工业自动化的典型案例：热电厂集中监控系统的设计，提供软硬件解决方案

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项目背景及可行性分析

       

•                 项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况
  

        项目名称：基于FPGA动态局部重配置技术的热电厂集中监控系统

          项目内容：基于可动态局部重配置的FPGA设计DCS系统的各个模块，实现了对小型热电厂进行集中控制，从而代替了价格昂贵的DCS系统。
          目前的进展情况：模块设计阶段
           

       

•                 项目关键技术及创新点的论述
  

            关键技术：FPGA动态局部重配置技术是近几年才发展起来的一项新技术。这项技术可以使FPGA运行时，通过JTAG或SelectMAP（ICAP）动态重配置部分区域，而不影响非重配置区域的正常工作。
          创新点：在现代的工业自控当中对大型工业流程的分散处理、统一管理成本较高，而且设备的工业级实时监测系统和视频监控系统都需要进行大量的处理，使得成本高，但集中调控性不强，而本系统通过对FPGA的区域配置，将上述功能集于一身；不仅成本低廉，体积较小，并且工业级效率也会优于现在主流产品；而且全方位、立体化的集中控制，更可以在异常出现时，通过应用FPGA动态局部重配置技术，第一时间做出反应，由于工业生产车间有很多工作人员不易于频繁到达的区域，本系统可以提供异常发生时刻的视频图像及数据，便于先进行远程初步诊断以确定解决方案。
           

       

•                 技术成熟性和可靠性论述：
  

          由于现在FPGA都已经发展到了百万门级，如virtexⅡpro已经集成了两个PowerPC硬核，它支持动态局部可重配置。目前在FPGA上开发PLC软核已成为可能，从而简化了模拟DCS系统的过程。另外FPGA开发板上扩展了十分丰富的外设，使得与传感器通信以及外接触摸屏、摄像头成为可能。
           
          通过以上分析，本项目的可靠性得到了保证，相信加上我们小组丰富的开发经验，该项目在技术上也会越来越成熟的。
           
          项目实施方案
          1.方案基本功能框图及描述

       

        图1热电厂集中监控系统功能模块框图

         

          前端DCS模块控制着分布在热电厂中用于控制磨煤机、送煤机等设备的PLC，使得机械设备按工艺程序运转；根据温度、湿度、压力等传感器返回的数据在触摸屏上给出波形或数据显示，并根据这些数据自动的调整前端DCS控制；视频采集系统不间断记录现场情况；当由传感器返回的数据得知工业现场发生异常时，自动对其进行调整并报警，工作人员可根据异常时刻的视频图像进行人为判断处理。
         
          2.需要的开发平台
          (1) 实现本方案所需要的基本功能、功能、接口：
          平台上的FPGA含有ICAP，支持动态内部重配置；
          平台上含A/D，D/A，采样时钟可达到80MHz；
          平台上的FPGA时钟速率至少100MHz；
          平台上的FPGA有多个DCM；
          支持PowerPC；
          平台上含DRAM、SRAM或FLASH存储器。
           
          (3) 所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台
          目标平台为Virtex II Pro开发平台，原因如下：本项目属于自动控制监测处理系统，需要硬件处理平台具有较高的处理速度和丰富的逻辑资源以实现实时诊断，而Virtex-II Pro XC2VP30含有3万个Logic cells，8个DCM，因此能够胜任本设计；本项目需要该开发板中的ICAP协助重配置开发；另外板上FPGA内含有两个PowerPC硬核，便于进行嵌入式软件开发和控制流设计。
           
          需要的开发工具包括MATLAB、ModelSim、XilinxISE、EDK等。
           
          2.方案实施过程中需要开发的模块
          如图1本方案中需要研制、开发的功能主要模块如下：

       

•                 动态可重配置的前端DCS功能模块；        
  
•                 动态可重配置的传感器功能模块；        
  
•                 视频采集模块；        
  
•                 触摸屏模块；        
  
•                 存储模块；
  

          采用模块式开发方式。
           
          3.系统最终要达到的性能指标
          论述本项目最终完成时所设想达到的目标。（有待修改，稍后奉上）
           
          需要的其它资源
          1.设计输入输出功能子板
          子板功能描述、接口说明、时间、方式（有待修改，稍后奉上）
          2.测试设备
          包括直流稳压电源、万用表、示波器、逻辑分析仪等