有關控制系統冗余控制的探究

林喜春，田雪嬌

1.北方重工集團有限公司，遼寧沈陽 110141

2.沈陽機床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽 110141

0 引言

伴隨著機械自動化技術的迅猛發展，目前我國機械制造業中的常用設備面臨著技術改造以提高其自動化程度，其中可編程序控制器即PLC是將電子、計算機和邏輯自動控制技術相結合，采用可編程序控制器即PLC技術改造通用、專用機床，并集合半自動及自動設備組成自動化生產線，可以實現編程靈活、控制簡單、抗干擾強和適應性強等特點。但為了實現預防故障滿足連續生產要求，還應對系統采用冗余控制技術，提高系統的可靠性運行。

1 冗余控制技術

PLC系統發生的故障包括設備器件生產過程中造成固有的故障，可以通過拆卸更換消除故障；以及由于外部環境如溫度和濕度、設備運行中的振動沖擊和操作人員操作不當等運行中造成的故障；還有設備軟硬件缺陷或長時間運行造成的設備老化引起的故障，均降低了系統的安全性和可靠性。這樣在自動化系統中的某一個故障造成停機便會使生產付出昂貴的代價和寶貴的時間。針對上述故障均應采用冗余控制設計技術，以減少由于故障對生產造成的影響。

冗余控制技術是在系統運行中，將某硬件或軟件設置為準備狀態，作為備用的設備及器件，當系統發生故障，自動將切換該備用設備，這樣保證系統持續運行，實現系統不間斷的正常工作。通常冗余控制是設置一套由設備及器件組成的控制系統，根據情況有時也設置多套控制系統參與控制。可以采用軟件或人為的方式在統中的某一設備或器件損壞發生故障時，切換備用的設備及器件代替故障設備及器件，這樣保證了系統持續運行，減少了由于控制設備損壞故障引起的停機情況，避免了由于影響生產造成經濟損失，明顯的提高系統可靠性。

2 冗余控制技術在控制系統中的應用

為了提高控制系統的可靠性，首先應針對系統電源采用冗余技術，避免由于停電造成停機影響生產。

電源冗余技術是設置兩套或多套電源模塊供電，分別接到不同的供電電源，可以有兩種方式。一種是框架外冗余供電，即通過電源電纜將冗余電源適配器模塊與系統框架連接，對PLC進行冗余供電。兩套電源模塊均出于工作狀態，當某一套電源模塊發生故障時，另外一套電源模塊出于工作狀態，仍然可以給PLC系統供電，保證正常工作。系統通過數據數據總線進行現場檢測，當電源模塊放生故障時可將其狀態信息傳送顯示，使操作人員及時維護替換故障電源模塊。另外一種是采用框架內冗余供電，即在PLC框架中設置兩套或多套電源模塊供電，兩套電源通過冗余通信電纜連接交換信息，對PLC進行直接冗余供電。

除了針對系統電源采用冗余技術，同時還可以按照硬冗余方式及軟冗余方式針對系統處理器和通信實現冗余控制。

2.1 采用硬冗余方式實現冗余控制

硬冗余是指采用對應的硬件模塊以及采用固化程序保證PLC的同步和故障時切換的冗余方式。

處理器的硬冗余方式是指設定處理器及熱備模塊兩套，兩套設備同時工作，設置其中一套作為主處理器，在正常工作時直接運轉，不僅輸入信號而且輸出信號。設置另外一套處理器作為從處理器，工作狀態下也將其通電，該處理器接收輸入信號，進行數據的運算和處理，但并不輸出信號。這兩套設備屬于硬件連接方式形成對處理器發生故障時的切換。通常除了設置上述兩套處理器外，同時還設置熱備模塊一套或兩套。設置的熱備模塊不僅負責檢測運行狀態下處理器的狀態，同時還負責兩套處理器互相的數據傳輸，保證兩套處理器的時鐘同步。這樣當主處理器發生故障時，可以自動切換為從處理器，通過設備模塊實現切換后從處理器進入工作狀態可以從斷點處開始，無縫連接代替主處理器工作，使系統繼續正常工作。

通信的硬冗余方式是指采用單通信模塊同時配套設置兩套電纜的通信模式，此時由兩套電纜組成的通信網絡同時處于工作狀態，數據均在兩套電纜中傳輸。但僅僅其中一套電纜組成的通信網絡主要負責工作數據傳輸，另外一套電纜組成的通信網絡作為備用通信網絡。單通信模塊工作時同時監控兩套通信網絡，當主要負責工作數據傳輸的通信網絡發生傳輸問題時，比如接受數據包與接收數據包不一致差距較大時，單通信模塊會對主要負責工作數據傳輸的通信網絡進行自動切換，啟用備用通信網絡替代原通信網絡。單通信模塊同時還會通知報警使操作人員及時維護維修原通信網絡電纜。該方式的通信冗余硬件使用較多，一般不為采用。

2.2 采用軟冗余方式實現冗余控制

軟冗余是指采用軟件編程的方式來實現PLC同步、故障切換的冗余方式。

處理器的軟冗余方式是指設定兩套處理器，設置其中一套作為主處理器正常運行，另外一套作為備用。在系統中編制兩套處理器的監控程序，同時關鍵編制同步控制程序實現冗余控制，通過編制兩套處理器之間的數據處理程序，判斷監控處理器工作狀態。當主處理器發生故障時，是通過軟件編程的方式控制切換發生故障的處理器，啟用備用的另外一套處理器代替故障處理器，保證系統正常工作。通常使用通信電纜將兩套處理器模塊連接，編制的軟件程序定時由備用處理器模塊向主處理器模塊查詢其狀態信息，程序同時對兩套處理器進行監控，當主處理器模塊超時響應發生故障時，則有程序啟用備用處理器模塊代替故障處理器模塊，保證系統正常工作。處理器的軟冗余方式受硬件和系統軟件的影響較小，當發生故障時切換備用處理器的速度與程序大小、掃描周期和處理器的質量有關。與處理器的硬冗余方式比較，具有速度快成本低的特點。

通信的軟冗余方式是指采用兩套單獨的通信模塊，編制處理器軟件程序進行監控。監控內容包括兩套單獨的通信模塊中的狀態和通信質量。通過軟件編程設定主通信模塊通信網絡和備用通信模塊通信網絡。編制的軟件程序檢測通信模塊狀態、數據傳送超時和數據包傳輸數量差等傳輸狀態。一旦發生通信故障問題，軟件程序會自動改變工作的通信模塊，并切換通信網絡，通知報警使操作人員及時處理故障，保證系統正常工作。

除了上述對電源、處理器和通信的冗余控制外，還可以根據現場控制需要對CPU、控制總線、網卡和軟件進行冗余控制。冗余控制包括雙重化冗余和三重化冗余。

3 結論

當控制系統出現故障時，傳統方法只能停機或采用手動處理。在PLC控制系統中采用冗余控制，一旦發生故障時，系統可自動切換主備設備，使系統持續運行。目前除了機械制造業生產過程中，其他行業的控制系統可靠性均要求非常高，所以PLC冗余控制技術的應用勢必十分廣泛。

[1]浙江大學自動化中心.可編程序控制器系統[M].浙江大學出版社，2000.

[2]李鑒.雙冗余通訊網絡的可靠性分析與模型[J].計算機與數字工程，2000，2.