冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用趙中敏（淮海工學(xué)院東港學(xué)院,222069 ）摘要：在實(shí)施工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的過(guò)程中，容錯(cuò)技術(shù)是一種滿足連續(xù)生 產(chǎn)要求，提高控制系統(tǒng)可靠性和可用性的有效手段。本文以容錯(cuò)技術(shù) 中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為例,簡(jiǎn) 單介紹了幾種冗余控制的類型和實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)PLC控制系統(tǒng)中常 有的處理器冗余、通信冗余、I/O冗余和電源冗余等類型的冗余,從 原理、實(shí)現(xiàn)方式等方面進(jìn)行了分析和噥。關(guān)鍵詞:PLC系統(tǒng)；可靠性;容錯(cuò)技術(shù)；冗余設(shè)計(jì)The application of redundancy design in PLC control systemZHAO Zhon

2、g minAbstract : In the process of industry product!on automation, fault toleranee technique is a kind of available method to satisfy to produce continuously and improve control system credibility and availability. This text briefly introduces a few redundancy type and realization way with the applic

3、ation of redundancy design in PLC control system Then analyzes and compares the redundancy type such as redundancy of processor, redundancy of communication, redundancy of I/O and redundancy of power supply.Key words : PLC system; reliability; faulttoleranee technique;redundancy designPLC系統(tǒng)要正常地發(fā)揮其功能

4、，首先必須穩(wěn)定、可靠地工作?？煽啃?是系統(tǒng)和產(chǎn)品的主要屬性之一,是考慮到時(shí)間因素的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)于 提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費(fèi)用和防止產(chǎn)品發(fā)生故障具有重要意 義。影響PLC系統(tǒng)可靠性的因素很多，因此，提高其可靠性的途徑 也很多。根據(jù)可靠性理論進(jìn)行預(yù)測(cè)和分配是基本的思路。這里從另幾 個(gè)方面進(jìn)行分析，以提供更多的思路。1容錯(cuò)技術(shù)容錯(cuò)技術(shù)能夠自動(dòng)、適時(shí)地監(jiān)測(cè)并診斷出系統(tǒng)的故障，然后采取相應(yīng) 的故障控制或處理方法啟動(dòng)修復(fù)或在線修復(fù)故障。隨著工業(yè)自動(dòng)化、 柔性化和集成化程度越來(lái)越高。為了有效地保證系統(tǒng)正常工作，就必 須提高系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)可靠性的重要途經(jīng)，能在 定條件下允許系統(tǒng)出現(xiàn)故障

5、而不影響系統(tǒng)功能的發(fā)揮，大大提高了 系統(tǒng)的可靠性。PLC系統(tǒng)故障一般可以分為兩大類:類是先天的固有故障,如元器 件生產(chǎn)過(guò)程中造成的故障，需對(duì)其拆卸、更換、或改正；另一類故障 是后天的永久性、瞬間性或間歇性故障，是由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn) 生的缺陷所致的，造成這一類故障的原因很多，夕卜部原因包括溫度、 濕度、振動(dòng)、沖擊、噪聲、停電等因素及操作人員過(guò)失等人為因素， 內(nèi)部原因包括系統(tǒng)的偶然性故障和長(zhǎng)時(shí)間使用后性能老化，以及經(jīng)過(guò) 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)仍未能發(fā)現(xiàn)的軟件和硬件缺陷等引起的故障。容錯(cuò)技 術(shù)主要針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的永久性、瞬間性和間歇性故障進(jìn)行容錯(cuò)設(shè) 計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中規(guī)定了可靠性指標(biāo)，并按一定的方法

6、把可靠性指標(biāo) 分配給組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)、設(shè)備和元器件后,就需要研究實(shí)現(xiàn)這個(gè)可 靠性指標(biāo)的可能性。容錯(cuò)設(shè)計(jì)就是對(duì)發(fā)生或可能發(fā)生故障的系統(tǒng)及其 組成單元進(jìn)行分析,鑒別其故障模式、故障原因或故障機(jī)理,估計(jì)該 故障模式對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響,采取容錯(cuò)方法保證可靠性指標(biāo)分 配。容錯(cuò)設(shè)計(jì)的主要方法是系統(tǒng)冗余。特別要指出，并不是所有的系統(tǒng)故 障都能用容錯(cuò)技術(shù)加以解決,這也是容錯(cuò)技術(shù)不能等同于可靠性理論 的原因。2冗余設(shè)計(jì)容錯(cuò)技術(shù)的關(guān)鍵是冗余技術(shù)，即采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運(yùn) 行或處于準(zhǔn)備狀態(tài),一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動(dòng)切換，保持系統(tǒng)不間 斷地正常工作。冗余控制的概念，嚴(yán)格來(lái)講是采用一定或成倍量的設(shè) 備或元器

