林喜春，田雪嬌

1.北方重工集團有限公司，遼寧沈陽 110141

2.沈陽機床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽 110141

0 引言

伴隨著機械自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前我國機械制造業(yè)中的常用設(shè)備面臨著技術(shù)改造以提高其自動化程度，其中可編程序控制器即PLC是將電子、計算機和邏輯自動控制技術(shù)相結(jié)合，采用可編程序控制器即PLC技術(shù)改造通用、專用機床，并集合半自動及自動設(shè)備組成自動化生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)編程靈活、控制簡單、抗干擾強和適應(yīng)性強等特點。但為了實現(xiàn)預(yù)防故障滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，還應(yīng)對系統(tǒng)采用冗余控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性運行。

1 冗余控制技術(shù)

PLC系統(tǒng)發(fā)生的故障包括設(shè)備器件生產(chǎn)過程中造成固有的故障，可以通過拆卸更換消除故障；以及由于外部環(huán)境如溫度和濕度、設(shè)備運行中的振動沖擊和操作人員操作不當(dāng)?shù)冗\行中造成的故障；還有設(shè)備軟硬件缺陷或長時間運行造成的設(shè)備老化引起的故障，均降低了系統(tǒng)的安全性和可靠性。這樣在自動化系統(tǒng)中的某一個故障造成停機便會使生產(chǎn)付出昂貴的代價和寶貴的時間。針對上述故障均應(yīng)采用冗余控制設(shè)計技術(shù)，以減少由于故障對生產(chǎn)造成的影響。

冗余控制技術(shù)是在系統(tǒng)運行中，將某硬件或軟件設(shè)置為準備狀態(tài)，作為備用的設(shè)備及器件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，自動將切換該備用設(shè)備，這樣保證系統(tǒng)持續(xù)運行，實現(xiàn)系統(tǒng)不間斷的正常工作。通常冗余控制是設(shè)置一套由設(shè)備及器件組成的控制系統(tǒng)，根據(jù)情況有時也設(shè)置多套控制系統(tǒng)參與控制?？梢圆捎密浖蛉藶榈姆绞皆诮y(tǒng)中的某一設(shè)備或器件損壞發(fā)生故障時，切換備用的設(shè)備及器件代替故障設(shè)備及器件，這樣保證了系統(tǒng)持續(xù)運行，減少了由于控制設(shè)備損壞故障引起的停機情況，避免了由于影響生產(chǎn)造成經(jīng)濟損失，明顯的提高系統(tǒng)可靠性。

2 冗余控制技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，首先應(yīng)針對系統(tǒng)電源采用冗余技術(shù)，避免由于停電造成停機影響生產(chǎn)。

電源冗余技術(shù)是設(shè)置兩套或多套電源模塊供電，分別接到不同的供電電源，可以有兩種方式。一種是框架外冗余供電，即通過電源電纜將冗余電源適配器模塊與系統(tǒng)框架連接，對PLC進行冗余供電。兩套電源模塊均出于工作狀態(tài)，當(dāng)某一套電源模塊發(fā)生故障時，另外一套電源模塊出于工作狀態(tài)，仍然可以給PLC系統(tǒng)供電，保證正常工作。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線進行現(xiàn)場檢測，當(dāng)電源模塊放生故障時可將其狀態(tài)信息傳送顯示，使操作人員及時維護替換故障電源模塊。另外一種是采用框架內(nèi)冗余供電，即在PLC框架中設(shè)置兩套或多套電源模塊供電，兩套電源通過冗余通信電纜連接交換信息，對PLC進行直接冗余供電。

除了針對系統(tǒng)電源采用冗余技術(shù)，同時還可以按照硬冗余方式及軟冗余方式針對系統(tǒng)處理器和通信實現(xiàn)冗余控制。

2.1 采用硬冗余方式實現(xiàn)冗余控制

硬冗余是指采用對應(yīng)的硬件模塊以及采用固化程序保證PLC的同步和故障時切換的冗余方式。

處理器的硬冗余方式是指設(shè)定處理器及熱備模塊兩套，兩套設(shè)備同時工作，設(shè)置其中一套作為主處理器，在正常工作時直接運轉(zhuǎn)，不僅輸入信號而且輸出信號。設(shè)置另外一套處理器作為從處理器，工作狀態(tài)下也將其通電，該處理器接收輸入信號，進行數(shù)據(jù)的運算和處理，但并不輸出信號。這兩套設(shè)備屬于硬件連接方式形成對處理器發(fā)生故障時的切換。通常除了設(shè)置上述兩套處理器外，同時還設(shè)置熱備模塊一套或兩套。設(shè)置的熱備模塊不僅負責(zé)檢測運行狀態(tài)下處理器的狀態(tài)，同時還負責(zé)兩套處理器互相的數(shù)據(jù)傳輸，保證兩套處理器的時鐘同步。這樣當(dāng)主處理器發(fā)生故障時，可以自動切換為從處理器，通過設(shè)備模塊實現(xiàn)切換后從處理器進入工作狀態(tài)可以從斷點處開始，無縫連接代替主處理器工作，使系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

