高大平

【摘要】生產(chǎn)活動(dòng)要求工業(yè)裝置能夠持續(xù)運(yùn)行，不出現(xiàn)任何停頓，在這一背景條件，無論是可靠性多么精良的PLC均無法保證零故障。為滿足連續(xù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，冗余控制應(yīng)運(yùn)而生，并成為提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要手段。本文首先對(duì)冗余控制進(jìn)行概述，然后介紹軟冗余工作原理，最后具體研究主備切換時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】PLC；軟冗余系統(tǒng)；性能；研究

PLC是一種常用的控制器，常常被應(yīng)用到自動(dòng)化系統(tǒng)中，技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了冗余系統(tǒng)的形成，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，PLC冗余主要包含軟冗余以及硬冗余，其中軟冗余系統(tǒng)被大面積應(yīng)用在冶金制造與化生產(chǎn)等工業(yè)控制活動(dòng)中。

一、冗余控制概述

冗余控制是指借助某些設(shè)備構(gòu)建成控制系統(tǒng)，以此來進(jìn)行控制，若某一設(shè)備出現(xiàn)故障，可借助人為方式切換，充當(dāng)后備設(shè)備，以此來取代故障設(shè)備，不影響常規(guī)工作，讓控制設(shè)備由于意外所產(chǎn)生的停機(jī)損失減小至最低。冗余控制還包含同步這一定義，主要是說冗余系統(tǒng)內(nèi)部的若干個(gè)處理器不定期對(duì)比各自狀態(tài)，依照一定規(guī)則判斷系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)。依照冗余實(shí)現(xiàn)方式可將冗余劃分成下述幾個(gè)類型：

（一）硬冗余

借助特殊硬件模塊完成PLC內(nèi)部同類故障之間有效切換的一種冗余類型。

（二）軟冗余

通過編程完成PLC內(nèi)部同類故障類型的有效切換的一種方式。主要包含熱冗余、暖冗余和冷冗余，其中熱冗余一般在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，利用特定硬件評(píng)判與獨(dú)立備份，有效切換至備用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步運(yùn)行；暖冗余主要借助編程方式完成冗余。因軟冗余實(shí)現(xiàn)存在多種制約因素，系統(tǒng)切換時(shí)間與硬冗余相比偏長，部分軟冗余還將在主設(shè)備出現(xiàn)切換時(shí)形成間隙，有些需要進(jìn)行人為簡(jiǎn)單干預(yù)方可實(shí)現(xiàn)；冷冗余指代某些冗余設(shè)備處于不通電不工作狀態(tài)，隨時(shí)待命，在主設(shè)備出現(xiàn)故障應(yīng)利用人工操作來恢復(fù)，依據(jù)現(xiàn)在觀點(diǎn)進(jìn)行界定，這并非真正的冗余，主要將其理解為備件，常常應(yīng)用在實(shí)時(shí)性不突出、工藝連續(xù)性不嚴(yán)格的情形中。

二、軟冗余基本工作原理

代表性PLC軟冗余系統(tǒng)具體組成見圖-1。

在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)階段，兩個(gè)CPU一起啟動(dòng)，共同運(yùn)行，然而，在正常運(yùn)行環(huán)節(jié)有且僅有一個(gè)CPU可下達(dá)控制命令，一般為主CPU，而備CPU則對(duì)主CPU狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和記錄，待主CPU出現(xiàn)故障時(shí)可保留實(shí)際狀態(tài)，并取代主CPU，下達(dá)執(zhí)行命令。IM153-2模塊和主CPU存在聯(lián)系，當(dāng)這一模塊達(dá)到激活狀態(tài)，主CPU可以訪問I/O模塊，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)特定故障，便可進(jìn)行主備切換，利用備站接替主站，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步運(yùn)行。故障一般表現(xiàn)為CPU、電源與總線網(wǎng)絡(luò)故障等。

