器的遠(yuǎn)程控制操作
背景
南極冰穹A(Dome A)是南極冰蓋的最高點，如圖1所示，是一塊海拔4093米，長60千米、寬15千米的水滴狀平臺，高低起伏只有幾米；氣溫在零下35度至零下83度，是地球上最冷的地方之一；該地區(qū)只有0.5個大氣壓，空氣稀薄。雖然冰穹A環(huán)境惡劣，但它提供了優(yōu)越的視寧度條件，可以獲得幾乎可與空間望遠(yuǎn)鏡媲美的圖像質(zhì)量。同時，Dome A還提供了一個天然的低溫觀測環(huán)境，十分有利于開展地面熱紅外觀測。此外，Dome A極端干燥的大氣，在太赫茲波段，為天文學(xué)打開了新的觀測窗口，使得人類可以雄心勃勃的探討宇宙在這些波段的神秘景象。這些優(yōu)越條件使得其成為地球上最好的天文觀測地點之一。
盡管Dome A為天文觀測活動帶來了很多的便利，但是其低溫低壓的自然環(huán)境為科學(xué)考察的開展帶來了很大的難題。首先，每年要花費大量的人力物力保證各科考站有充足的能源和物資供給。其次，由于環(huán)境惡劣，科考人員駐扎Dome A的時間非常短。這些使科學(xué)家錯過了很多珍貴的天文數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，減緩了天文科學(xué)發(fā)展的腳步。在面臨上訴困難和問題，我國科學(xué)家提出要建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的南極冰穹A科考支撐平臺以實現(xiàn)全年無人自動運行的天文觀測活動，借此擺脫我國極地天文觀測相對落后的尷尬局面。
南極冰穹A科考支撐平臺為在南極Dome A進行自動天文觀測和其他科學(xué)探測提供所需的能源動力、遠(yuǎn)程遙測與遙控、海量科學(xué)數(shù)據(jù)存儲、通信和數(shù)據(jù)傳輸，以及環(huán)境保障。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[DividePage:NextPage]
科考支撐平臺包括以下5個子系統(tǒng)：
? 結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要功能是在南極冰穹A極寒、低氣壓、缺氧氣候條件下構(gòu)建適合自動天文觀測站各種設(shè)備正常工作運行的艙內(nèi)環(huán)境條件。
? 電源系統(tǒng)，該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)向自動天文觀測站中所有設(shè)備、儀器提供電源，對整個科考站的正常運行起著至關(guān)重要的能源保障作用。
? 現(xiàn)場主控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)對電源系統(tǒng)、觀測儀器設(shè)備、艙內(nèi)外溫度等觀測站現(xiàn)場運行內(nèi)外環(huán)境和運行設(shè)備的自動監(jiān)測和控制，同時，該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)執(zhí)行國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)對各觀測儀器的遙操作。
? 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是南極自動天文觀測站的數(shù)據(jù)收發(fā)處理中心。通過銥星貓和國內(nèi)遠(yuǎn)程計算機連接，實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)回傳，并向PLC下達遠(yuǎn)程控制命令。
? 通信及國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)起著連接國內(nèi)與南極的通信橋梁和控制中心作用， 位于國內(nèi)中國南極天文中心，是南極自動天文觀測站的國內(nèi)監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)接收與存儲中心。
現(xiàn)場主控系統(tǒng)位于南極冰穹A自動天文觀測站內(nèi)，是整個系統(tǒng)的現(xiàn)場控制中樞。采用羅克韋爾自動化產(chǎn)品，搭建了科考支撐平臺的主控系統(tǒng)。該平臺于2010年10月搭雪龍?zhí)枠O地考察船成功運往南極，并于南極冰穹Dome A成功調(diào)試運行。
挑戰(zhàn)
科考支撐平臺現(xiàn)場環(huán)境如圖3所示，兩個集裝箱分別為電源艙(前端)和儀器艙(遠(yuǎn)端)，相距50m以上。
