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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。對于連續(xù)軋制，一根軋件將上下游十多套乃至幾十套機電設(shè)備連接成一個剛體，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)，如液壓厚度自動控制、液壓寬度自動控制、板形自動控制和全液壓卷取機踏步控制等，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（包括浮點運算），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)行機構(gòu)如功率大于2500kw的交流電機變頻控制，因為包括矢量控制等復(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)自動化控制器，而且在板帶連軋的各個區(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)自動化級與過程控制級之間的接口。承擔(dān)本區(qū)內(nèi)實測數(shù)據(jù)的周期采集，過程控制級在線計算軋制規(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)程計算和自學(xué)習(xí)實測數(shù)據(jù)的濾波，平均值計算，可信度檢驗等功能。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的功能，由于采用高性能通用控制器，而由基礎(chǔ)自動化來實現(xiàn)，這不僅使過程控制計算機系統(tǒng)的硬件得到簡化，兩級之間的數(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)化計算器。加快了過程控制計算機的開放和研制，降低了成本，有利于模型和優(yōu)化計算的擴充和改進，縮短了現(xiàn)場安裝調(diào)試的時間。正是因為基礎(chǔ)自動化控制器日益完善，數(shù)據(jù)處理能力快速增強，過程控制級的一些功能分配到基礎(chǔ)自動化實現(xiàn)成為發(fā)展的趨勢。

    目前冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)和大型交流電機變頻器的控制器所需的高性能控制器均是進口的國外公司的產(chǎn)品，不僅價格昂貴，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，獨立開發(fā)和OEM產(chǎn)品集成相結(jié)合，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能通用控制器是完全可以實現(xiàn)的。

2.高性能通用控制器的開發(fā)設(shè)計要求和原則

    對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)場總線連接的遠程I/O模塊。為適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場長期運行環(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)先級的實時多任務(wù)方式，應(yīng)配置嵌入式實時操作系統(tǒng)，作為執(zhí)行環(huán)境平臺。為便于開發(fā)和應(yīng)用，一般以windows系統(tǒng)作為開發(fā)平臺， 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)診斷和維護操作命令等。在windows PC上進行系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)配置，編輯和編譯應(yīng)用軟件，下載到宿主機上運行，進行系統(tǒng)的診斷和維護。因為各高性能通用控制器之間有高速數(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，實現(xiàn)快速方便的高速數(shù)據(jù)交換。

    冶金自動化研究設(shè)計院正在開發(fā)和設(shè)計自主產(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)計的基本原則是：
    ● 多進程多任務(wù)實時嵌入式系統(tǒng)；
    ● 響應(yīng)時間為ms級；
    ● 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)場總線的遠程I/O板；
    ● 方便實用的維護和開發(fā)工具；
    ● 防震、防塵和抗干擾的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計。ARICON-CC的特點和性能指標(biāo)如下表所示：

3.ARICON-CC簡介

3.1ARICON-CC硬件
    采用19?標(biāo)準(zhǔn)主機箱，最多可插21塊板，IP20防護等級。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。

    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RS232串行接口。3個16bit的定時器，RTC146818兼容的實時鐘。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5Mb/s，也可以采用內(nèi)存映像網(wǎng)，采用光纖速率可達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，因為用量越來越少，絕大部分的I/O點均采用現(xiàn)場總線連接的遠程I/O解決。通常實用的開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出和計數(shù)輸入，每種類型一種板的方式已經(jīng)不經(jīng)濟了。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、模擬量輸出和計數(shù)輸入）的復(fù)合I/O板，每個系統(tǒng)配置1-2塊復(fù)合I/O板就能滿足要求。

    遠程I/O子系統(tǒng)將開發(fā)和設(shè)計多種現(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)場總線的遠程I/O根據(jù)需要可陸續(xù)的開發(fā)設(shè)計。

3.2ARICON-CC軟件和開發(fā)工具
    ARICON-CC的執(zhí)行環(huán)境將采用嵌入式實時操作系統(tǒng)作為運行的平臺，初步選定Vxworks操作系統(tǒng)。因為這個操作系統(tǒng)的成熟性、可靠性、可裁剪及擴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)過程控制計算機系統(tǒng)的某些功能，配置一個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)計算的算法庫。

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

    為方便高性能控制器現(xiàn)場調(diào)試，開發(fā)一個用于現(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。可以棒圖或趨勢曲線的形式顯示或打印。

〔參考文獻〕

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