曹玉新 靳怡 邵康文 劉原

摘??要：通過在DDC控制系統(tǒng)中定義一個(gè)主控制器和一個(gè)備控制器，實(shí)現(xiàn)在DDC控制系統(tǒng)中由兩個(gè)控制器組合成為熱備份效果的控制系統(tǒng)，該熱備份控制系統(tǒng)包括控制器、IO器件、心跳偵測(cè)機(jī)制以及信道選擇機(jī)制等部分，其能為受控場(chǎng)所提供一種冗余的控制系統(tǒng)，且其經(jīng)濟(jì)型和可實(shí)施性良好，尤其適用于既有DDC控制系統(tǒng)的改造與提升。

關(guān)鍵詞：DDC;控制器;冗余;熱備份

中圖分類號(hào)：TP182 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：2096-6903（2019）01-0000-00

0 ?引言

在生物醫(yī)藥、工業(yè)廠房和數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施中，暖通空調(diào)控制系統(tǒng)（HVAC）通常采用基于直接數(shù)字控制器DDC的解決方案。DDC專為暖通空調(diào)行業(yè)設(shè)計(jì)，其具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)及施工調(diào)試便捷等特點(diǎn)。

在某些特定應(yīng)用場(chǎng)景下，如實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、數(shù)據(jù)中心的冷熱源控制及其他對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的意外關(guān)閉或服務(wù)中斷非常敏感的場(chǎng)合，暖通空調(diào)系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的可用性提出更高要求-控制系統(tǒng)應(yīng)具有冗余的備份能力。目前DDC在HVAC自控領(lǐng)域具有經(jīng)濟(jì)性好、應(yīng)用針對(duì)性高和調(diào)試難度低等特點(diǎn)，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(xiàn)有DDC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過一系列的方案設(shè)計(jì)達(dá)到冗余的控制功能要求，最終在可用性和經(jīng)濟(jì)性之間實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)平衡。

1 ?方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)一套冗余的控制系統(tǒng)，我們?cè)谠蠨DC控制器的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)配置相同的DDC控制器作為備用控制器。此時(shí)，稱這兩個(gè)DDC控制器分別為主控制器與備控制器。每個(gè)控制器都是一個(gè)獨(dú)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(xiàn)場(chǎng)既有的傳感信號(hào)和控制信號(hào)，我們還需設(shè)計(jì)一些信號(hào)選擇和分配機(jī)制，其具體實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)需根據(jù)實(shí)際情況具體分析;此外，為了實(shí)現(xiàn)主控制器和備用控制器的切換，需設(shè)置一套心跳偵測(cè)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，但同時(shí)只有一個(gè)控制器與末端受控設(shè)備連接。當(dāng)出現(xiàn)控制器故障時(shí)，備用控制器可以瞬間接管受控設(shè)備，從而避免出現(xiàn)受控設(shè)備運(yùn)行中斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了“熱備份”的控制系統(tǒng)功能。

2 ?方案實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

2.1 ?控制器之間的心跳偵測(cè)

在主控制器和備控制器之間設(shè)置專用心跳探測(cè)機(jī)制，其目的在于探測(cè)控制器的工作狀態(tài)?？紤]到心跳信號(hào)會(huì)以較高的頻率發(fā)生周期性變化，因此心跳信號(hào)的類型應(yīng)以模擬量為宜（例如4-20mA的交變信號(hào)）正常的心跳信號(hào)波形如圖2所示。當(dāng)備控制器監(jiān)測(cè)到接收的心跳信號(hào)無法正常變動(dòng)時(shí)，即可感知控制器切換的需求出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)控制器之前的切換。

2.2 ?IO信號(hào)通道處理

為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余功能，各輸入和輸出信號(hào)也需要建立相應(yīng)的冗余通道以便跟主備控制器的設(shè)置匹配。

