幾種常用硬件級雙機熱備PLC產品分析比較

馬曉寧

（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013）

傳統的礦業設備控制多使用繼電器-接觸器來進行相關設備的控制，而這種控制方法可靠性差，故障率高，并且使用環境受限嚴重。而近年來不斷發展的PLC控制技術具有結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強、使用方便等眾多優點[1]。所以如今礦業設備的控制多使用PLC控制技術。隨著安全生產的要求，對礦業生產過程中重點生產環節控制的可靠性要求也越來越高，礦井重點生產環節如提升、通風及分選系統等，如果控制系統出現故障，引起停產或設備損壞將造成極大的經濟損失，甚至會造成重大的安全事故，因此，僅僅通過提高PLC控制系統的自身可靠性滿足不了要求，采用冗余系統或熱備用系統來有效地解決上述問題[2]。

1 PLC冗余系統介紹

所謂冗余系統，是指系統中有多余的部分，沒有它，系統照樣工作，但當系統出現故障時，這種多余的部分能立即替代故障部分而使系統繼續正常運行[3]。

2 不同公司PLC雙機熱備產品分析比較

目前，工控行業廣泛使用的主流工控設備有AB公司的ControlLogix 5000系列；OMRON公司的CS1D系列；SIEMENS公司的SIMATIC S7系列以及SCHNEIDE公司的Quantum系列PLC產品等，以下對這四家公司雙機熱備PLC產品進行介紹[4]。

2.1 OMRON （歐姆龍）

表1 雙機熱備配置表

CS1D-PA207R 電源 2 CS1D-ETN21（ETN21D） 以太網模塊 1～2 CS1D-CLK21-V1 CLK通訊模塊 1～2

（1）I/O配置。由于CS1D是單機架雙機熱備，除了可實現遠程分布式I/O結構來采集數據，還可以直接對CPU機架進行擴展，增加模塊的使用數量。CS1D單機架雙機熱備最多可以有7個擴展機架，擴展總線長度最多為50m，最多可插入68個I/O模塊。CS1D的I/O模塊全部支持帶電插拔，支持狀態預留。

（2）雙機熱備的切換條件。由于CS1D是單機架熱備系統，因此主從控制器的切換條件是：①主控制器故障；②軟件控制。

（3）控制層網絡結構。CS1D在控制層采用Controller Link網絡（簡稱CLK），用于主站PLC與各分站PLC之間的通信。CLK網絡采用N∶N令牌總線或光纖環網，從而應對網絡故障能力較強。CLK網絡通信速率恒定為2Mb/s，最大節點數為62個，采用光纖通信時最大距離為30km。選用數據鏈接表方式實現PLC之間的通信簡單易行。在CS1D機架上可以組成CLK冗余通信，兩塊CLK通訊模塊一主一備，一旦主通訊模塊故障或拔出，備用模塊立刻工作。

（4）特點。①CPU的數據交換通過機架底板電路。②通常將I/O模塊直接配置在CPU機架或者擴展機架上，I/O交換速度快。

2.2 SCHNEIDE （施耐德）

表2 雙機熱備配置表

（1）I/O配置說明。Quantum雙機熱備不允許在CPU機架上安裝I/O模塊。本地I/O不在冗余系統處理范圍中。Quantum的I/O模塊均可以帶電插拔，可以預置狀態。

對于RI/O配置的規定：從站+從站擴展，輸入64字及輸出64字限制。

對于一個機架的模塊配置正常與否，只要考慮模擬量輸入/輸出或熱電阻/熱電偶模塊的數量即可。

（2）控制層網絡結構。Schneider有多種協議可在控制層和設備層中應用，如：Modbus、Modbus Plus、S908等，但對于Quantum雙機熱備系統中，設備層只能使用RI/O S908協議，來實現遠程分布I/O。

專用的S908總線網絡，速率1.5Mbps，最多可以連接31個從站。使用RG-6電纜，總線電阻75?，如果從站距離主站太遠，可以使用RG-11或半剛性電纜，也可以使用光電轉換器。因其使用了專用協議，不具備開放性。

（3）特點。①采用先進的同步機制；②系統切換時間小于100ms，通常低于20ms～30ms；③性能更強，得益于高端CPU的內部結構，集成工作內存；④人性化設計，易于使用，內置鍵盤，程序自動傳送，不需要單獨的冗余軟件選件包。

