關鍵詞： ControlLogix ControlNet 冗余熱備 性能測試和分析
1 引 言
20世紀90年代以來，隨著工業自動化的飛速發展，人們對生產設備的可靠性也提出了越來越高的要求。僅僅通過提高控制系統的硬件可靠性來滿足特殊工業部門對可靠性的要求是不太可能的。為此，工業制造商們提出了多種解決方案，這其中包括基于網絡控制的PLC冗余熱備系統。目前，此系統多采用兩套CPU處理器模塊，一個處理器模塊作為主處理器，另外一個作為從處理器。正常情況下，由主處理器執行程序，控制I/O設備，從處理器不斷監測主處理器狀態。如果主處理器出現故障，從處理器立即接管對I/O的控制，繼續執行程序，從而實現對系統的冗余熱備控制。實踐證明，冗余熱備系統能夠保證系統的連續運行，有效的避免了由于控制系統出現故障而引起的停產或設備損壞造成極大的經濟損失。
目前，PLC冗余熱備系統多分為兩種：冗余由硬件實現的硬件冗余熱備以及冗余由軟件實現的軟件冗余熱備。本文以Rockwell公司的ControlLogix為例，介紹了PLC冗余熱備系統的工作原理，基于ControlNet網絡，利用軟件開發了CPU冗余熱備系統，并結合對風力負載被控模型的控制實驗，對其性能進行了測試和分析。
2 PLC冗余熱備系統的工作原理
PLC在一個工作周期內的任務主要有：系統內務處理、掃描輸入映像表、執行程序、刷新輸出映像表。在ControlLogix冗余熱備系統中，當主處理器執行完程序之后，會將所有輸出指令的結果傳送給從處理器。同時，由于ControlLogix系統所有的I/O設備都在ControlNet網絡中，由ControlNet網絡 的“生產者/消費者”通訊模式，從處理器作為一個“消費者”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、從處理器內輸入、輸出映像表的一致。
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圖1 正常情況下主處理器程序執行過程 |
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圖2 主、從處理器之間的切換過程 |
3 CPU冗余熱備系統的設計
3.1系統硬件設計
本文設計的基于ControlNet網絡的ControlLogix處理器冗余熱備系統，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以及檢驗冗余效果的風動模型等組成，系統的硬件平臺如圖3所示。
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圖3 系統硬件平臺 |
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3.2系統軟件設計
在上述硬件平臺的基礎上，需要對系統進行軟件設計。其中包括ControlNet網絡的組態及優化、PowerFlex70變頻器參數設計以及對主從處理器的編程。這里主要講述系統中主從處理器的編程問題。
由PLC冗余熱備系統的工作原理可知，通過對主從處理器的軟件編程需要實現：
⑴ 主、從處理器器通過ControlNet網絡獲取各節點模塊的輸入信息，主處理器通過ControlNet發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者/消費者模式將控制數據發送給備用控制器，以實現主備控制器數據同步。
⑶ 從處理器在主處理器處于硬件故障、主要錯誤或編程狀態時，獲得在ControlNet網絡上發送控制信息到PowerFlex70的權力，同時主控制器失去在ControlNet網絡上發送控制信息到PowerFlex70變頻器的權力。
因此，基于ControlNet網絡的ControlLogix處理器冗余熱備系統中的RSLogix5000工程要完成的任務包括：對主處理器按控制系統的設計及要求進行通道設置、標簽的建立及梯形圖的編寫，梯形圖中包括用于過程控制，用于系統聯鎖保護和用于系統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 冗余熱備系統的冗余程序流程圖
當主處理器進入非正常工作狀態時，整個系統的輸出模塊的控制權交給了從處理器，由于輸出模塊在切換中無論是模擬量還是開關量都必須保持不變。所以，從處理器在主處理器工作時，處理器內部儲存的輸出模塊的值就必須實時地與主處理器中的相應的輸出值保持一致，實現無擾切換。而完成這項功能，就要求我們在兩個ControlLogix處理器中，用梯形圖程序來實時進行檢測出模塊值的傳遞，當主處理器對輸出有改變時，同時把相應的變化值傳遞給從處理器。這樣在切換時才會對連續的生產不產生任何的影響。
4 結束語
本文設計了基于ControlNet網絡控制的ControlLogix冗余熱備系統。系統通過切換控制權來切換對網絡上的變頻器PowerFlex70的控制；通過風力負載模型的浮球位置的變化，來直觀的反映切換效果。此CPU冗余熱備系統的切換時間小于0.5秒，切換過程中的擾動小于5％。設計方案可應用于基于不同網絡控制的可編程控制器系統。在工業控制中應用該方案，不僅可以降低系統硬件成本，而且可以有效地提高控制系統的可靠性，降低由于控制器故障帶來的損失和危害。
參考文獻
[1] Software Output Switching，Rockwell Automation.，1999，4－25
[2] 姜堅華.雙機熱備系統的技術研究和具體實現微型電腦應用, 2004,20(3)
[3] 馮立.冗余控制系統的原理機性能優化儀器儀表學報，2003,24(4)
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
