摘要：本文以ControlLogix處理器為例，介紹了PLC冗余熱備系統(tǒng)的工作原理?；贑ontrolNet網(wǎng)絡(luò)，利用軟件開發(fā)了CPU冗余熱備系統(tǒng)，并結(jié)合對(duì)風(fēng)力負(fù)載被控模型的控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 引 言

　　20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的可靠性也提出了越來(lái)越高的要求。僅僅通過提高控制系統(tǒng)的硬件可靠性來(lái)滿足特殊工業(yè)部門對(duì)可靠性的要求是不太可能的。為此，工業(yè)制造商們提出了多種解決方案，這其中包括基于網(wǎng)絡(luò)控制的PLC冗余熱備系統(tǒng)。目前，此系統(tǒng)多采用兩套CPU處理器模塊，一個(gè)處理器模塊作為主處理器，另外一個(gè)作為從處理器。正常情況下，由主處理器執(zhí)行程序，控制I/O設(shè)備，從處理器不斷監(jiān)測(cè)主處理器狀態(tài)。如果主處理器出現(xiàn)故障，從處理器立即接管對(duì)I/O的控制，繼續(xù)執(zhí)行程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的冗余熱備控制。實(shí)踐證明，冗余熱備系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，有效的避免了由于控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的停產(chǎn)或設(shè)備損壞造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　目前，PLC冗余熱備系統(tǒng)多分為兩種：冗余由硬件實(shí)現(xiàn)的硬件冗余熱備以及冗余由軟件實(shí)現(xiàn)的軟件冗余熱備。本文以Rockwell公司的ControlLogix為例，介紹了PLC冗余熱備系統(tǒng)的工作原理，基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)，利用軟件開發(fā)了CPU冗余熱備系統(tǒng)，并結(jié)合對(duì)風(fēng)力負(fù)載被控模型的控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。

2 PLC冗余熱備系統(tǒng)的工作原理

　　PLC在一個(gè)工作周期內(nèi)的任務(wù)主要有：系統(tǒng)內(nèi)務(wù)處理、掃描輸入映像表、執(zhí)行程序、刷新輸出映像表。在ControlLogix冗余熱備系統(tǒng)中，當(dāng)主處理器執(zhí)行完程序之后，會(huì)將所有輸出指令的結(jié)果傳送給從處理器。同時(shí)，由于ControlLogix系統(tǒng)所有的I/O設(shè)備都在ControlNet網(wǎng)絡(luò)中，由ControlNet網(wǎng)絡(luò) 的“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”通訊模式，從處理器作為一個(gè)“消費(fèi)者”可以與主處理器具有一樣的地位，獲取I/O的輸入信息。這樣，就確保了主、從處理器內(nèi)輸入、輸出映像表的一致。

3 CPU冗余熱備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)的ControlLogix處理器冗余熱備系統(tǒng)，主要由連接到ControlNet上的ControlLogix處理器1、ControlLogix處理器2、通過1203-CN1連接的PowerFlex70以及檢驗(yàn)冗余效果的風(fēng)動(dòng)模型等組成，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖3所示。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在上述硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。其中包括ControlNet網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)及優(yōu)化、PowerFlex70變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)以及對(duì)主從處理器的編程。這里主要講述系統(tǒng)中主從處理器的編程問題。

　　由PLC冗余熱備系統(tǒng)的工作原理可知，通過對(duì)主從處理器的軟件編程需要實(shí)現(xiàn)：

　?、?主、從處理器器通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)獲取各節(jié)點(diǎn)模塊的輸入信息，主處理器通過ControlNet發(fā)送控制信息到具有輸出功能的PowerFlex70變頻器。

　　⑵ 由主處理器通過生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給備用控制器，以實(shí)現(xiàn)主備控制器數(shù)據(jù)同步。

　?、?從處理器在主處理器處于硬件故障、主要錯(cuò)誤或編程狀態(tài)時(shí)，獲得在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送控制信息到PowerFlex70的權(quán)力，同時(shí)主控制器失去在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送控制信息到PowerFlex70變頻器的權(quán)力。

　　因此，基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)的ControlLogix處理器冗余熱備系統(tǒng)中的RSLogix5000工程要完成的任務(wù)包括：對(duì)主處理器按控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及要求進(jìn)行通道設(shè)置、標(biāo)簽的建立及梯形圖的編寫，梯形圖中包括用于過程控制，用于系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)和用于系統(tǒng)CPU熱備的梯形圖等幾大部分。其中，用于CPU冗余備份程序的流程圖如圖4所示。

圖4 冗余熱備系統(tǒng)的冗余程序流程圖

　　當(dāng)主處理器進(jìn)入非正常工作狀態(tài)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的輸出模塊的控制權(quán)交給了從處理器，由于輸出模塊在切換中無(wú)論是模擬量還是開關(guān)量都必須保持不變。所以，從處理器在主處理器工作時(shí)，處理器內(nèi)部?jī)?chǔ)存的輸出模塊的值就必須實(shí)時(shí)地與主處理器中的相應(yīng)的輸出值保持一致，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。而完成這項(xiàng)功能，就要求我們?cè)趦蓚€(gè)ControlLogix處理器中，用梯形圖程序來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)出模塊值的傳遞，當(dāng)主處理器對(duì)輸出有改變時(shí)，同時(shí)把相應(yīng)的變化值傳遞給從處理器。這樣在切換時(shí)才會(huì)對(duì)連續(xù)的生產(chǎn)不產(chǎn)生任何的影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)控制的ControlLogix冗余熱備系統(tǒng)。系統(tǒng)通過切換控制權(quán)來(lái)切換對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的變頻器PowerFlex70的控制；通過風(fēng)力負(fù)載模型的浮球位置的變化，來(lái)直觀的反映切換效果。此CPU冗余熱備系統(tǒng)的切換時(shí)間小于0.5秒，切換過程中的擾動(dòng)小于5％。設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于基于不同網(wǎng)絡(luò)控制的可編程控制器系統(tǒng)。在工業(yè)控制中應(yīng)用該方案，不僅可以降低系統(tǒng)硬件成本，而且可以有效地提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低由于控制器故障帶來(lái)的損失和危害。

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