基于國產(chǎn)PLC的高可靠加注控制系統(tǒng)應用研究

摘" 要：將國產(chǎn)PLC應用于加注控制系統(tǒng)，選用國產(chǎn)超御大型IL40系列PLC作為主控設備，設計了CPU冗余、鏈路冗余、IO冗余、電源冗余，以提高控制系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。試驗結果表明，系統(tǒng)出現(xiàn)部分故障時可以利用冗余機制使其保持正常運行。系統(tǒng)的加注時間和加注量與西門子系統(tǒng)相比誤差較小，PLC性能相當，可以實現(xiàn)加注過程的自動操作，精確控制加注的速度和流量，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足加注系統(tǒng)的控制要求和可靠性要求。

關鍵詞：國產(chǎn)PLC；高可靠性；冗余設計；加注控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0019-05

Application Research on High-reliability Refueling Control System Based on

China-made PLC

ZHANG Chao， LIU Chenxu， ZHANG Weiming， HUO Yuxian， AI Hua

（Intelligence Technology of CEC Co.， Ltd.， Beijing" 102209， China）

Abstract： This paper applies China-made PLC to the refueling control system， and the China-made ChaoYu large IL40 series PLC is selected as the main control device. The CPU redundancy， link redundancy， IO redundancy， and power supply redundancy are designed to improve the continuity， stability， and reliability of the control system. The test results indicate that the redundant mechanism can be used to keep the system running normally when some faults occur. The error of refueling time and volume of the system is smaller than those of the Siemens system， and PLC performance is comparable to that of Siemens. The system can operate automatically during the refueling process and has precise control over the speed and flow rate of refueling. The system operates stably and reliably， meeting the control and reliability requirements of the refueling system.

Keywords： China-made PLC; high-reliability; redundancy design; refueling control system

0" 引" 言

加注系統(tǒng)是航天發(fā)射任務中的一個重要環(huán)節(jié)，主要為航天器準確、安全、穩(wěn)定、高效地加注所需的各類推進劑，以確保航天器具備足夠的動力完成預定的飛行任務，關系到發(fā)射任務能否成功執(zhí)行[1]。目前現(xiàn)場大部分加注控制系統(tǒng)均采用國外品牌的PLC設計的，郝龍等人采用西門子S7-300系列CPU 315-2模塊作為主控設備，設計了推進劑加注流程自動控制系統(tǒng)[2]；李俊等人采用西門子S7-1214C系列PLC作為控制器，設計了常規(guī)加注模擬訓練設備[3]；田波等人采用西門子S7414-5H冗余PLC及相應輸人輸出模塊，設計了一套整箭全自動的推進劑加注控制系統(tǒng)[4]；張雷杰等人采用西門子冗余PLC，設計了低溫加注控制系統(tǒng)[5]。

本文探索基于國產(chǎn)軟硬件的PLC在軍工領域的應用[6]，將國產(chǎn)PLC應用于加注控制系統(tǒng)，設計CPU冗余、IO冗余、鏈路冗余、電源冗余以提高控制系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)加注過程的自動化操作，精確控制加注的速度和流量，保證了在任務中能順利、安全地完成加注控制任務。

1" 系統(tǒng)設計

在系統(tǒng)設計前需對加注系統(tǒng)的現(xiàn)場設備的監(jiān)測點和控制點進行分析，如表1所示。

根據(jù)對現(xiàn)場設備的類型、監(jiān)測點、控制點進行分析，加注控制系統(tǒng)具有壓力、溫度、液位、瞬時流量、電動調節(jié)閥開度反饋等模擬量數(shù)據(jù)采集功能，具有點式液位信號、閥門到位信號等數(shù)字量信號采集功能，具有電磁閥控制、屏蔽泵控制等數(shù)字量輸出控制功能，具有電調閥控制、屏蔽泵變頻控制等模擬量輸出功能，具有累計流量脈沖計數(shù)功能。系統(tǒng)采用超御大型IL40系列PLC，采用冗余型CPU模塊作為核心控制設備，采用冗余IO模塊采集數(shù)字量/模擬量監(jiān)測點、控制數(shù)字量/模擬量控制點，采用高速計數(shù)模塊采集加注的累計流量，采用Modbus RTU通信連接變頻器，實現(xiàn)屏蔽泵的狀態(tài)采集、啟?？刂坪妥冾l控制。

