摘" 要：将国产PLC应用于加注控制系统，选用国产超御大型IL40系列PLC作为主控设备，设计了CPU冗余、链路冗余、IO冗余、电源冗余，以提高控制系统的连续性、稳定性和可靠性。试验结果表明，系统出现部分故障时可以利用冗余机制使其保持正常运行。系统的加注时间和加注量与西门子系统相比误差较小，PLC性能相当，可以实现加注过程的自动操作，精确控制加注的速度和流量，系统运行稳定可靠，满足加注系统的控制要求和可靠性要求。
关键词：国产PLC；高可靠性；冗余设计；加注控制系统
中图分类号：TP273" 文献标识码：A" 文章编号：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
加注系统是航天发射任务中的一个重要环节，主要为航天器准确、安全、稳定、高效地加注所需的各类推进剂，以确保航天器具备足够的动力完成预定的飞行任务，关系到发射任务能否成功执行[1]。目前现场大部分加注控制系统均采用国外品牌的PLC设计的，郝龙等人采用西门子S7-300系列CPU 315-2模块作为主控设备，设计了推进剂加注流程自动控制系统[2]；李俊等人采用西门子S7-1214C系列PLC作为控制器，设计了常规加注模拟训练设备[3]；田波等人采用西门子S7414-5H冗余PLC及相应输人输出模块，设计了一套整箭全自动的推进剂加注控制系统[4]；张雷杰等人采用西门子冗余PLC，设计了低温加注控制系统[5]。
本文探索基于国产软硬件的PLC在军工领域的应用[6]，将国产PLC应用于加注控制系统，设计CPU冗余、IO冗余、链路冗余、电源冗余以提高控制系统的连续性、稳定性和可靠性，实现加注过程的自动化操作，精确控制加注的速度和流量，保证了在任务中能顺利、安全地完成加注控制任务。
1" 系统设计
在系统设计前需对加注系统的现场设备的监测点和控制点进行分析，如表1所示。
根据对现场设备的类型、监测点、控制点进行分析，加注控制系统具有压力、温度、液位、瞬时流量、电动调节阀开度反馈等模拟量数据采集功能，具有点式液位信号、阀门到位信号等数字量信号采集功能，具有电磁阀控制、屏蔽泵控制等数字量输出控制功能，具有电调阀控制、屏蔽泵变频控制等模拟量输出功能，具有累计流量脉冲计数功能。系统采用超御大型IL40系列PLC，采用冗余型CPU模块作为核心控制设备，采用冗余IO模块采集数字量/模拟量监测点、控制数字量/模拟量控制点，采用高速计数模块采集加注的累计流量，采用Modbus RTU通信连接变频器，实现屏蔽泵的状态采集、启停控制和变频控制。
采用超御PLC配套的国产逻辑组态软件SC-ProSys进行程序软件开发，采用ST和LD语言结合的形式开展软件功能设计，实现现场设备状态采集功能、模拟量量程转换功能、设备手动控制功能、手动/自动加注功能、泄回功能等，并通过Modbus TCP协议将过程显示数据、监视数据、控制数据上传至上位机软件显示。
采用超御PLC配套的国产监控组态软件SC-ProView进行监控界面的组态，实现加注系统工艺画面的动态展示、过程参数的展示、参数的设置与过程控制。系统架构如图1所示。
2" 冗余设计
控制系统的冗余设计旨在提高系统的可靠性、可用性和稳定性[7]，确保在面临各种故障和异常情况时，系统能够持续运行，减少生产中断和损失。冗余设计主要包括CPU冗余、链路冗余、IO冗余、电源冗余[8]。PLC系统冗余设计示意图如图2所示。
2.1" 冗余CPU设计
冗余CPU设计能够在主CPU发生故障时自动切换到备用CPU上，保证系统持续稳定运行，提高系统的容错能力，极大地减少了因故障引发的停机时间，保障了生产过程的连续性和稳定性[9]。
系统配置两块具有冗余功能的CPU模块，如图1的加注主控柜部分所示，两个CPU之间采用同步总线交叉连接，构成双机冗余系统架构。系统上电后，主机启动后会将存储的工程同步给备机，系统正常启动后冗余成功建立，系统运行过程中主机将运行数据实时同步给备机。当主机出现故障时，备机能够迅速升主并接管工作，确保系统的持续运行，避免因CPU故障导致的系统停机或数据丢失。
2.2" 冗余链路设计
系统采用耦合加末端模块的成对配置形式，如图1的加注远程IO柜所示，CPU模块的输出口连接到从站耦合模块的输入口，后续从站末端模块的输出口依次连接下一排从站耦合模块的输入口，网络中最后一个从站末端模块的输出口连接到CPU模块的输入口，从而构成冗余型环形网络。正常情况下数据在环形网络中沿一个方向传输，当其中任意IO模块故障损坏或从站之间的连接链路断开后，数据可以通过相反方向的路径传输，相应的后续从站不会从网络中脱离，不会导致控制系统的故障，实现链路冗余。
2.3" 冗余IO设计
系统针对加注控制系统中重要的IO信号，包括数字量输入的贮罐液位信号、数字量输出的阀门控制信号、模拟量输入的瞬时流量、模拟量输出的电动调节阀控制等，配置IO模块的1∶1硬件冗余，即每个需要冗余的IO点均为双路信号，配置IO冗余可以是两个模块之间的模板级冗余，也可以是一个模块上的两个通道的通道级冗余。据工程经验一般设计为两个一模一样的背板模块级冗余，两排从站的模块配置完全一致，一一对应冗余。
