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1.研制高性能通用控制器的必要性

    在冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，煉鐵煉鋼等慢過程采用DCS系統(tǒng)居多；近年來由于PLC較DCS價(jià)格低廉，應(yīng)用的方便性和系統(tǒng)可靠性很高，采用PLC系統(tǒng)用于冶煉控制的日漸增多。而對(duì)于軋制快過程幾乎全部采用PLC系統(tǒng)。軋制過程的軋制速度一般是每秒幾米至100米以上。對(duì)于連續(xù)軋制，一根軋件將上下游十多套乃至幾十套機(jī)電設(shè)備連接成一個(gè)剛體，上下游設(shè)備之間互相影響，相互耦合。快速的過程必然要求快速響應(yīng)的控制器，其中某些工藝質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，如液壓厚度自動(dòng)控制、液壓寬度自動(dòng)控制、板形自動(dòng)控制和全液壓卷取機(jī)踏步控制等，不僅要求系統(tǒng)快速的響應(yīng)（采控周期為1-10ms），而且具有前饋、反饋等多種控制模型，甚至包括智能算法，要求控制器有快速數(shù)據(jù)處理能力（包括浮點(diǎn)運(yùn)算），各控制器之間需要快速數(shù)據(jù)交換能力，通常的PLC系統(tǒng)難以滿足要求，高性能通用控制器成為選型的主流。此外一些大型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如功率大于2500kw的交流電機(jī)變頻控制，因?yàn)榘ㄊ噶靠刂频葟?fù)雜的算法，其變頻控制器也采用高性能通用控制器。國際上同類的產(chǎn)品有德國西門子公司TDC、法國阿爾斯通公司LOGIDYN D、美國GE公司INNOVATION，意大利ANSALDO公司的AMS。國際上有的公司（如德國西門子公司）將其高性能通用控制器稱為工藝和傳動(dòng)控制器（Technology and Drive control）。

    高性能通用控制器不但用于含有快速響應(yīng)和復(fù)雜模型的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制器，而且在板帶連軋的各個(gè)區(qū)段如加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、精軋區(qū)和卷取及出口處理區(qū)成為本區(qū)的中心控制器，作為基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)與過程控制級(jí)之間的接口。承擔(dān)本區(qū)內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)的周期采集，過程控制級(jí)在線計(jì)算軋制規(guī)程的下發(fā)和執(zhí)行軋件微跟蹤，軋制規(guī)程計(jì)算的控制邏輯，軋制模型參數(shù)自學(xué)習(xí)的控制邏輯，規(guī)程計(jì)算和自學(xué)習(xí)實(shí)測數(shù)據(jù)的濾波，平均值計(jì)算，可信度檢驗(yàn)等功能。此外，一些在線控制模型（終軋溫度的前饋和反饋控制，卷取溫度的前饋和反饋控制）也可以由高性能通用控制器來完成。這些原來屬于過程控制級(jí)的功能，由于采用高性能通用控制器，而由基礎(chǔ)自動(dòng)化來實(shí)現(xiàn)，這不僅使過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件得到簡化，兩級(jí)之間的數(shù)據(jù)交換量明顯減少，更重要的是其龐大復(fù)雜的軟件系統(tǒng)大為簡化，使其變?yōu)槟Ｐ秃瓦^程優(yōu)化計(jì)算器。加快了過程控制計(jì)算機(jī)的開放和研制，降低了成本，有利于模型和優(yōu)化計(jì)算的擴(kuò)充和改進(jìn)，縮短了現(xiàn)場安裝調(diào)試的時(shí)間。正是因?yàn)榛A(chǔ)自動(dòng)化控制器日益完善，數(shù)據(jù)處理能力快速增強(qiáng)，過程控制級(jí)的一些功能分配到基礎(chǔ)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)成為發(fā)展的趨勢(shì)。

    目前冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和大型交流電機(jī)變頻器的控制器所需的高性能控制器均是進(jìn)口的國外公司的產(chǎn)品，不僅價(jià)格昂貴，而且供貨周期長，再開發(fā)的能力差，長期依賴1-2家公司，受到很大的制約。作為高性能通用控制器的OEM硬件和軟件產(chǎn)品，國內(nèi)外市場日漸增多，獨(dú)立開發(fā)和OEM產(chǎn)品集成相結(jié)合，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能通用控制器是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

2.高性能通用控制器的開發(fā)設(shè)計(jì)要求和原則

    對(duì)高性能控制器的要求主要是快速響應(yīng)和快速數(shù)據(jù)處理的能力，以及各高性能控制器之間高速數(shù)據(jù)交換的能力。要求具有豐富多樣I/O板配置能力，一般在CPU主框架上配置少量的復(fù)合快速I/O板，大量的I/O板應(yīng)采用現(xiàn)場總線連接的遠(yuǎn)程I/O模塊。為適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場長期運(yùn)行環(huán)境要求，應(yīng)有充分的防震、防塵和抗電磁干擾的能力。高性能通用控制器的運(yùn)行方式不采用PLC的周期掃描循環(huán)方式，而是采用帶優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)多任務(wù)方式，應(yīng)配置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為執(zhí)行環(huán)境平臺(tái)。為便于開發(fā)和應(yīng)用，一般以windows系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)， 配置包括梯形圖、功能圖和C語言等多種編程語言和系統(tǒng)配置、I/O配置、系統(tǒng)診斷和維護(hù)操作命令等。在windows PC上進(jìn)行系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)配置，編輯和編譯應(yīng)用軟件，下載到宿主機(jī)上運(yùn)行，進(jìn)行系統(tǒng)的診斷和維護(hù)。因?yàn)楦鞲咝阅芡ㄓ每刂破髦g有高速數(shù)據(jù)交換的要求，每次交換數(shù)據(jù)量并不大，但要求極高的速度和確定的時(shí)間，采用TCP/IP以太網(wǎng)難以滿足要求，通常采用協(xié)議簡約有確定傳送時(shí)間的令牌總線網(wǎng)（如ARCNET）或令牌環(huán)形網(wǎng)（如內(nèi)存映像網(wǎng)），這兩種網(wǎng)絡(luò)均是采用網(wǎng)絡(luò)共享內(nèi)存的方式，實(shí)現(xiàn)快速方便的高速數(shù)據(jù)交換。

    冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院正在開發(fā)和設(shè)計(jì)自主產(chǎn)權(quán)的ARICON-CC高性能通用控制器。為滿足上述要求開發(fā)設(shè)計(jì)的基本原則是：
    ● 多進(jìn)程多任務(wù)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)；
    ● 響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)；
    ● 開放的通訊連接標(biāo)準(zhǔn)便于集成；
    ● 多種編程語言；
    ● 允許掛接多種現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程I/O板；
    ● 方便實(shí)用的維護(hù)和開發(fā)工具；
    ● 防震、防塵和抗干擾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。ARICON-CC的特點(diǎn)和性能指標(biāo)如下表所示：

3.ARICON-CC簡介

3.1ARICON-CC硬件
    采用19?標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)箱，最多可插21塊板，IP20防護(hù)等級(jí)。考慮到便于集成多家公司的產(chǎn)品，采用VME總線。板卡與背板總線采用插針插座連接，上下安裝導(dǎo)軌，板卡前面裝有帶鎖緊裝置的小面板。電源裝置輸入220V，輸出＋5V（80A）、＋12V（10A）、－12V(10A)。并安裝高效冷卻風(fēng)機(jī)。

    CPU板選用Motorola公司Power pc cpu， 主頻 500MHz。 2MB高速緩存，64MB ECC  SDRAM，16Mbyte Flash和512kb自舉Flash。10/100M快速以太網(wǎng)接口，2個(gè)RS232串行接口。3個(gè)16bit的定時(shí)器，RTC146818兼容的實(shí)時(shí)鐘。配置JTAG接口和Watchdog。CPU板框圖如下示：

    高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)板用于各高性能通用控制器之間的高速數(shù)據(jù)交換，可以采用ARCNET網(wǎng)，采用雙絞線，速率可達(dá)5Mb/s，也可以采用內(nèi)存映像網(wǎng)，采用光纖速率可達(dá)170Mb/s或更高。這兩種自帶CPU的VME總線的網(wǎng)絡(luò)接口板，可以O(shè)EM方式采購和集成。

    CPU主框架上的本地快速I/O板，因?yàn)橛昧吭絹碓缴伲^大部分的I/O點(diǎn)均采用現(xiàn)場總線連接的遠(yuǎn)程I/O解決。通常實(shí)用的開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出和計(jì)數(shù)輸入，每種類型一種板的方式已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)了。故ARICON-CC在CPU主框架上采用包括多種類型（開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出和計(jì)數(shù)輸入）的復(fù)合I/O板，每個(gè)系統(tǒng)配置1-2塊復(fù)合I/O板就能滿足要求。

    遠(yuǎn)程I/O子系統(tǒng)將開發(fā)和設(shè)計(jì)多種現(xiàn)場總線的I/O板，主要是profibus總線、device net總線和已有自主產(chǎn)權(quán)的longworks總線。其它現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程I/O根據(jù)需要可陸續(xù)的開發(fā)設(shè)計(jì)。

3.2ARICON-CC軟件和開發(fā)工具
    ARICON-CC的執(zhí)行環(huán)境將采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為運(yùn)行的平臺(tái)，初步選定Vxworks操作系統(tǒng)。因?yàn)檫@個(gè)操作系統(tǒng)的成熟性、可靠性、可裁剪及擴(kuò)展的能力都是一流的。其功能可以滿足高性能通用控制器的要求配置完全符合IEC1131的編程環(huán)境，包括梯形圖、功能圖和順序功能圖電氣工程師編程語言。考慮到高性能通用控制器將包括智能控制算法和承擔(dān)過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的某些功能，配置一個(gè)C語言的編程環(huán)境也是需要的。在模塊庫中可以配置一些常用算法的功能圖塊，模糊控制或人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的算法庫。

    開發(fā)工具以windowsPC為平臺(tái)，配置程序編輯、編譯和下裝實(shí)用工具。系統(tǒng)配置和I/O配置的命令，系統(tǒng)診斷和維護(hù)工具。

    為方便高性能控制器現(xiàn)場調(diào)試，開發(fā)一個(gè)用于現(xiàn)場多路（8-10路）數(shù)據(jù)采集和顯示的軟件，裝于windowsPC，連接到網(wǎng)絡(luò)上，最快采集周期為1ms。可以棒圖或趨勢(shì)曲線的形式顯示或打印。

〔參考文獻(xiàn)〕

1.Automatic System Simatic TDC  Siemens AG
2.Ansaldo Micro System     ASIRobicon
3.VG4 hardware user manual  SBS。