基于PLC原理的DCS现场控制器设计

杨君宇+毛大年+曾章龙

摘 要 基于Programmable Logic Controller（PLC）原理的Distributed Control System（DCS）现场控制器采用双核冗余容错技术，当单一故障或随机错误出现时，现场控制器可自动纠错并实现连续不间断控制。控制器还集成了强大的冗余总线网络和PLC的高速运算功能，配套的Hplc编程工具能帮助用户实现对现场控制器行为的监测和二次开发。多台现场控制器可自行组网，实现DCS系统分散控制、集中管理要求。

【关键词】DCS现场控制器 Hplc编程工具 冗余总线网络

PLC作为一种以微处理器为核心的自动控制装置，其逻辑运算效率高，控制周期短，在开关量控制速度方面表现的非常优秀。由于具有编程简单、使用方便以及适应工业现场恶劣环境等特点，所以PLC在主-从令牌环网中得到广泛应用。

DCS是一个由分散过程控制级和集中过程管理级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。其主要特征是集中管理和分散控制，网络中各主机地位平等。目前DCS在电力、冶金、石化、船舶等各行各业都获得了极其广泛的应用。

近年来，随着DCS关联领域的技术革新，开放式的DCS可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要将不同厂商的现场控制器连入控制系统，达到最佳的系统集成。基于PLC原理的DCS现场控制器（JSD-DCM-01）借鉴了PLC数据处理速度快、编程界面良好的优点，规避了PLC在多主机网络结构中难以兼容的缺点。利用现场控制器的控制与运算模块可实现开放式DCS系统多样化的控制策略，从而将现场复杂的命题变的简单化。

1 系统总体设计

DCS的集中过程管理级由管理设备组成，完成对分散过程控制级的集中监视和管理。DCS的分散过程控制级中的现场控制器直接面向工业对象，其输入信号来自生产过程现场的传感器（如热电偶、热电阻）、变送器（如温度、压力、液位、流量等）、电气开关（输入触点）等；其输出信号去驱动执行器（如调节阀、电磁阀、电机等）完成生产过程的数据采集、闭环调节、顺序控制等功能；其通信网络与冗余总线连接，用于数据通信。本文主要研究的对象是分散过程控制级中的现场控制器。

2 硬件设计

2.1 微控制器单元

现场控制器采用德州仪器（TI）面向航空航天、铁路、汽车、工业和医疗中对于安全性有苛刻要求的应用环境而推出的Hercules?系列MCU中的TMS570LS3137。Hercules? TMS570LS系列处理器是按照国际标准组织ISO26262和国际电工委员会IEC61508这两个安全标准开发的，基于ARM Cortex-R架构，在芯片上使用了两个相同的ARM? Cortex-R4F内核，他们以一种锁步的方式运行相同的程序并接收相同的输入。在每个处理器周期中，对两个内核计算的操作和结果相互做逻辑比较，以检测和响应可能出现的误差。经exida国际安全认证机构评估，Hercules? TMS570LS安全微处理器的开发过程和安全性原理被认定适用于SIL3系统。

2.2 输入输出接口单元

现场控制器使用AD8226儀表放大器和ADS1259模数转换器完成对宽动态范围的模拟信号的数字化处理；使用TLP185GB完成数字量转化，切断干扰的传输途径，赋予现场控制器更为理想的电磁兼容性。

2.3 冗余通信网络单元

为了使现场控制器达到高可靠性和低失效率的目的，控制器通信网络采用冗余技术。使用两条CAN总线和两个CAN总线控制器，核心微控制器通过不同的端口和中断同时控制两个CAN控制器。

3 软件设计

我们配套开发了编程和仿真工具--Hplc。Hplc软件中内置了两种编程语言--梯形图语言（LD）和指令表语言（IL）。两种语言满足国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准IEC1131-3的要求。用户可以利用Hplc庞大的标准图形库和完备的算法，将DCS系统中所有现场控制器的端口状态模拟出来展现出来。用户通过执行程序了解系统中现场控制器的运行状态。

4 产品测试

现场控制器通过倍科电子技术服务部（成都）有限公司等机构测试，证明产品性能达标。

从图1可以看出现场控制器在30M-156M频段内向外辐射的电场强度，低于标准要求的数值，满足使用要求。（注：限于版面篇幅，其他测试与结果未展示）。

5 结束语

本文设计了一种基于PLC原理的DCS现场控制器，控制器借鉴了PLC软件编程习惯和硬件设计思路，采用内核和总线冗余容错技术，保证设备连续不间断运行。由多台现场控制器自行组网系统满足DCS分散控制、集中管理的要求，为工业现场控制提供了一种新技术产品。自组网的DCS系统已通过设计院的审核，准备在钢制燃料动力船舶上进行试点。

作者简介

杨君宇（1986-），男，中级工程师。主要研究方向为自动控制系统。

毛大年（1977-），男，中级工程师。主要研究方向为嵌入式控制系统。

曾章龙（1982-），男，中级工程师。主要研究方向为嵌入式控制系统。

作者单位

成都华气厚普电子技术有限公司 四川省成都市 610010