PLC軟冗余系統(tǒng)為完成軟冗余功能，則應(yīng)面向程序選取冗余軟件包內(nèi)部的功能模塊。針對(duì)PLC各自循環(huán)執(zhí)行周期，主系統(tǒng)首先選取FB101接收，同時(shí)研究備系統(tǒng)狀態(tài)，再實(shí)施冗余程序，并調(diào)用FB101，把同步數(shù)據(jù)傳輸至備系統(tǒng)。但備系統(tǒng)優(yōu)先選擇FB101接受，同時(shí)研究主系統(tǒng)狀態(tài)，超越冗余程序，并將備系統(tǒng)傳輸至主系統(tǒng)。在這一過程應(yīng)明確，完成冗余功能的關(guān)鍵模塊FB101實(shí)施時(shí)首先研究主備系統(tǒng)狀態(tài)，隨后傳輸數(shù)據(jù)。因軟件一般按照規(guī)定順序來實(shí)施，當(dāng)接收故障信息常常出現(xiàn)故障處理問題。綜合來說，軟件順序?qū)嵤w系是引發(fā)軟冗余切換偏長的根本原因。

三、主備切換時(shí)間研究

主備切換時(shí)間具體指代主站系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，立即檢測(cè)，再切換至備站系統(tǒng)取代主站工作時(shí)間。

（一）主CPU故障研究

當(dāng)出現(xiàn)主CPU故障時(shí)，ET200M站內(nèi)部主通信接口模塊失聯(lián)于主CPU，自發(fā)圍繞主備通信接口模塊完成切換，且備CPU針對(duì)主CPU傳輸備站狀態(tài)的過程發(fā)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸問題，隨機(jī)切換到主CPU。因故障只有被檢測(cè)方可實(shí)現(xiàn)主備切換，另外，當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，備CPU恰巧才調(diào)用FB101，達(dá)成發(fā)送功能，則備CPU應(yīng)面向下一周期啟動(dòng)發(fā)送功能時(shí)方可檢測(cè)通信連接問題，在等待調(diào)用接收功能環(huán)節(jié)備CPU轉(zhuǎn)變?yōu)橹鰿PU。在這一過程，主備切換時(shí)間達(dá)到極限，且最長，具體表現(xiàn)為PLC自身的循環(huán)掃描周期與二倍冗余功能塊完成時(shí)間的差值。

（二）主站故障研究

如果在Profribus或者ET200M內(nèi)部主站出現(xiàn)故障，將通過備IM153檢測(cè)明確主IM153故障，有效切換至主IM153。而主CPU由于失聯(lián)于故障IM153，最終出現(xiàn)OB86中斷，同時(shí)在中斷環(huán)節(jié)借助診斷模塊FC102實(shí)現(xiàn)各從站切換，同時(shí)將自己列入備用行列，再把主CPU故障傳輸?shù)絺銫PU，當(dāng)備CPU發(fā)現(xiàn)故障信息后，立即切換至主CPU，此時(shí)切換時(shí)間是OB86中斷呼應(yīng)時(shí)間、相應(yīng)執(zhí)行時(shí)間、故障問題傳輸時(shí)間與完全接收故障數(shù)據(jù)至主備切換這三項(xiàng)時(shí)間總和。由于OB86僅僅選取FC102診斷模塊，因此，F(xiàn)C102執(zhí)行時(shí)間關(guān)乎著故障問題傳輸時(shí)間。經(jīng)由數(shù)據(jù)測(cè)量能夠明確FC102執(zhí)行時(shí)間大多分布在調(diào)用SFC58針對(duì)ET200M編寫數(shù)據(jù)程序中，SFC58對(duì)用的調(diào)用次數(shù)與ET200M從站個(gè)數(shù)相等，由此可知，故障問題傳輸時(shí)間等于SFC58調(diào)用一次所需時(shí)間與ET200M總量的乘積，經(jīng)由檢測(cè)發(fā)現(xiàn)SFC58調(diào)用一次所需時(shí)間通常為3ms。故障問題傳輸時(shí)間和主CPU內(nèi)部OB86中斷形成的時(shí)刻存在很大關(guān)聯(lián)。若主CPU提早出現(xiàn)OB86中斷，一般發(fā)生在調(diào)用FB101落實(shí)發(fā)送功能前期，那么在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，主CPU直接將故障問題傳輸至備站，在該情形中故障問題傳輸時(shí)間最短。然而，如果主CPU調(diào)用FB101落實(shí)發(fā)送功能時(shí)出現(xiàn)OB86中斷，那么主CPU將初始數(shù)據(jù)傳輸完畢方可傳輸故障狀態(tài)至備站。同時(shí)，如果初始數(shù)據(jù)傳輸完成滯后于主CPU落實(shí)發(fā)送功能，那么在下個(gè)周期調(diào)用這一功能時(shí)方可傳輸主站故障問題，此時(shí)對(duì)應(yīng)的故障問題傳輸時(shí)間最長，一般為二倍傳輸一次數(shù)據(jù)時(shí)間與PLC對(duì)應(yīng)循環(huán)掃描周期和，再與冗余功能模塊落實(shí)時(shí)間的差值。