2.3 AB （羅克韋爾）

表3 雙機熱備配置表

（1）I/O配置說明。ControlLogix雙機熱備不允許在CPU機架上安裝I/O模塊。本地I/O不在冗余系統處理范圍中。對于模塊的I/O配置沒有特殊的規則限制，僅需要考慮機架電源模塊對I/O模塊的供電負荷。ControlLogix的I/O模塊支持帶電插拔，支持預置狀態。

（2）雙機熱備的切換條件。當主機架上的任一組件發生故障，控制權切換至從控制器：①主機架掉電；②控制器產生主要故障；③主機架上任一模塊被拔掉，安裝或出錯；④折斷或斷開ControlNet分接頭；⑤折斷或斷開以太網電纜；⑥主控制發出切換命令；⑦RsLinx軟件發出命令。

（3）控制層網絡結構。雙機熱備系統在控制層使用ControlNet協議，來實現雙機熱備系統與其他獨立PLC進行控制數據交換。同時，在設備層也可以使用ControlNet協議來實現I/O采集。單個網絡最大支持99個站點，節點間沒有最小距離限制。通訊總線可選擇環網，介質可冗余，支持本質安全。ControlNet網絡速率為5M。ControlNet是開放網絡，國際標準，任何符合ControlNet規范的從站理論上都可做ControlLogix的RI/O。

（4）特點。①雙機架完全獨立，每個機架上的CPU、通訊等模塊均可以熱插拔；②I/O跟CPU不能放在同一個機架上；③電源冗余需要另外設置軟硬件；④主站和從站上模塊的位置必須要對應，不能有不同；⑤作冗余網絡的時候只能用ControlNet。

2.4 SIEMENS （西門子）

表4 雙機熱備典型配置表

（1）I/O配置說明。S7-400H雙機熱備允許在CPU機架上，以及另一側CPU機架上安裝I/O模塊。對于模塊的I/O配置沒有特殊規則限制，僅需要考慮機架電源模塊對I/O模塊的供電負荷。ET200M需要特殊有源底板才能支持帶電插拔。S7-400H的I/O支持冗余：當只能由其中一個冗余處理單元訪問一個輸入/輸出模塊時，稱單向I/O模塊。當過程信號只有一個輸入/輸出模塊時就稱為單通道I/O。相對的，當有一個以上輸入/輸出模塊可用于單個信號處理時，稱冗余I/O。它可以單向或雙向連接。當一個輸入/輸出模塊可以由容錯系統上的所有冗余中央處理單元訪問時，稱雙向I/O。

（2）雙機熱備的切換條件。當主機架上發生下列故障，控制權切換至從控制器：①主機架掉電；②主機架電源模塊故障；③控制器故障；④主機架上同步子模塊被拔掉或出錯；⑤主機架上同步子模塊的光纖被拔掉；⑥主機架上的PROFIBUS-DP模塊故障；⑦如果使用擴展機架，IM460和IM461模塊故障或拔出；⑧軟件發出切換命令。

（3）控制層網絡結構。在控制層、設備層都可使用Profibus DP來進行PLC間的數據交換和遠程RI/O采集。從站可以使用S7-300的I/O，加ET200的Profibus DP從站通訊模塊，同時可以使用兼容廠家的模塊。Profibus在100m內是可以實現12M速度，可以做9次中繼。每個ET200從站可以接8個I/O模塊。

（4）特點。①數據跟蹤大小無限制，雙環系統同步光纖實現了傳送速度快和較長的距離；②使用已經完善的Profibus DP實現網絡冗余，大量的標準部件可使用；③熱備的兩部分是完全獨立?？梢苑殖?個機架，也可以放在一個機架上，但每個機架在電氣回路上是完全獨立的。④可以對任何一個機架的任何模塊熱插拔。

3 結語

礦業生產包括開采、掘進、運輸、通風、安全、排水、供電、洗選等多個環節。目前對固體礦業安全性要求越來越嚴格，這就要求重點生產環節控制系統必須具備極高的可靠性，所以在重點生產環節應用PLC冗余控制，進行安全生產是非常合適的選擇。