通信的硬冗余方式是指采用單通信模塊同時配套設(shè)置兩套電纜的通信模式，此時由兩套電纜組成的通信網(wǎng)絡(luò)同時處于工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)均在兩套電纜中傳輸。但僅僅其中一套電纜組成的通信網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)工作數(shù)據(jù)傳輸，另外一套電纜組成的通信網(wǎng)絡(luò)作為備用通信網(wǎng)絡(luò)。單通信模塊工作時同時監(jiān)控兩套通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主要負責(zé)工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)發(fā)生傳輸問題時，比如接受數(shù)據(jù)包與接收數(shù)據(jù)包不一致差距較大時，單通信模塊會對主要負責(zé)工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進行自動切換，啟用備用通信網(wǎng)絡(luò)替代原通信網(wǎng)絡(luò)。單通信模塊同時還會通知報警使操作人員及時維護維修原通信網(wǎng)絡(luò)電纜。該方式的通信冗余硬件使用較多，一般不為采用。

2.2 采用軟冗余方式實現(xiàn)冗余控制

軟冗余是指采用軟件編程的方式來實現(xiàn)PLC同步、故障切換的冗余方式。

處理器的軟冗余方式是指設(shè)定兩套處理器，設(shè)置其中一套作為主處理器正常運行，另外一套作為備用。在系統(tǒng)中編制兩套處理器的監(jiān)控程序，同時關(guān)鍵編制同步控制程序?qū)崿F(xiàn)冗余控制，通過編制兩套處理器之間的數(shù)據(jù)處理程序，判斷監(jiān)控處理器工作狀態(tài)。當(dāng)主處理器發(fā)生故障時，是通過軟件編程的方式控制切換發(fā)生故障的處理器，啟用備用的另外一套處理器代替故障處理器，保證系統(tǒng)正常工作。通常使用通信電纜將兩套處理器模塊連接，編制的軟件程序定時由備用處理器模塊向主處理器模塊查詢其狀態(tài)信息，程序同時對兩套處理器進行監(jiān)控，當(dāng)主處理器模塊超時響應(yīng)發(fā)生故障時，則有程序啟用備用處理器模塊代替故障處理器模塊，保證系統(tǒng)正常工作。處理器的軟冗余方式受硬件和系統(tǒng)軟件的影響較小，當(dāng)發(fā)生故障時切換備用處理器的速度與程序大小、掃描周期和處理器的質(zhì)量有關(guān)。與處理器的硬冗余方式比較，具有速度快成本低的特點。

通信的軟冗余方式是指采用兩套單獨的通信模塊，編制處理器軟件程序進行監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括兩套單獨的通信模塊中的狀態(tài)和通信質(zhì)量。通過軟件編程設(shè)定主通信模塊通信網(wǎng)絡(luò)和備用通信模塊通信網(wǎng)絡(luò)。編制的軟件程序檢測通信模塊狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳送超時和數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)量差等傳輸狀態(tài)。一旦發(fā)生通信故障問題，軟件程序會自動改變工作的通信模塊，并切換通信網(wǎng)絡(luò)，通知報警使操作人員及時處理故障，保證系統(tǒng)正常工作。

除了上述對電源、處理器和通信的冗余控制外，還可以根據(jù)現(xiàn)場控制需要對CPU、控制總線、網(wǎng)卡和軟件進行冗余控制。冗余控制包括雙重化冗余和三重化冗余。

3 結(jié)論

當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)方法只能停機或采用手動處理。在PLC控制系統(tǒng)中采用冗余控制，一旦發(fā)生故障時，系統(tǒng)可自動切換主備設(shè)備，使系統(tǒng)持續(xù)運行。目前除了機械制造業(yè)生產(chǎn)過程中，其他行業(yè)的控制系統(tǒng)可靠性均要求非常高，所以PLC冗余控制技術(shù)的應(yīng)用勢必十分廣泛。

[1]浙江大學(xué)自動化中心.可編程序控制器系統(tǒng)[M].浙江大學(xué)出版社，2000.

[2]李鑒.雙冗余通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析與模型[J].計算機與數(shù)字工程，2000，2.