DDC控制系統的控制器冗余解決方案研究

曹玉新 靳怡 邵康文 劉原

摘??要：通過在DDC控制系統中定義一個主控制器和一個備控制器，實現在DDC控制系統中由兩個控制器組合成為熱備份效果的控制系統，該熱備份控制系統包括控制器、IO器件、心跳偵測機制以及信道選擇機制等部分，其能為受控場所提供一種冗余的控制系統，且其經濟型和可實施性良好，尤其適用于既有DDC控制系統的改造與提升。

關鍵詞：DDC;控制器;冗余;熱備份

中圖分類號：TP182 ???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）01-0000-00

0 ?引言

在生物醫藥、工業廠房和數據中心等基礎設施中，暖通空調控制系統（HVAC）通常采用基于直接數字控制器DDC的解決方案。DDC專為暖通空調行業設計，其具有造價經濟、應用針對性強及施工調試便捷等特點。

在某些特定應用場景下，如實驗室環境、數據中心的冷熱源控制及其他對目標系統的意外關閉或服務中斷非常敏感的場合，暖通空調系統對控制系統的可用性提出更高要求-控制系統應具有冗余的備份能力。目前DDC在HVAC自控領域具有經濟性好、應用針對性高和調試難度低等特點，但支持冗余備份功能的解決方案卻非常少。鑒于此，本文在現有DDC控制系統的基礎上，通過一系列的方案設計達到冗余的控制功能要求，最終在可用性和經濟性之間實現一種動態平衡。

1 ?方案設計

為了實現一套冗余的控制系統，我們在原有DDC控制器的基礎上，增加一個配置相同的DDC控制器作為備用控制器。此時，稱這兩個DDC控制器分別為主控制器與備控制器。每個控制器都是一個獨立工作的全功能控制器，包括CPU、電源和輸入輸出模塊等組件。為了兼容現場既有的傳感信號和控制信號，我們還需設計一些信號選擇和分配機制，其具體實現的細節需根據實際情況具體分析;此外，為了實現主控制器和備用控制器的切換，需設置一套心跳偵測機制。其整體解決方案如圖1所示。

在正常情況下，主控制器和備控制器均出于運行狀態，但同時只有一個控制器與末端受控設備連接。當出現控制器故障時，備用控制器可以瞬間接管受控設備，從而避免出現受控設備運行中斷的現象，實現了“熱備份”的控制系統功能。

2 ?方案實現要點

2.1 ?控制器之間的心跳偵測

在主控制器和備控制器之間設置專用心跳探測機制，其目的在于探測控制器的工作狀態。考慮到心跳信號會以較高的頻率發生周期性變化，因此心跳信號的類型應以模擬量為宜（例如4-20mA的交變信號）正常的心跳信號波形如圖2所示。當備控制器監測到接收的心跳信號無法正常變動時，即可感知控制器切換的需求出現，實現控制器之前的切換。

2.2 ?IO信號通道處理

為了實現控制系統的冗余功能，各輸入和輸出信號也需要建立相應的冗余通道以便跟主備控制器的設置匹配。

2.2.1 ?輸入信號（模擬量和數字量）

對于輸入信號，理想情況下設備可以提供冗余的雙路信號或是具備冗余的傳感器信號，此時可以將這兩路信號分別引至主、備控制器。如果被監控設備僅能提供一路信號，或者僅有單個的傳感器信號，則可以通過增加信號分割機制來實現被監控信號同時為主、備控制器所用，其工作原理如圖3所示。

2.2.2 ?輸出信號（模擬量和數字量）

暖通空調系統中多為風機、泵類設備及遙控啟停等操作推薦采用脈沖控制信號，電控柜接收執行該遙控信號并自保持。在該情況下設備的控制信號均包括一個啟動信號和一個停止信號，如果被控設備支持雙路控制可直接分別將主控制器和備控制器的控制信號接入。另一種情況是設備僅提供一套啟停接口，此時則可以通過增設一套導向機構，根據心跳切換判斷的結果將擬投入工作的控制器信號傳遞到受控設備，信號流向可參考圖4。

類似的處理方案也可應用于模擬量的控制信號，實踐上，我們可以把上述處理元件統一設計在仲裁機制控制箱中。如果設備支持雙路冗余控制，那么主、備控制器的控制信號可以無需上述處理，直接連接到受控設備即可。

2.3 ?主備控制器間的數據同步

為保證兩臺控制同時在線運行，除去上述硬件設計外，兩臺控制器應運行相同的控制程序。當出現故障切換情形時，備用控制器以相同的邏輯控制輸出，從而在切換過程中不會出現系統運行中斷或較大擾動的情況。在此基礎上主、備控制器需實施同步的信息包括：系統狀態信息、用戶設定信息和輸出信號等。

3 ?系統應用實踐

基于上述設計，我們在某些具有冗余熱備份要求的HVAC控制系統中應用該方案，典型應用場景包括關鍵環境中的冗余AHU控制以及可用數據中心冷源系統的二次泵變頻控制等。經過改良設計和精密調試，受控系統可實現在受保護的意外情況發生時，瞬時切換到備用控制系統，確保受控設備維持正常運行，從而無中斷服務的情況出現。

通過應用該解決方案，控制系統可以針對如下故障場景獲得冗余備份的保護，如表1所示。

4 ?方案改進及應用小結

在實施熱備份項目過程中，信號處理的部分需要額外設計組裝，此外，心跳信號的偵測和判斷需要占用DDC資源，因此熱備份項目的本質是基于軟件的故障決策機制。

本方案并非完全意義上的冗余控制系統，由于增加的仲裁切換機構自身也會存在故障點，但經過細心的工序設計和周密的故障預案分析，其整體解決方案可以達到冗余備份控制的目的，且其經濟型和可實施性良好，尤其適合既有DDC控制系統的改造與提升。

收稿日期：2019-05-22

作者簡介：曹玉新（1976—），男，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：數據中心、生命科學以及綠色建筑的智能化解決方案。

An Economic Approach to DDC Based Redundancy Solution

CAO Yu-xin，JIN Yi，SHAO Kang-wen，LIU Yuan

（Siemens Building Technology （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin ??300050）

Abstract：Presents an approach to build a control system with redundancy function by two identical DDC controllers， one of which is main controller and the other one is backup controller. The system consists of standard components like DDC controller， IO module， heartbeat detection and output selection relays etc.

Keywords：?DDC;Controller based;Redundancy;hot backup