采用超御PLC配套的國產(chǎn)邏輯組態(tài)軟件SC-ProSys進行程序軟件開發(fā)，采用ST和LD語言結合的形式開展軟件功能設計，實現(xiàn)現(xiàn)場設備狀態(tài)采集功能、模擬量量程轉換功能、設備手動控制功能、手動/自動加注功能、泄回功能等，并通過Modbus TCP協(xié)議將過程顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件顯示。

采用超御PLC配套的國產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件SC-ProView進行監(jiān)控界面的組態(tài)，實現(xiàn)加注系統(tǒng)工藝畫面的動態(tài)展示、過程參數(shù)的展示、參數(shù)的設置與過程控制。系統(tǒng)架構如圖1所示。

2" 冗余設計

控制系統(tǒng)的冗余設計旨在提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和穩(wěn)定性[7]，確保在面臨各種故障和異常情況時，系統(tǒng)能夠持續(xù)運行，減少生產(chǎn)中斷和損失。冗余設計主要包括CPU冗余、鏈路冗余、IO冗余、電源冗余[8]。PLC系統(tǒng)冗余設計示意圖如圖2所示。

2.1" 冗余CPU設計

冗余CPU設計能夠在主CPU發(fā)生故障時自動切換到備用CPU上，保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的容錯能力，極大地減少了因故障引發(fā)的停機時間，保障了生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性[9]。

系統(tǒng)配置兩塊具有冗余功能的CPU模塊，如圖1的加注主控柜部分所示，兩個CPU之間采用同步總線交叉連接，構成雙機冗余系統(tǒng)架構。系統(tǒng)上電后，主機啟動后會將存儲的工程同步給備機，系統(tǒng)正常啟動后冗余成功建立，系統(tǒng)運行過程中主機將運行數(shù)據(jù)實時同步給備機。當主機出現(xiàn)故障時，備機能夠迅速升主并接管工作，確保系統(tǒng)的持續(xù)運行，避免因CPU故障導致的系統(tǒng)停機或數(shù)據(jù)丟失。

2.2" 冗余鏈路設計

系統(tǒng)采用耦合加末端模塊的成對配置形式，如圖1的加注遠程IO柜所示，CPU模塊的輸出口連接到從站耦合模塊的輸入口，后續(xù)從站末端模塊的輸出口依次連接下一排從站耦合模塊的輸入口，網(wǎng)絡中最后一個從站末端模塊的輸出口連接到CPU模塊的輸入口，從而構成冗余型環(huán)形網(wǎng)絡。正常情況下數(shù)據(jù)在環(huán)形網(wǎng)絡中沿一個方向傳輸，當其中任意IO模塊故障損壞或從站之間的連接鏈路斷開后，數(shù)據(jù)可以通過相反方向的路徑傳輸，相應的后續(xù)從站不會從網(wǎng)絡中脫離，不會導致控制系統(tǒng)的故障，實現(xiàn)鏈路冗余。

2.3" 冗余IO設計

系統(tǒng)針對加注控制系統(tǒng)中重要的IO信號，包括數(shù)字量輸入的貯罐液位信號、數(shù)字量輸出的閥門控制信號、模擬量輸入的瞬時流量、模擬量輸出的電動調節(jié)閥控制等，配置IO模塊的1∶1硬件冗余，即每個需要冗余的IO點均為雙路信號，配置IO冗余可以是兩個模塊之間的模板級冗余，也可以是一個模塊上的兩個通道的通道級冗余。據(jù)工程經(jīng)驗一般設計為兩個一模一樣的背板模塊級冗余，兩排從站的模塊配置完全一致，一一對應冗余。

數(shù)字量輸入冗余設計采用一分為二的接線方式，現(xiàn)場的信號通過接線端子分為兩路信號分別進入兩個DI通道，根據(jù)工程經(jīng)驗，軟件配置“OR”策略，設置容差響應時間為500 ms，當兩路通道值不一致時，取“或”值并賦值給冗余結果變量，當差異維持超過500 ms后，鈍化未發(fā)生變化的通道。模擬量輸入冗余設計采用一分為二的接線方式，現(xiàn)場的信號通過安全隔離柵分為兩路信號分別進入兩個AI通道，根據(jù)工程經(jīng)驗，軟件配置“High Value”策略，設置容差響應時間為500 ms。當兩路通道值不一致時，取數(shù)值較大的值并賦值給冗余結果變量，當差異維持超過500 ms后，鈍化數(shù)值較低的通道。數(shù)字量輸出冗余設計采用輸出并聯(lián)接線方式，兩個通道輸出線并起來接到同一個設備上。模擬量輸出冗余設計采用輸出并聯(lián)的接線方式，將兩個輸出各輸出一半的電流合為完整輸出，一旦一個通道斷線，另一個通道會輸出全部電流[10]。冗余IO的接線示意如圖3所示。

