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工业控制器冗余方案的设计与实现
jiang_0514 发表于 2009/6/2 13:04:39 563 查看 2 回复 [上一主题] [下一主题]
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工业控制器冗余方案的设计与实现
摘要：本文首先介绍了自动化系统中冗余技术的基本概念及常见体系结构；分析了目前工业控制器冗余方案的流程和结构；最后结合应用给出了一种实现原型，该实现在控制系统中的应用达到了很好的效果。
关键词：工业控制器；冗余；可靠性；切换
Abstract: Basic concept and common architecture of the redundant technique in the automatic system are introduced in this paper. The current redundant plan of industry controller has been analyzed. Finally a prototype according to application was put forward. This design achieves good effects in the application of the control system.
Key words: Industry controller; Redundancy; Reliability; Switch
对于一个自动化控制系统来说，可靠性和稳定性是最首要的问题。特别是应用于工业控制领域时，由于工业控制的对象和环境千差万别；即使在同一个工厂中，随着生产流程的推进其工况也复杂多变；有些现场的环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈；以及一些人为的因素，这些都会对控制系统产生影响，无法保证系统长时间的正常安全运行。而由于系统故障或者系统崩溃而导致的生产停产甚至事故会造成极大重大的损失。因此，这就要求控制系统有极高的可靠性。
与此同时，无限制的通过提高控制系统软硬件本身的可靠性来满足对可靠性的要求是不现实的，因为控制装置本身的可靠性提高有一定的限度，并且会造成成本的急剧增加。
所以，需要利用冗余技术来提高系统的可靠性。
1 冗余技术概述
冗余技术就是通过配置多余的同等功能的部件，并通过一定的冗余逻辑使它们协调地同步运行，使系统应用功能的实现得到多重保证。冗余的目的是为了降低失效率，提高整个应用系统的平均故障间隔时间。
通常按照冗余的程度可分为1：1、1：N、K：N等多种冗余。在当前元器件可靠性不断提高的情况下，1：1的热冗余显得有效而又相对简单、配置灵活且比较经济，因此，目前国内外的过程控制系统中大多采用这种方式。
一个简单的1：1冗余系统如图1所示。部件1和部件2是具有同等功能的部件，在冗余控制逻辑F的协调下并联运行，完成系统某项功能。而互为冗余两个部件完成的功能与非冗余配置部件的功能对用户而言应当是等同的，这就需要采用冗余控制逻辑F协调部件1和部件2。冗余控制逻辑F使两个相同的部件1和部件2处于工作或者备用状态，实现输出功能和人机界面的单一性，而处于备用状态的部件实时跟踪工作状态部件的控制信息，并且与工作状态部件同步执行，保持状态的同步；当工作状态部件发生故障时，备用部件将瞬间无扰动切换为工作状态，接替控制功能。
图1 1:1冗余系统图
2 冗余工业控制器实现模型
在工业过程控制系统中，冗余的对象可以是电源、网络、工业控制器乃至整个控制系统。控制系统的核心是工业控制器，它是现场设备和用户界面之间的枢纽，承担了绝大部分的控制任务。一旦工业控制器发生故障，那整个控制系统就无法工作。因此，设计一个高效可靠的控制器冗余方案是整个系统是否稳定的关键。
2.1 系统结构图
在本冗余实现方案中，系统结构图如图2所示。
上位应用软件（组态软件、服务器）是通过工业以太网与下位设备（工业控制器）通信。两个冗余工业控制器之间通过冗余网络通信进行冗余、诊断等，保证数据和状态的同步。同时，由硬件逻辑电路确定工业控制器的工作/备用分配、仲裁以及切换。
两个工业控制器上的软硬件相同。一个作为工作控制器，另一个作为备用控制器。当一个控制器被设置为工作状态，另一个控制器必须为备用状态。同样，也不可能两个控制器都为备用控制器。工作备用状态可以互相切换。