数字量输入冗余设计采用一分为二的接线方式，现场的信号通过接线端子分为两路信号分别进入两个DI通道，根据工程经验，软件配置“OR”策略，设置容差响应时间为500 ms，当两路通道值不一致时，取“或”值并赋值给冗余结果变量，当差异维持超过500 ms后，钝化未发生变化的通道。模拟量输入冗余设计采用一分为二的接线方式，现场的信号通过安全隔离栅分为两路信号分别进入两个AI通道，根据工程经验，软件配置“High Value”策略，设置容差响应时间为500 ms。当两路通道值不一致时，取数值较大的值并赋值给冗余结果变量，当差异维持超过500 ms后，钝化数值较低的通道。数字量输出冗余设计采用输出并联接线方式，两个通道输出线并起来接到同一个设备上。模拟量输出冗余设计采用输出并联的接线方式，将两个输出各输出一半的电流合为完整输出，一旦一个通道断线，另一个通道会输出全部电流[10]。冗余IO的接线示意如图3所示。
IO的通道或模块发生钝化，系统不会自动解钝化，需要软件进行解钝化并进行下一次冗余判断。
2.4" 冗余电源设计
针对冗余CPU模块，每个CPU模块配置两块具有冗余功能的电源模块，放置在CPU模块的前两位，针对从站模块，每排从站配置两块电源模块紧挨排列在导轨前两个槽位，为整排模块提供稳定可靠性的电源，当主电源出现故障时，备用电源无缝切换自动投入工作，降低因电源故障导致系统停机的风险。
3" 系统试验与结果分析
3.1" 冗余试验
冗余试验一般在出厂试验自检阶段开展，可采用模拟故障注入的方法验证控制系统在各冗余设计环节的可靠性。
冗余CPU试验采用模拟CPU宕机、CPU运行故障、CPU链路故障等方法，试验当主CPU不能正常工作时，备CPU是否能迅速升主并接管工作，保证系统持续正常运行。冗余链路试验采用模拟网线或光纤断开的方法，试验当系统中的链路发生部分断开时，系统的数据采集和控制输出是否工作正常。冗余IO试验采用模拟信息采集线路断开、控制输出信号断开、IO模块断电等方法，试验当外部设备断开或IO模块工作异常时，系统的数据采集和控制输出是否工作正常。冗余电源试验采用模拟CPU和IO所在从站的一个电源故障时，CPU和从站是否工作正常，系统供电是否未受影响。试验结果如表2所示。
试验结果表明，系统在出现单点或双点网线故障、单个CPU/IO/电源模块故障、单个设备接线故障时，可以利用冗余机制使得系统仍然正常运行不受影响，系统的数据采集和控制输出正常，保障了加注控制系统的可靠运行。
3.2" 加注试验
模拟加注控制系统中还有一套与超御控制系统作对比的西门子控制系统，该系统与超御系统的机柜硬件接口定义一致均采用航插形式，软件程序功能一致，工艺运行参数一致。模拟加注控制系统运行界面如图4所示。
加注试验共进行了四组加注泄回试验，每组试验首先在超御控制系统上分别对一级、二级、三级贮箱进行加注后再泄回的操作，然后在西门子控制系统上做同样的操作，并记录一级、二级、三级加注的加注时间和加注量，然后计算西门子控制系统和超御控制系统的加注时间差值，如表3所示，分别计算西门子控制系统、超御控制系统与理论加注量的差值，如表4所示。
试验结果表明，超御控制系统与西门子控制系统的加注时间差值均在7 s以内，总加注量与理论加注量的差值均在0.8 L以内，存在的误差可能与电磁阀的开关时间和系统的响应时间有关，基本能满足加注控制系统的实际需求，完成加注、泄回等任务。
4" 结" 论
本文将国产PLC应用于加注控制系统，设计CPU冗余、IO冗余、链路冗余、电源冗余以提高控制系统的连续性、稳定性和可靠性。试验表明国产超御控制系统能够实现加注过程的自动化操作，能够精确控制加注的速度和流量，控制系统运行稳定可靠，满足加注系统的控制要求和可靠性要求。
参考文献：
[1] 谭永华.中国重型运载火箭动力系统研究 [J].火箭推进，2011，37（1）：1-6.
[2] 郝龙，徐光，李蕾，等.计算机控制技术在推进剂加注系统中的应用 [J].导弹与航天运载技术，2015（4）：58-61.
[3] 李俊，周李成，周慧，等.基于PLC的常规加注模拟训练设备控制系统的设计与实现 [J].计算机测量与控制，2016，24（6）：117-120.
[4] 田波，陈少将，王宁，等.某推进剂加注监控系统设计与实现 [C]//第十一届全国信号和智能信息处理与应用学术会议.贵阳：计算机工程与应用，2017：424-428.
[5] 张雷杰，袁学飞，徐浩.基于冗余PLC低温加注集散控制系统研究 [J].导弹与航天运载技术：中英文，2023（1）：43-47.
[6] 林浩，杨政厚，霍玉鲜.国产PLC发展现状及展望 [J].电子技术应用，2023，49（4）：21-27.
[7] 吴成德.冗余PLC在柴油机控制系统中的应用 [J].现代制造技术与装备，2019（12）：149-150+152.
[8] 徐峰.城市轨道交通信号系统冗余设计及备用控制中心配置方案 [J].城市轨道交通研究，2023，26（11）：244-248.
[9] 吴海翔，盛亚英.基于ITCC与PLC的自动化控制系统优化设计与实践应用 [J].制造业自动化，2021，43（10）：79-82.
[10] 刘雪飞，苏师师，蒯亮，等.基于国产PLC的分布式I/O冗余方法研究 [J].电子技术应用，2021，47（4）：82-86.
作者简介：张超（1992—），男，汉族，陕西宝鸡人，工程师，硕士研究生，研究方向：工业自动化、工业控制。
