PLC 冗余控制技術在純水控制系統中的應用

耿海東

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

傳統純水控制系統主要利用了PLC 現場總線技術，系統故障率高、穩定性差，純水處理流程復雜，為了解決傳統系統存在的不足問題，提高純水的純度，利用PLC 冗余控制技術，設計一款功能完善、實用性強的純水控制系統。

1 冗余系統設計

1.1 冗余控制實現方式的選擇

冗余控制主要是指通過借助相關設備或者單元器件，形成龐大的純水控制系統。當某一設備或者單元器件出現異常時，系統可以自動采用軟硬件結合的方式替換掉異常的設備或者單元器件[1]，確保系統能夠穩定、可靠、安全地運行。針對冗余控制實現方式，可以將其劃分為以下兩種方式：

1）軟件冗余控制實現方式。該方式需要借助編程方式，及時對異常問題進行切換處理，同時，還要增加相應的CPU 模塊，對系統轉移狀態進行全面監視，只有這樣，才能保證系統編程實現效果，達到降低系統開發成本，簡化系統維護流程的目的。

2）硬件冗余控制實現方式。該方式采用故障切換方式，省掉了用戶編程環節，系統內所有CPU 可以同時運行。純水控制系統在具體的設計中，主要選用硬件冗余控制實現方式。

1.2 純水控制系統的冗余系統架構

純水控制系統在具體的設計中，主要采用三層結構設計模式，包含控制層、設備層和監視層。冗余系統架構設計示意圖如圖1 所示。

圖1 冗余系統架構設計示意圖

1）控制層主要是在PROFIBUS-DP 的總線組建基礎上產生的，主要由冗余電源模塊、以太網通訊模塊和鏈路模塊組成。

2）設備層主要由現場操作箱、現場執行機構以及冗余S7-400H 組成。

3）監視層主要借助以太網通訊模塊，與其他設備之間建立起有效的連接，以保證數據交換的高效性和有效性，為后期實現所有受控設備的統一化、集中化監控創造良好的條件。

1.3 S7-400H 冗余控制中PLC 的工作過程分析

硬件冗余方式運用中需要借助處理器，在結合熱備份的基礎上，實現對主處理器運行狀態的全面控制。當該處理器處于通電運行狀態時，為了保證輸入信號傳輸的穩定性、可靠性和安全性，需要做好對相關數據的處理工作，同時，還要避免相關信息的輸出。主處理器在設計中，主要借助了硬件互聯方式[2]，以保證故障切換的效率和效果。而處理器在運營中，主要負責多種不同類型處理器的同步檢測和處理，并將這些處理器的運行狀態信息安全、可靠地傳輸到指定的數據庫中，便于其他人員查看和調用。一旦發現主控制器出現異常問題，系統會自動與從控制器建立起同步連接，接收和處理從處理器所發送的請求，當主處理器顯示“嚴禁刪除和復制塊功能”警惕信息時，系統會向從處理器自動發送相關數據資源。

1.4 系統硬件冗余配置

在PLC 冗余控制技術的應用背景下，純水控制系統的硬件冗余配置設計示意圖如圖2 所示，主要包含以下四種類型。

圖2 系統硬件冗余配置設計示意圖

1）機架與電源冗余配置。機架主要綜合運用了S7-400H 機械化設計思想，并借助信號總線，將各個不同模塊進行有效連接。對于純水控制系統而言，主要借助了UR2-H 機架，該機架具有一定的獨立性，可以獨立安裝和固定于不同的子系統中，同時，該機架內部所配置的冗余模塊和電源模塊均達到了兩個。

2）處理器冗余配置。控制器作為純水控制系統的主要組成部分，主要借助S7-400H 系列的PLC，在保證硬件熱冗余實現效果的基礎上，提高系統的容錯能力，將系統故障停機概率降到最低，確保系統能夠穩定、可靠、安全地運行。此外，還要將CPU 模塊與分布式I/O 模塊之間進行有效連接，以實現對系統硬件冗余科學化、規范化配置。

3）分布式I/O 冗余配置。I/O 冗余主要是指通過借助多個I/O 點，完成對同一外接設備輸入信號和輸出信號的集中化獲取和整理。一旦發現某一I/O點出現異常問題，外接設備的輸入信號和輸出信號均不會受到影響。但是，在進行I/O 冗余配置期間，難免會遇到冗余成本高的問題。分布式I/O 冗余可以從根本上解決以上問題，通過利用該冗余配置方式，不僅可以實現對冗余IM153-2 接口的集中化調用，還能安全、可靠地存儲和管理I/O 信號站地址，為進一步提高系統的通信性能，滿足人們的高質量通信需求產生積極的影響。

4）鏈路冗余配置。在這一環節中，一旦發現某一鏈路出現故障問題，系統會借助冗余系統網絡，自動切換到運行正常的網絡鏈路，以保證系統運行性能。

2 系統軟件設計

針對系統冗余設計需求，在完成系統硬件冗余配置的基礎上，開展系統軟件的設計工作。純水控制系統所控制的對象比較多，通過調用主程序內相關功能模塊，可以最大限度地提高系統總體控制水平，同時，還要根據工藝流程，為每個功能模塊配置相應的控制裝置，如純水箱裝置以及過濾器裝置等。此外，還要在某一個功能模塊下，做好對多種功能塊的嵌套處理，實現對水泵、閥門以及報警器相關裝置的自動化、智能化控制[3]。對純水控制系統而言，系統冗余控制主要包含以下三個步驟：

1）系統同步。借助S7-400H 子單元，確保同步模板能夠與CPU414—4H 之間建立起有效的連接，同時，還要為所有CPU 設置相應的同步模板，并借助光纖，將位于上部的多個不同模板進行有效連接。此外，還要借助另一端的光纖，將位于下部的多個同步模板進行有效連接，最大限度地提高系統同步效率和效果。

2）系統診斷。為了進一步提高系統診斷結果的真實性和可靠性，現借助PLC 冗余控制技術，對系統內部出現的異常問題進行全面檢測、評估和匯總。此外，還要借助CPU，對系統錯誤程序進行識別，并將最終的識別結果存儲于指定的診斷緩存區中，借助編程器，對這些診斷信息進行讀取和調用，為其他人員查看和調用這些診斷信息提供有力的保障。

3）系統切換。借助OB 塊，對系統進行規范化切換處理。充分利用系統診斷模板以及信號模板，實現對系統內部以及外部錯誤信息的全方位診斷。借助中斷OB 塊對最終的切換結果進行一一響應，確保冗余系統能夠自動進入到冗余切換狀態。一旦發現OB 塊沒有被成功裝載，系統會出現錯誤報警信息，并接入到停止運行狀態。

3 結語

通過將PLC 冗余控制技術科學應用于純水控制系統設計中，不僅可以實現對水資源的自動化、智能化控制，還能降低制備系統的故障出現概率，確保系統能夠可靠、穩定、安全地運行，進一步簡化純水制備流程，提高純水制備效率和效果，極大地提高了用戶的使用體驗。由此可見，PLC 冗余控制技術具有非常高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用于純水控制系統中。