PLC軟冗余系統(tǒng)軟硬件組成及實(shí)現(xiàn)原理

在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，大量選用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，甚至在此基礎(chǔ)上組建冗余系統(tǒng)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。冗余的分類方式很多。目前，采用的PLC冗余方式分為2種，即軟冗余和硬冗余。西門子公司在這2方面均給出了解決方案。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但構(gòu)建系統(tǒng)成本也較高。而基于S7-300或S7-400的軟冗余是一種綜合考慮提高可靠性和降低成本的折中方案。目前，軟冗余系統(tǒng)已經(jīng)在污水處理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍應(yīng)用。但目前對于軟冗余的性能，仍缺乏系統(tǒng)的研究。文中首先敘述西門子PLC軟冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，然后重點(diǎn)分析主備切換時(shí)間和數(shù)據(jù)同步時(shí)間，以便為類似控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1、 軟冗余實(shí)現(xiàn)原理
典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成案例如圖1所示。

圖1 典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)2個(gè)CPU均啟動(dòng)，但只有主CPU執(zhí)行控制命令，備用CPU檢測主CPU狀態(tài)，時(shí)刻準(zhǔn)備接替主CPU繼續(xù)工作。與主CPU通信的IMl 53—2模塊處于激活狀態(tài)使主CPU能訪問I／0模塊。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生特定故障時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主備切換，備站接替主站繼續(xù)運(yùn)行。這些故障包括：主機(jī)架電源、背板總線等故障；CPU故障；Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)故障；ET200M站的通信接口模塊IMl53故障。
PLC軟冗余系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)軟冗余功能，需要存程序中調(diào)用冗余軟件包的功能模塊，其主要包括：初始化冗余系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的FCl00模塊；故障診斷、主備切換的FCl02模塊；發(fā)送／接收數(shù)據(jù)的FBl03模塊；調(diào)用FBl03進(jìn)行數(shù)據(jù)同步、分析系統(tǒng)狀態(tài)的FBl01模塊。帶有冗余功能的程序結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 帶有冗余功能的程序結(jié)構(gòu)

在PLC每個(gè)循環(huán)執(zhí)行周期中，主系統(tǒng)先凋用FBl01接收并分析備系統(tǒng)狀態(tài)，然后執(zhí)行冗余程序，最后再調(diào)用FBl01將需要同步的數(shù)據(jù)發(fā)送到備系統(tǒng)。備系統(tǒng)先調(diào)用FBl01接收并分析主系統(tǒng)狀態(tài)，跳過冗余程序，然后將備系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送到主系統(tǒng)。需注意的是，實(shí)現(xiàn)冗余功能的最重要模塊FBl01執(zhí)行時(shí)先分析主備系統(tǒng)狀態(tài)，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)(或接收數(shù)據(jù))。由于軟件是順序執(zhí)行控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，將導(dǎo)致接收到對方故障信息后，對故障處理的滯后。軟件順序執(zhí)行機(jī)制是導(dǎo)致軟冗余切換時(shí)間較長的一個(gè)重要原因。
2、主備切換時(shí)間分析
主備切換時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生故障到備站接替主站正常丁作所需要的時(shí)間。
2.1 主CPU或電源模塊故障分析
當(dāng)前2種故障發(fā)生時(shí)，ET200M站的主通信接口模塊IMl53與主CPU失去連接。自動(dòng)在主備通信接口模塊IM]53之間實(shí)現(xiàn)切換。同時(shí)備CPU在向主CPU發(fā)送備站狀態(tài)時(shí)將檢測到同步線數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，繼而主動(dòng)切換成主CPU。
如果主CPU故障出現(xiàn)在備CPU調(diào)用FBl01執(zhí)行發(fā)送功能之前，那么接下來備CPU在調(diào)用發(fā)送功能時(shí)就能檢測到與主CPU通信連接故障，并在下一個(gè)周期調(diào)用接收功能時(shí)備CPU切換成主CPU。此時(shí)主備切換時(shí)間t最短。
(1)
式中t為主備切換時(shí)間；Tcyc為PLC循環(huán)掃描周期；t（FB101）為冗余功能塊FBl01執(zhí)行時(shí)間。