工作控制器和备用控制器都能接受现场设备数据，但输出是由工作控制器控制的，即只有工作控制器才能将数据发送给现场设备。
图2 体系结构图
2.2 冗余功能模块划分
通过图2可以看到，工业控制器的实现主要在于工业控制器（工作）和工业控制器（备用）之间的冗余逻辑设计，而该冗余逻辑的关键在于保证工作/备用工业控制器之间的真正同步以及实现无扰切换。
2.2.1冗余过程
工业控制器之间的整个冗余过程如图3所示。
包括下面几个步骤：
（1）硬件逻辑电路根据工业控制器上电情况及硬件地址确定工作/备用分配。
（2）工作控制器和备用控制器建立联系并发送初始化信息及同步数据。
（3）工作/备用控制器同步运行，由心跳信号保证。
（4）周期更新数据或按照需求更新数据。
（5）当心跳信号发生故障时实现无扰切换。
（6）继续步骤2-4。
图3 冗余过程图
2.2.2工作/备用控制器的确定
当两个工业控制器同时上电时，硬件地址小的工业控制器优先成为工作控制器，另一台控制器自动成为备用控制器。
对于非同时上电情况，先上电的工业控制器成为工作控制器，后上电的自动成为备用控制器。
2.2.3 数据的同步
工业控制器（工作）和工业控制器（备用）之间采用独立的网络进行控制器之间的数据同步。需要同步的信息包括控制器初始状态、各种控制运算中间状态、输出状态、系统时钟、故障诊断信息等，特别是带有积分作用或时间效应的信息单元，如累积、定时器、PID积分单元等。
为了保证在工作/备用控制器之间数据同步的同时，不降低系统的实时性，对于由上位机设定或下装产生的组态信息和静态参数等，工作控制器通过给备用控制器发送初始化信息来保证工作/备用控制器之间的状态一致。而对于具有时间累积特性的“动态数据”，则必须进行动态的同步。工作控制器可以在每个运行周期内实时的将重要的动态变量传送给备用控制器，以保证备用控制器和工作控制器之间数据的一致性。
2.2.4 运行状态的同步
系统通过心跳信号来控制工作/备用控制器的状态。控制器之间会交换健康信息，如果工作控制器有错误，就会通知备用控制器，备用控制器就会承担工作控制器的作用。如果备用控制器有错误，工作控制器会单独继续运行。
同时，工作控制器也会对冗余网络的通信状况进行验证。如果备用控制器从未收到冗余网络上的任何信息，备用控制器就会试着确定故障原因，如有必要，承担起控制的作用。如果工作控制器未从备用控制器收到有效的回复，工作控制器会独立运行，就好像没有备用控制器一样。
当工作控制器处于特殊状态时，会通过冗余网络通知备用控制器，并且发送相关数据。备用控制器收到从工作控制器发来的通知及相关数据后，使自身同样处于该特殊的状态，从而保证如果在这个时段发生切换时还能保证切换的无扰性。
2.2.5冗余控制器切换机制
工作/备用控制器冗余切换发生情况有：
（1）工作控制器硬件故障（包括拔除工作控制器、工作控制器复位、工作控制器电源故障等）。
（2）工作控制器软件故障（可以由软件设定）。
（3）在系统调试和维护时，手动进行冗余切换。
当有主/从冗余切换需要发生时，由硬件电路具体实现切换，由数据同步和状态同步来保证切换时的无扰性。
3 验证和总结
经过长时间的现场验证，事实证明了这个工业控制器冗余方案是可靠实用的，并且大大的提高了整个控制系统的稳定性和可靠性。
因此，从中可以总结出一套设计冗余系统的经验和方法，为今后设计其他设备的冗余方案提供参考。
参考文献：
[1] 黄文君，金建祥，冯冬芹，.控制系统的冗余策略和实现准则[J]．仪器仪表学报，2004，25(4).
[2] 谢鲲，冯正进，罗振军.软件冗余现场总线系统的研究[J].总线与网络,2003,(9).
[3] 蒋济友.冗余DCS开发方法.PLCopen专栏,2007,(8).
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引用 chenwh78 2009/5/20 14:57:09 发表于2楼的内容
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qzvalvesa 发表于 2009/6/2 13:04:39
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引用 qzvalvesa 2009/6/2 13:04:39 发表于3楼的内容
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