在南極冰穹A高原極寒、低氣壓的極端惡劣環(huán)境下，要保證無人值守的科考支撐平臺的可靠安全地運行，這對現(xiàn)場的控制系統(tǒng)提出了極高的要求。
主控系統(tǒng)在南極的低溫低壓環(huán)境下需要完成以下控制指標(biāo)：
? 保持發(fā)電艙溫度：0 °C ~ 15 °C
? 保持儀器艙溫度：-20 °C ~ 20 °C
? 發(fā)電艙溫控功耗：< 250 W
? 儀器艙溫控功耗：< 500 W
? 保溫要求：在發(fā)電機不工作情況下，艙內(nèi)溫度在半天內(nèi)不會降到-10 °C以下(環(huán)境溫度為-80 °C)
主控系統(tǒng)在科考支撐平臺中扮演了非常重要的角色，需要完成極高要求的控制，這必然要求系統(tǒng)本身具有非常高的可靠性，實時性。面對現(xiàn)場可能發(fā)生的各種意外情況，需在第一時間內(nèi)做出響應(yīng)，完成本地控制，并且自主向國內(nèi)監(jiān)控中心發(fā)回消息。
系統(tǒng)在南極運行時，每半小時主動向南京監(jiān)控中心發(fā)送一次平臺數(shù)據(jù)，包括電流電壓值、艙內(nèi)外溫度值、艙內(nèi)燃油濃度、燃油液位和各個繼電器的閉合狀態(tài)等。
采用羅克韋爾自動化提供的PLC控制器及其它模塊，就是為了保證平臺能夠在惡劣環(huán)境下，可靠地運行。
競爭優(yōu)勢
考慮到南極現(xiàn)場環(huán)境惡劣，無人值守，為了平臺能夠長期可靠運行，對主控系統(tǒng)硬件要求很高。羅克韋爾自動化的ControlLogix支持以太網(wǎng)，采用開放的ControlNet標(biāo)準(zhǔn)，并且具有冗余控制解決方案，符合平臺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。并且羅克韋爾自動化的ControlLogix冗余控制系統(tǒng)在俄羅斯極寒地區(qū)有多個應(yīng)用成功的案例，其1794系列I/O XT模塊能夠在零下45度環(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)。
[DividePage:NextPage]
羅克韋爾自動化的冗余控制器設(shè)計時，保證主從控制機架的型號、機架內(nèi)模塊的型號、固件版本號、節(jié)點地址(IP地址)及位置完全相同。冗余機架之間使用1757-SRM模塊通信。當(dāng)主機架的任一組件發(fā)生故障，控制權(quán)切換到從控制器。切換時間由故障類型和ControlNet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)刷新時間決定， 一般在80ms~220ms之間，滿足主控系統(tǒng)的控制要求。
采用的雙機架硬件冗余，提供主從兩個機架，一旦其中主機出現(xiàn)異常，迅速切換到備機，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[DividePage:NextPage]
解決方案
ControlLogix 冗余PLC控制器放置在儀器艙保溫箱內(nèi)，儀器艙內(nèi)還設(shè)有4個站點。由于儀器艙內(nèi)溫度比發(fā)電艙低，故這里均采用了增強型低溫I/O模塊，在-20 °C條件下，依然能夠可靠工作。發(fā)電艙內(nèi)設(shè)有2個站點，采用的均是常溫I/O模塊。
發(fā)電艙和儀器艙自間相距大約50米，由于連接兩個艙的同軸電纜需要暴露在南極低溫環(huán)境下，所以選用可在-80°C環(huán)境下運行的低溫同軸電纜。
基于ControlNet的標(biāo)準(zhǔn)型冗余控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，主控系統(tǒng)實際組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
效果
科考支撐平臺于2011年1月份在南極Dome A成功運行，下面是平臺主動傳回國內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖6所示3號發(fā)電機組的電壓和電流值，主控系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)采集、與數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)通信以及銥星通信一直處于暢通無故障狀態(tài)；三號發(fā)電機電壓值工作時接近250V，電流值工作時在3A左右，表明三號發(fā)電機工作正常，即主控系統(tǒng)的PLC控制器以及各模塊均正常運行。
（轉(zhuǎn)載）
