林喜春，田雪嬌

1.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110141

2.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽(yáng) 110141

0 引言

伴隨著機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前我國(guó)機(jī)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(dòng)化程度，其中可編程序控制器即PLC是將電子、計(jì)算機(jī)和邏輯自動(dòng)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(jī)床，并集合半自動(dòng)及自動(dòng)設(shè)備組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)編程靈活、控制簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。但為了實(shí)現(xiàn)預(yù)防故障滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)采用冗余控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性運(yùn)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(guò)程中造成固有的故障，可以通過(guò)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(yùn)行中的振動(dòng)沖擊和操作人員操作不當(dāng)?shù)冗\(yùn)行中造成的故障；還有設(shè)備軟硬件缺陷或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(dòng)化系統(tǒng)中的某一個(gè)故障造成停機(jī)便會(huì)使生產(chǎn)付出昂貴的代價(jià)和寶貴的時(shí)間。針對(duì)上述故障均應(yīng)采用冗余控制設(shè)計(jì)技術(shù)，以減少由于故障對(duì)生產(chǎn)造成的影響。

冗余控制技術(shù)是在系統(tǒng)運(yùn)行中，將某硬件或軟件設(shè)置為準(zhǔn)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(dòng)將切換該備用設(shè)備，這樣保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，實(shí)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(shí)也設(shè)置多套控制系統(tǒng)參與控制。可以采用軟件或人為的方式在統(tǒng)中的某一設(shè)備或器件損壞發(fā)生故障時(shí)，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(yùn)行，減少了由于控制設(shè)備損壞故障引起的停機(jī)情況，避免了由于影響生產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)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(duì)系統(tǒng)電源采用冗余技術(shù)，避免由于停電造成停機(jī)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(guò)電源電纜將冗余電源適配器模塊與系統(tǒng)框架連接，對(duì)PLC進(jìn)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(shí)，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(guò)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，當(dāng)電源模塊放生故障時(shí)可將其狀態(tài)信息傳送顯示，使操作人員及時(shí)維護(hù)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(guò)冗余通信電纜連接交換信息，對(duì)PLC進(jìn)行直接冗余供電。

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

2.1 采用硬冗余方式實(shí)現(xiàn)冗余控制

硬冗余是指采用對(duì)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(shí)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(shí)工作，設(shè)置其中一套作為主處理器，在正常工作時(shí)直接運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅輸入信號(hào)而且輸出信號(hào)。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(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，但并不輸出信號(hào)。這兩套設(shè)備屬于硬件連接方式形成對(duì)處理器發(fā)生故障時(shí)的切換。通常除了設(shè)置上述兩套處理器外，同時(shí)還設(shè)置熱備模塊一套或兩套。設(shè)置的熱備模塊不僅負(fù)責(zé)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)下處理器的狀態(tài)，同時(shí)還負(fù)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(shí)鐘同步。這樣當(dāng)主處理器發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)切換為從處理器，通過(guò)設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)切換后從處理器進(jìn)入工作狀態(tài)可以從斷點(diǎn)處開(kāi)始，無(wú)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(shí)配套設(shè)置兩套電纜的通信模式，此時(shí)由兩套電纜組成的通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)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(fù)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(shí)同時(shí)監(jiān)控兩套通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主要負(fù)責(zé)工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)發(fā)生傳輸問(wèn)題時(shí)，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(shí)，單通信模塊會(huì)對(duì)主要負(fù)責(zé)工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)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(shí)還會(huì)通知報(bào)警使操作人員及時(shí)維護(hù)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(shí)現(xiàn)冗余控制

軟冗余是指采用軟件編程的方式來(lái)實(shí)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(yùn)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(shí)關(guān)鍵編制同步控制程序?qū)崿F(xiàn)冗余控制，通過(guò)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(shí)，是通過(guò)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(shí)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(shí)對(duì)兩套處理器進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)主處理器模塊超時(shí)響應(yīng)發(fā)生故障時(shí)，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(shí)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(diǎn)。

通信的軟冗余方式是指采用兩套單獨(dú)的通信模塊，編制處理器軟件程序進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括兩套單獨(dú)的通信模塊中的狀態(tài)和通信質(zhì)量。通過(guò)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(cè)通信模塊狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳送超時(shí)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(wèn)題，軟件程序會(huì)自動(dòng)改變工作的通信模塊，并切換通信網(wǎng)絡(luò)，通知報(bào)警使操作人員及時(shí)處理故障，保證系統(tǒng)正常工作。

除了上述對(duì)電源、處理器和通信的冗余控制外，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制需要對(duì)CPU、控制總線、網(wǎng)卡和軟件進(jìn)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(shí)，傳統(tǒng)方法只能停機(jī)或采用手動(dòng)處理。在PLC控制系統(tǒng)中采用冗余控制，一旦發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換主備設(shè)備，使系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。目前除了機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(shì)必十分廣泛。

[1]浙江大學(xué)自動(dòng)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(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2000，2.