羅克韋爾自動(dòng)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(tái)的主控系統(tǒng) ，保證無(wú)人值守的科考支撐平臺(tái)在高原極寒中可靠安全地運(yùn)行。

      使用羅克韋爾自動(dòng)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(tái)的現(xiàn)場(chǎng)主控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是南極冰穹Dome A自動(dòng)天文觀測(cè)站的控制中樞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)、觀測(cè)儀器設(shè)備、艙內(nèi)外溫度等觀測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。除了完成上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的功能外，還使用了羅克韋爾自動(dòng)化公司的產(chǎn)品1756-EWEB模塊，使得主控系統(tǒng)可以通過(guò)銥星通信來(lái)執(zhí)行國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各觀測(cè)儀器(包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))的遙操作。
        現(xiàn)場(chǎng)主控系統(tǒng)需要并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的具體功能包括以下幾點(diǎn)：
        ? 各發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)行調(diào)度
        ? 發(fā)電艙和儀器艙的溫度控制
        ? 各觀測(cè)儀器的供電和過(guò)流保護(hù)
        ? 各觀測(cè)儀器和關(guān)鍵設(shè)備的溫度控制
        ? 執(zhí)行對(duì)各觀測(cè)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(diǎn)，如圖1所示，是一塊海拔4093米，長(zhǎng)60千米、寬15千米的水滴狀平臺(tái)，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(gè)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(shí)，Dome A還提供了一個(gè)天然的低溫觀測(cè)環(huán)境，十分有利于開展地面熱紅外觀測(cè)。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(cè)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(cè)地點(diǎn)之一。
        盡管Dome A為天文觀測(cè)活動(dòng)帶來(lái)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(lái)了很大的難題。首先，每年要花費(fèi)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(shí)間非常短。這些使科學(xué)家錯(cuò)過(guò)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(wèn)題，我國(guó)科學(xué)家提出要建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的南極冰穹A科考支撐平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)全年無(wú)人自動(dòng)運(yùn)行的天文觀測(cè)活動(dòng)，借此擺脫我國(guó)極地天文觀測(cè)相對(duì)落后的尷尬局面。
        南極冰穹A科考支撐平臺(tái)為在南極Dome A進(jìn)行自動(dòng)天文觀測(cè)和其他科學(xué)探測(cè)提供所需的能源動(dòng)力、遠(yuǎn)程遙測(cè)與遙控、海量科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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。

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        科考支撐平臺(tái)包括以下5個(gè)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(dòng)天文觀測(cè)站各種設(shè)備正常工作運(yùn)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(dòng)天文觀測(cè)站中所有設(shè)備、儀器提供電源，對(duì)整個(gè)科考站的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的能源保障作用。
        ? 現(xiàn)場(chǎng)主控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)、觀測(cè)儀器設(shè)備、艙內(nèi)外溫度等觀測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行內(nèi)外環(huán)境和運(yùn)行設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，同時(shí)，該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)執(zhí)行國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各觀測(cè)儀器的遙操作。
        ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是南極自動(dòng)天文觀測(cè)站的數(shù)據(jù)收發(fā)處理中心。通過(guò)銥星貓和國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)回傳，并向PLC下達(dá)遠(yuǎn)程控制命令。
        ? 通信及國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)起著連接國(guó)內(nèi)與南極的通信橋梁和控制中心作用， 位于國(guó)內(nèi)中國(guó)南極天文中心，是南極自動(dòng)天文觀測(cè)站的國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)、控制和數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)中心。
        現(xiàn)場(chǎng)主控系統(tǒng)位于南極冰穹A自動(dòng)天文觀測(cè)站內(nèi)，是整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制中樞。采用羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品，搭建了科考支撐平臺(tái)的主控系統(tǒng)。該平臺(tái)于2010年10月搭雪龍?zhí)枠O地考察船成功運(yùn)往南極，并于南極冰穹Dome A成功調(diào)試運(yùn)行。
        挑戰(zhàn)
        科考支撐平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖3所示，兩個(gè)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(wú)人值守的科考支撐平臺(tái)的可靠安全地運(yùn)行，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)不工作情況下，艙內(nèi)溫度在半天內(nèi)不會(huì)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(tái)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(shí)時(shí)性。面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的各種意外情況，需在第一時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，完成本地控制，并且自主向國(guó)內(nèi)監(jiān)控中心發(fā)回消息。
        系統(tǒng)在南極運(yùn)行時(shí)，每半小時(shí)主動(dòng)向南京監(jiān)控中心發(fā)送一次平臺(tái)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(gè)繼電器的閉合狀態(tài)等。
        采用羅克韋爾自動(dòng)化提供的PLC控制器及其它模塊，就是為了保證平臺(tái)能夠在惡劣環(huán)境下，可靠地運(yùn)行。
        競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
        考慮到南極現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，無(wú)人值守，為了平臺(tái)能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，對(duì)主控系統(tǒng)硬件要求很高。羅克韋爾自動(dòng)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(tái)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(dòng)化的ControlLogix冗余控制系統(tǒng)在俄羅斯極寒地區(qū)有多個(gè)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)。

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        羅克韋爾自動(dòng)化的冗余控制器設(shè)計(jì)時(shí)，保證主從控制機(jī)架的型號(hào)、機(jī)架內(nèi)模塊的型號(hào)、固件版本號(hào)、節(jié)點(diǎn)地址(IP地址)及位置完全相同。冗余機(jī)架之間使用1757-SRM模塊通信。當(dāng)主機(jī)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(shí)間由故障類型和ControlNet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)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(jī)架硬件冗余，提供主從兩個(gè)機(jī)架，一旦其中主機(jī)出現(xiàn)異常，迅速切換到備機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
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        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(gè)站點(diǎn)。由于儀器艙內(nèi)溫度比發(fā)電艙低，故這里均采用了增強(qiáng)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(gè)站點(diǎn)，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(gè)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(yùn)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(shí)際組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
        效果

        科考支撐平臺(tái)于2011年1月份在南極Dome A成功運(yùn)行，下面是平臺(tái)主動(dòng)傳回國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖6所示3號(hào)發(fā)電機(jī)組的電壓和電流值，主控系統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)采集、與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)通信以及銥星通信一直處于暢通無(wú)故障狀態(tài)；三號(hào)發(fā)電機(jī)電壓值工作時(shí)接近250V，電流值工作時(shí)在3A左右，表明三號(hào)發(fā)電機(jī)工作正常，即主控系統(tǒng)的PLC控制器以及各模塊均正常運(yùn)行。

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