數(shù)據(jù)接收完全至主備切換時(shí)間關(guān)乎著備站徹底接收故障問題時(shí)刻。如果數(shù)據(jù)接收完成滯后于CPU調(diào)用FB101后，那么備CPU則應(yīng)等到后一周期調(diào)用接收功能方可獲取主站狀態(tài)，同時(shí)，在調(diào)用環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換至主CPU，在這一時(shí)刻，故障問題數(shù)據(jù)徹底接收至主備切換時(shí)間取得最大值。對(duì)比Profibus總線方式和西門子PLC內(nèi)部的MPI發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間內(nèi)前者可傳輸更多字節(jié)數(shù)據(jù)，然而，此種方式也應(yīng)額外配置通信模塊。另外，用戶程序長度影響著循環(huán)掃描周期。代表性中等大小的PLC控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得出主備切換時(shí)間落在150-500ms這一范圍。

四、使用條件

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些能夠使用軟冗余且獨(dú)特的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其一次最短控制時(shí)間避免過于太短，若太短使得軟冗余切換不符合規(guī)范要求，當(dāng)不滿足規(guī)范要求時(shí)，則應(yīng)通過縮減ET200M來達(dá)到規(guī)范要求，具體是說把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)劃分成若干冗余控制系統(tǒng)，一般應(yīng)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)合科學(xué)分解。當(dāng)一次軟冗余極限切換時(shí)間貼近最短控制時(shí)間，則應(yīng)考慮通過數(shù)據(jù)同步時(shí)間縮短來達(dá)到規(guī)范要求，換而言之，應(yīng)保證一次軟冗余極限切換時(shí)間小于最短控制時(shí)間。

結(jié)語

控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，常常進(jìn)行停機(jī)操作，也可手動(dòng)修理，這要求系統(tǒng)穩(wěn)步運(yùn)行，且對(duì)運(yùn)行速度提出具體規(guī)定。本文著重研究PLC軟冗余系統(tǒng)，每當(dāng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)借助快速反應(yīng)完成主備切換體系，利用備站代替主站，讓系統(tǒng)時(shí)刻處于運(yùn)行狀態(tài)，免除相應(yīng)修理與調(diào)節(jié)操作。當(dāng)主備切換實(shí)施后，備用系統(tǒng)憑借最后一次健全的同步數(shù)據(jù)來完成控制任務(wù)。主備切換功能除可增加系統(tǒng)穩(wěn)定性外，還可縮減成本。然而，因主備切換偏長，系統(tǒng)在某一時(shí)刻不具備控制功能，所以，一般不適用于實(shí)時(shí)性嚴(yán)苛的控制場(chǎng)合，主要應(yīng)用在實(shí)時(shí)性不嚴(yán)格的情形中。

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