2.2.1 ?輸入信號(hào)（模擬量和數(shù)字量）

對(duì)于輸入信號(hào)，理想情況下設(shè)備可以提供冗余的雙路信號(hào)或是具備冗余的傳感器信號(hào)，此時(shí)可以將這兩路信號(hào)分別引至主、備控制器。如果被監(jiān)控設(shè)備僅能提供一路信號(hào)，或者僅有單個(gè)的傳感器信號(hào)，則可以通過增加信號(hào)分割機(jī)制來實(shí)現(xiàn)被監(jiān)控信號(hào)同時(shí)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(hào)（模擬量和數(shù)字量）

暖通空調(diào)系統(tǒng)中多為風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備及遙控啟停等操作推薦采用脈沖控制信號(hào)，電控柜接收?qǐng)?zhí)行該遙控信號(hào)并自保持。在該情況下設(shè)備的控制信號(hào)均包括一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和一個(gè)停止信號(hào)，如果被控設(shè)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(hào)接入。另一種情況是設(shè)備僅提供一套啟停接口，此時(shí)則可以通過增設(shè)一套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，根據(jù)心跳切換判斷的結(jié)果將擬投入工作的控制器信號(hào)傳遞到受控設(shè)備，信號(hào)流向可參考圖4。

類似的處理方案也可應(yīng)用于模擬量的控制信號(hào)，實(shí)踐上，我們可以把上述處理元件統(tǒng)一設(shè)計(jì)在仲裁機(jī)制控制箱中。如果設(shè)備支持雙路冗余控制，那么主、備控制器的控制信號(hào)可以無需上述處理，直接連接到受控設(shè)備即可。

2.3 ?主備控制器間的數(shù)據(jù)同步

為保證兩臺(tái)控制同時(shí)在線運(yùn)行，除去上述硬件設(shè)計(jì)外，兩臺(tái)控制器應(yīng)運(yùn)行相同的控制程序。當(dāng)出現(xiàn)故障切換情形時(shí)，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(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中斷或較大擾動(dòng)的情況。在此基礎(chǔ)上主、備控制器需實(shí)施同步的信息包括：系統(tǒng)狀態(tài)信息、用戶設(shè)定信息和輸出信號(hào)等。

3 ?系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

基于上述設(shè)計(jì)，我們?cè)谀承┚哂腥哂酂醾浞菀蟮腍VAC控制系統(tǒng)中應(yīng)用該方案，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括關(guān)鍵環(huán)境中的冗余AHU控制以及可用數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)的二次泵變頻控制等。經(jīng)過改良設(shè)計(jì)和精密調(diào)試，受控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在受保護(hù)的意外情況發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)切換到備用控制系統(tǒng)，確保受控設(shè)備維持正常運(yùn)行，從而無中斷服務(wù)的情況出現(xiàn)。

通過應(yīng)用該解決方案，控制系統(tǒng)可以針對(duì)如下故障場(chǎng)景獲得冗余備份的保護(hù)，如表1所示。

4 ?方案改進(jìn)及應(yīng)用小結(jié)

在實(shí)施熱備份項(xiàng)目過程中，信號(hào)處理的部分需要額外設(shè)計(jì)組裝，此外，心跳信號(hào)的偵測(cè)和判斷需要占用DDC資源，因此熱備份項(xiàng)目的本質(zhì)是基于軟件的故障決策機(jī)制。

本方案并非完全意義上的冗余控制系統(tǒng)，由于增加的仲裁切換機(jī)構(gòu)自身也會(huì)存在故障點(diǎn)，但經(jīng)過細(xì)心的工序設(shè)計(jì)和周密的故障預(yù)案分析，其整體解決方案可以達(dá)到冗余備份控制的目的，且其經(jīng)濟(jì)型和可實(shí)施性良好，尤其適合既有DDC控制系統(tǒng)的改造與提升。

收稿日期：2019-05-22

作者簡(jiǎn)介：曹玉新（1976—），男，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)中心、生命科學(xué)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