罗克韦尔自动化提供的PLC控制器及其它模块，能够适应南极恶劣的作业环境，为南极冰穹A搭建了 可靠的科考支撑平台的主控系统 ，保证无人值守的科考支撑平台在高原极寒中可靠安全地运行。
使用罗克韦尔自动化公司的产品1756-L61 ControlLogix控制器和输入输出模块搭建了南极科考支撑平台的现场主控系统，该子系统是南极冰穹Dome A自动天文观测站的控制中枢，实现了对电源系统、观测仪器设备、舱内外温度等观测站现场运行环境和设备的自动监测与控制。除了完成上述现场监控的功能外，还使用了罗克韦尔自动化公司的产品1756-EWEB模块，使得主控系统可以通过铱星通信来执行国内监控系统发出的远程控制指令，实现对各观测仪器(包括网络摄像机)的遥操作。
现场主控系统需要并已经实现的具体功能包括以下几点：
• 各发电机组的状态监控与运行调度
• 发电舱和仪器舱的温度控制
• 各观测仪器的供电和过流保护
• 各观测仪器和关键设备的温度控制
• 执行对各观测仪器的远程控制操作
背景
南极冰穹A(Dome A)是南极冰盖的最高点，如图1所示，是一块海拔4093米，长60千米、宽15千米的水滴状平台，高低起伏只有几米；气温在零下35度至零下83度，是地球上最冷的地方之一；该地区只有0.5个大气压，空气稀薄。虽然冰穹A环境恶劣，但它提供了优越的视宁度条件，可以获得几乎可与空间望远镜媲美的图像质量。同时，Dome A还提供了一个天然的低温观测环境，十分有利于开展地面热红外观测。此外，Dome A极端干燥的大气，在太赫兹波段，为天文学打开了新的观测窗口，使得人类可以雄心勃勃的探讨宇宙在这些波段的神秘景象。这些优越条件使得其成为地球上最好的天文观测地点之一。
尽管Dome A为天文观测活动带来了很多的便利，但是其低温低压的自然环境为科学考察的开展带来了很大的难题。首先，每年要花费大量的人力物力保证各科考站有充足的能源和物资供给。其次，由于环境恶劣，科考人员驻扎Dome A的时间非常短。这些使科学家错过了很多珍贵的天文数据和现象，减缓了天文科学发展的脚步。在面临上诉困难和问题，我国科学家提出要建立具有自主知识产权的南极冰穹A科考支撑平台以实现全年无人自动运行的天文观测活动，借此摆脱我国极地天文观测相对落后的尴尬局面。
南极冰穹A科考支撑平台为在南极Dome A进行自动天文观测和其他科学探测提供所需的能源动力、远程遥测与遥控、海量科学数据存储、通信和数据传输，以及环境保障。其结构如图2所示。
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科考支撑平台包括以下5个子系统：
• 结构与温控系统，该子系统主要功能是在南极冰穹A极寒、低气压、缺氧气候条件下构建适合自动天文观测站各种设备正常工作运行的舱内环境条件。
• 电源系统，该子系统负责向自动天文观测站中所有设备、仪器提供电源，对整个科考站的正常运行起着至关重要的能源保障作用。
• 现场主控系统，该系统实现对电源系统、观测仪器设备、舱内外温度等观测站现场运行内外环境和运行设备的自动监测和控制，同时，该系统还负责执行国内监控系统发出的远程控制指令，实现对各观测仪器的遥操作。
• 数据存储系统，该子系统是南极自动天文观测站的数据收发处理中心。通过铱星猫和国内远程计算机连接，实现重要数据回传，并向PLC下达远程控制命令。
• 通信及国内监控系统，该子系统起着连接国内与南极的通信桥梁和控制中心作用， 位于国内中国南极天文中心，是南极自动天文观测站的国内监测、控制和数据接收与存储中心。
现场主控系统位于南极冰穹A自动天文观测站内，是整个系统的现场控制中枢。采用罗克韦尔自动化产品，搭建了科考支撑平台的主控系统。该平台于2010年10月搭雪龙号极地考察船成功运往南极，并于南极冰穹Dome A成功调试运行。