IO的通道或模塊發(fā)生鈍化，系統(tǒng)不會自動解鈍化，需要軟件進行解鈍化并進行下一次冗余判斷。

2.4" 冗余電源設計

針對冗余CPU模塊，每個CPU模塊配置兩塊具有冗余功能的電源模塊，放置在CPU模塊的前兩位，針對從站模塊，每排從站配置兩塊電源模塊緊挨排列在導軌前兩個槽位，為整排模塊提供穩(wěn)定可靠性的電源，當主電源出現(xiàn)故障時，備用電源無縫切換自動投入工作，降低因電源故障導致系統(tǒng)停機的風險。

3" 系統(tǒng)試驗與結果分析

3.1" 冗余試驗

冗余試驗一般在出廠試驗自檢階段開展，可采用模擬故障注入的方法驗證控制系統(tǒng)在各冗余設計環(huán)節(jié)的可靠性。

冗余CPU試驗采用模擬CPU宕機、CPU運行故障、CPU鏈路故障等方法，試驗當主CPU不能正常工作時，備CPU是否能迅速升主并接管工作，保證系統(tǒng)持續(xù)正常運行。冗余鏈路試驗采用模擬網(wǎng)線或光纖斷開的方法，試驗當系統(tǒng)中的鏈路發(fā)生部分斷開時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制輸出是否工作正常。冗余IO試驗采用模擬信息采集線路斷開、控制輸出信號斷開、IO模塊斷電等方法，試驗當外部設備斷開或IO模塊工作異常時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制輸出是否工作正常。冗余電源試驗采用模擬CPU和IO所在從站的一個電源故障時，CPU和從站是否工作正常，系統(tǒng)供電是否未受影響。試驗結果如表2所示。

試驗結果表明，系統(tǒng)在出現(xiàn)單點或雙點網(wǎng)線故障、單個CPU/IO/電源模塊故障、單個設備接線故障時，可以利用冗余機制使得系統(tǒng)仍然正常運行不受影響，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制輸出正常，保障了加注控制系統(tǒng)的可靠運行。

3.2" 加注試驗

模擬加注控制系統(tǒng)中還有一套與超御控制系統(tǒng)作對比的西門子控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與超御系統(tǒng)的機柜硬件接口定義一致均采用航插形式，軟件程序功能一致，工藝運行參數(shù)一致。模擬加注控制系統(tǒng)運行界面如圖4所示。

加注試驗共進行了四組加注泄回試驗，每組試驗首先在超御控制系統(tǒng)上分別對一級、二級、三級貯箱進行加注后再泄回的操作，然后在西門子控制系統(tǒng)上做同樣的操作，并記錄一級、二級、三級加注的加注時間和加注量，然后計算西門子控制系統(tǒng)和超御控制系統(tǒng)的加注時間差值，如表3所示，分別計算西門子控制系統(tǒng)、超御控制系統(tǒng)與理論加注量的差值，如表4所示。

試驗結果表明，超御控制系統(tǒng)與西門子控制系統(tǒng)的加注時間差值均在7 s以內，總加注量與理論加注量的差值均在0.8 L以內，存在的誤差可能與電磁閥的開關時間和系統(tǒng)的響應時間有關，基本能滿足加注控制系統(tǒng)的實際需求，完成加注、泄回等任務。

4" 結" 論

本文將國產(chǎn)PLC應用于加注控制系統(tǒng)，設計CPU冗余、IO冗余、鏈路冗余、電源冗余以提高控制系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。試驗表明國產(chǎn)超御控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)加注過程的自動化操作，能夠精確控制加注的速度和流量，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足加注系統(tǒng)的控制要求和可靠性要求。

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作者簡介：張超（1992—），男，漢族，陜西寶雞人，工程師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)自動化、工業(yè)控制。