7、件的方式組成控制系統(tǒng)來(lái)參加控制。當(dāng)某一設(shè)備或元器件發(fā) 生故障而損壞時(shí)，它可以通過(guò)硬件、軟件或人為方式，相互切換作為 后備設(shè)備或元器件,替代因故障而損壞的設(shè)備或元器件，保持系統(tǒng)正 常工作,使控制設(shè)備因意夕卜而導(dǎo)致的停機(jī)損失降到最低。提到冗余， 這里還有一個(gè)概念同步(synchronization)e它是指冗余系統(tǒng)的 兩個(gè)或多個(gè)處理器之間要經(jīng)常比較各自的狀態(tài)，根據(jù)一走的規(guī)則以決 定系統(tǒng)是否工作在正常的狀態(tài)。這種狀態(tài)比較和系統(tǒng)可靠性的判定被 稱作同步。冗余控制的方式在工控領(lǐng)域根據(jù)不同的產(chǎn)品和客戶不同的需求有多 種多樣，采用的方式也不盡相同。般根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用和客戶需求的不同，冗余控制可分為：a處理器冗余

8、(CPU冗余)；b通信冗余(網(wǎng)絡(luò)冗余)；c. I/0冗余；d. 電源冗余。按冗余的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)分大致可分為：a.硬冗余(hardredundancy)，即采用特殊的硬件模塊或PLC中固化的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC同步、故障切換的冗余方式；b軟冗余(soft redundancy)即采用編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC同步、 故障切換的冗余方式。按冗余的切換方式來(lái)分大致可分為:a熱冗余（熱備hot back）,即硬冗余方式,當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，通過(guò) 特定硬件判別、備份方式無(wú)間隙地自動(dòng)切換到備用設(shè)備上，保持系統(tǒng) 正常運(yùn)行；b暖冗余（暖備或溫備warm back） f即軟冗余方式,主要通過(guò)編 程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。由于軟冗余的

9、實(shí)現(xiàn)受多方因素制約，系統(tǒng)切換的 時(shí)間較硬冗余稍長(zhǎng),因此部分軟冗余可能會(huì)使主設(shè)備在發(fā)生切換時(shí)有 間隙或需要人為簡(jiǎn)單干預(yù)或預(yù)置才得以完善；c冷冗余（冷備coldback） z即一套或部分冗余的設(shè)備（如:CPU）不通電、不工作，準(zhǔn)備待命（人為預(yù)置好）。當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)需要人工 恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。按照現(xiàn)在的嚴(yán)格定義”這種方式,并不算是冗余,只 作備件理解。這種冗余一般應(yīng)用于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、工藝連續(xù)性要求不高 的場(chǎng)合。I/O冗余、電源冗余大多數(shù)屬于硬冗余范疇，而處理器冗余、通信冗余（網(wǎng)絡(luò)冗余）既可采用硬冗余實(shí)現(xiàn)也可以采用軟冗余實(shí)現(xiàn)。一般硬冗余與軟冗余相比，硬冗余投入較大，冗余實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單， 系統(tǒng)性能較可

10、靠，系統(tǒng)的切換速度較快。適合于生產(chǎn)工藝要求較高、 反應(yīng)速度較快的裝置和生產(chǎn)線。軟冗余投入的成本比硬冗余小,軟冗余不需要特殊的冗余模塊或軟件支持，但在冗余實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)維護(hù)方面 比較繁瑣并且一般的軟冗余切換的速度稍慢，系統(tǒng)性能主要取決于編 程者的編程水平和所選硬件的品質(zhì)，這類冗余方式t匕較適用于生產(chǎn)工藝流程要求不太高、反應(yīng)速度較慢、開(kāi)停要求不嚴(yán)的裝置和生產(chǎn)線。3冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1處理器冗余控制系統(tǒng)中處理器采用一用一備或一用多備的方式，在主處理器發(fā)生 故障時(shí),備用處理器自動(dòng)投入運(yùn)行（稱故障切換或系統(tǒng)切換），直接接 管控制,維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。處理器冗余可采用硬、軟冗余方式實(shí)現(xiàn)。硬冗余