挑战
科考支撑平台现场环境如图3所示，两个集装箱分别为电源舱(前端)和仪器舱(远端)，相距50m以上。
在南极冰穹A高原极寒、低气压的极端恶劣环境下，要保证无人值守的科考支撑平台的可靠安全地运行，这对现场的控制系统提出了极高的要求。
主控系统在南极的低温低压环境下需要完成以下控制指标：
• 保持发电舱温度：0 °C ~ 15 °C
• 保持仪器舱温度：-20 °C ~ 20 °C
• 发电舱温控功耗：< 250 W
• 仪器舱温控功耗：< 500 W
• 保温要求：在发电机不工作情况下，舱内温度在半天内不会降到-10 °C以下(环境温度为-80 °C)
主控系统在科考支撑平台中扮演了非常重要的角色，需要完成极高要求的控制，这必然要求系统本身具有非常高的可靠性，实时性。面对现场可能发生的各种意外情况，需在第一时间内做出响应，完成本地控制，并且自主向国内监控中心发回消息。
系统在南极运行时，每半小时主动向南京监控中心发送一次平台数据，包括电流电压值、舱内外温度值、舱内燃油浓度、燃油液位和各个继电器的闭合状态等。
采用罗克韦尔自动化提供的PLC控制器及其它模块，就是为了保证平台能够在恶劣环境下，可靠地运行。
竞争优势
考虑到南极现场环境恶劣，无人值守，为了平台能够长期可靠运行，对主控系统硬件要求很高。罗克韦尔自动化的ControlLogix支持以太网，采用开放的ControlNet标准，并且具有冗余控制解决方案，符合平台既要采用控制器冗余，又要采用通信介质冗余方案的需求。并且罗克韦尔自动化的ControlLogix冗余控制系统在俄罗斯极寒地区有多个应用成功的案例，其1794系列I/O XT模块能够在零下45度环境下可靠工作，所以选用基于ControlLogix，ControlNet和1794远程I/O模块的冗余控制系统。
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罗克韦尔自动化的冗余控制器设计时，保证主从控制机架的型号、机架内模块的型号、固件版本号、节点地址(IP地址)及位置完全相同。冗余机架之间使用1757-SRM模块通信。当主机架的任一组件发生故障，控制权切换到从控制器。切换时间由故障类型和ControlNet网络的网络刷新时间决定， 一般在80ms~220ms之间，满足主控系统的控制要求。
采用的双机架硬件冗余，提供主从两个机架，一旦其中主机出现异常，迅速切换到备机，提高了系统的可靠性。
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解决方案
ControlLogix 冗余PLC控制器放置在仪器舱保温箱内，仪器舱内还设有4个站点。由于仪器舱内温度比发电舱低，故这里均采用了增强型低温I/O模块，在-20 °C条件下，依然能够可靠工作。发电舱内设有2个站点，采用的均是常温I/O模块。
发电舱和仪器舱自间相距大约50米，由于连接两个舱的同轴电缆需要暴露在南极低温环境下，所以选用可在-80°C环境下运行的低温同轴电缆。
基于ControlNet的标准型冗余控制系统拓扑结构如图4所示，主控系统实际组态结构如图5所示。
效果
科考支撑平台于2011年1月份在南极Dome A成功运行，下面是平台主动传回国内的数据，如图6所示3号发电机组的电压和电流值，主控系统的本地数据采集、与数据存储系统通信以及铱星通信一直处于畅通无故障状态；三号发电机电压值工作时接近250V，电流值工作时在3A左右，表明三号发电机工作正常，即主控系统的PLC控制器以及各模块均正常运行。
京公网安备 11011202001138号