11、是指采用兩套處理器 和熱備模塊同時(shí)工作，但兩套的工作方式不同，一套（主處理器）處于 正常的直接運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，系統(tǒng)有輸入也有輸出，另一套（從處理器） 也通電工作,也同時(shí)接受輸入信號(hào)，也參與數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算，與直 接運(yùn)轉(zhuǎn)的那套不同的是不輸出信號(hào),兩套之間采用硬件互聯(lián)方式進(jìn)行 處理器故障切換。系統(tǒng)除了成雙使用的處理器外,般還使用一套或 兩套熱備模塊，或者叫雙機(jī)單元。熱備模塊主要負(fù)責(zé)主/從處理器的 同步，檢測(cè)處理器的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行主/從處理器之間的數(shù)據(jù)高速傳 送,一旦發(fā)現(xiàn)主處理器故障失效,馬上將系統(tǒng)控制權(quán)切換至從處理器, 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)切換工作。從處理器變成主處理器對(duì)程序進(jìn)行同步掃描, 切換時(shí)從斷點(diǎn)處開(kāi)始

12、掃描，保持系統(tǒng)正常工作。處理器的同步機(jī)理多為定時(shí)同步或事件同步，其同步周期不盡相同, 事件同步的周期稍短。一般系統(tǒng)切換時(shí)間都能達(dá)到毫秒級(jí)，幾十至幾 百毫秒（取決于處理器中程序掃描周期和產(chǎn)品性能，如羅克韋爾AB 公司的Control Logix PLC切換時(shí)間小于100 ms）o這樣的冗余系統(tǒng) 在發(fā)生故障切換時(shí)所有的I/O點(diǎn)還沒(méi)來(lái)得及反應(yīng),切換已經(jīng)完成”因 而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，所有的外設(shè)正常工作不受影響,保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。 系統(tǒng)相對(duì)更穩(wěn)走，更安全，但成本較高。關(guān)于熱備模塊的使用，不同公司的產(chǎn)品各有不同的特點(diǎn)。有的熱備模 塊使用一個(gè),兩個(gè)處理器插在同一個(gè)底板（框架）上，如：歐姆龍公司 的 CS1D 和

13、 CVM1D。有的熱備模塊使用兩個(gè)，那么，它們是分屬于兩套底板（框架），兩個(gè) 熱備模塊之間一般采用特殊的電纜或光纖通信，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?步。如:Rock well公司的Control Logix系統(tǒng)和PLC5系統(tǒng)。但也有例外,如西門(mén)子公司的S7-400H可以把兩套系統(tǒng)（電源、處理器、 熱備模塊、通信模塊）插在同一個(gè)底板（框架）上,但實(shí)質(zhì)上是完全隔離 的兩個(gè)底板（框架），只是為了節(jié)省空間和成本。軟冗余方式是指處理器成雙使用，其中一個(gè)正常運(yùn)行，一個(gè)處于備用 狀態(tài)。當(dāng)主處理器故障失效時(shí),通過(guò)事先在處理器程序中編制主/從 處理器監(jiān)控程序（處理器心跳檢測(cè)）和主/從處理器數(shù)據(jù)交換處理程序 來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、判

14、斷主/從處理器的工作狀況,采用軟件方式將主處理 器切換至備用的從處理器，從而從處理器轉(zhuǎn)換成主處理器接替正常的 系統(tǒng)控制（如:簡(jiǎn)單地用通信電纜把2塊PLC處理器模塊連接起來(lái), 稱為熱備程序從PLC處理器模塊定時(shí)發(fā)消息查詢主PLC處理器模塊 的狀態(tài)信息，確定主/從處理器的判別位并實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦主PLC處 理器模塊響應(yīng)超時(shí)或存在致命的故障，則程序啟動(dòng)主/從切換部分（或 子程序）將主/從處理器的判別位更換,數(shù)據(jù)表更新”使從PLC處理器 模塊切換接替主PLC處理器模塊維持系統(tǒng)正常工作）。使用軟件實(shí)現(xiàn) 冗余的思路有很多，這只是其中一種。這種冗余方式不受硬件和系統(tǒng) 軟件的限制，切換速度主要取決于程序的大小、

15、程序掃描周期的長(zhǎng)短、 編程技巧以及處理器的品質(zhì)，通常較硬冗余慢，但成本較低。3.2通信冗余最常見(jiàn)的通信冗余是采用雙通道通信電纜。如雙纜Profibus通信、 雙纜Control Net通信、雙纜工業(yè)Ethernet通信。通信冗余也可采用硬、軟冗余方式實(shí)現(xiàn),通信冗余簡(jiǎn)單地可分為單模 塊雙電纜方式和兩套單模塊單電纜雙工方式通信。兩者均可實(shí)現(xiàn)通信 冗余，而前者要采用冗余通信模塊實(shí)施，屬硬冗余。后者采用普通通 信模塊通過(guò)軟件編程實(shí)施，屬軟冗余，但硬件量為前者的兩倍，成本 略高/較少米用。硬冗余是兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)比較,實(shí)際起作用的 是其中的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò),另一通信網(wǎng)絡(luò)作后備。而通信模塊則

16、實(shí)時(shí)監(jiān) 控兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送包數(shù)和接受包數(shù)之 差達(dá)到一定差值或發(fā)送的故障率、接受的故障率達(dá)到一定值時(shí),通信 模塊會(huì)將當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，由后備網(wǎng)絡(luò)接替工作，成為當(dāng)前 的通信網(wǎng)絡(luò)。原故障通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)報(bào)警提示工作人員處理。這種網(wǎng)絡(luò)切 換主要是由冗余通信模塊處理。軟冗余實(shí)際上是由兩套單網(wǎng)組成，由處理器程序去監(jiān)控兩通信模塊的 狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量,在處理器中限定當(dāng)前工作通信模塊和后備通信 模塊，從而限走當(dāng)前工作通信網(wǎng)絡(luò)和后備通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測(cè)到切換故 障（一般為通信模塊狀態(tài)故障位置位、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送超時(shí)、數(shù)據(jù)收發(fā) 率差值大于某一界定值等）發(fā)生,由處理器中程序改變當(dāng)前工作通信 模塊和

17、后備通信模塊的限定位（值），使通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換，同時(shí)給 出報(bào)警信息和描述,通知工作人員進(jìn)行處理。3 引/0冗余I/O冗余是指對(duì)同一個(gè)外設(shè)輸入或輸出點(diǎn)采用兩個(gè)或以上的I/O點(diǎn)與 其相對(duì)應(yīng)，它們同時(shí)工作（同時(shí)輸入、輸出）.當(dāng)其中一個(gè)發(fā)生故障 時(shí)，外設(shè)不受任何影響。相對(duì)于處理器和通信冗余,通常較少使用I/O 的冗余,而I/O的冗余在成本上會(huì)增加較多甚至翻倍。但在一些重要的應(yīng)用場(chǎng)合，使用I/O冗余的也不少。幾乎所有的DCS 控制系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)I/O冗余（部分DCS采用冷冗余方式,如：需要把 失效模塊的配線端子拆下來(lái)，安裝到此備用模塊上去。一般地這種模 塊都是支持熱插拔的。原來(lái)的霍尼維爾TDC3000就曾

18、采用過(guò)這種方 式）。在實(shí)施上模擬量I/O冗余比較容易實(shí)現(xiàn),只要在外設(shè)接線上作 設(shè)計(jì)即可。也有部分模擬量I/O冗余從成本方面考慮,在PLC側(cè)仍 然采用單點(diǎn)的模擬量輸入/輸出點(diǎn)，夕卜設(shè)部分信號(hào)使用配電器，使單 個(gè)信號(hào)分配為多路輸入/輸出到夕卜設(shè)，但這不能算作PLC I/O冗余。這樣的應(yīng)用以電壓型信號(hào)居多。開(kāi)關(guān)量I/O冗余的實(shí)施要在系統(tǒng)組態(tài) 和P L C編程方面作適當(dāng)?shù)目紤]（如:錯(cuò)開(kāi)尋址方式等）。一般I/O實(shí) 現(xiàn)了冗余的系統(tǒng)，處理器往往是硬冗余的，在輸出數(shù)據(jù)備份方面要作I/O冗余最常用的為冗余，而其他方式如1:1:1表決系統(tǒng)在 些工藝要求較髙、停機(jī)造成損失大的系統(tǒng)中也有采用，如安全監(jiān)控 系統(tǒng)、火電廠的鍋爐液位保護(hù)和汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng),石化行業(yè)的ESD 系統(tǒng)都采用這種方