D445熱備系統(tǒng)與Control Logix冗余系統(tǒng)通訊研究

楊傳將 ，徐揚帆 ，劉紅兵（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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D445熱備系統(tǒng)與Control Logix冗余系統(tǒng)通訊研究

楊傳將 ，徐揚帆 ，劉紅兵
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：本文敘述了由雙西門子運動控制器D445構成的熱備系統(tǒng)與Control Logix 冗余CPU之間，通過雙通訊模塊，實現(xiàn)Profibus_DP通訊的方案，并對熱備系統(tǒng)中通訊數(shù)據(jù)的控制技術進行了介紹，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的冗余高效性能。

0　引言

SIMOTION是一個全新的西門子運動控制系統(tǒng)，由一個系統(tǒng)來完成所有的運動控制任務，適用于具有許多運動部件的機器。它是世界上第一款針對生產機械而設計的控制系統(tǒng)，將運動控制，邏輯控制及工藝控制功能集成于一身，為生產機械提供了完整的解決方案。

SIMOTION D是SIMOTION的一個緊湊的、基于驅動的版本，以SINAMIC S系列驅動為基礎。SIMOTION D 分為兩個系列：

SIMOTION D410是一個用于單軸應用的緊湊型控制單元，可以直接連接到SINAMICS S120 PM340功率模塊上。

SIMOTION D4X5是一個用于多軸應用的控制單元，可提供三個型號（SIMOTION D425（基本型），SIMOTION D435（標準型），SIMOTION D445（高性能型））。

冗余是采用一定或成倍量的設備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)來參加控制，當某一設備或元器件發(fā)生故障而損壞時，它可以通過硬件、軟件或人為方式互相切換，作為后備設備或元器件替代因故障而損壞的設備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，使控制設備因意外而導致的停機損失降到最低。按冗余的實現(xiàn)方式來分大致可分為：1）硬冗余（hard-redundancy），即采用特殊的硬件模塊或PLC中固化的程序來實現(xiàn)PLC同類故障切換的冗余方式；2）軟冗余（soft-redundancy），既采用編程的方式來實現(xiàn)PLC同類故障切換的冗余方式。冗余控制還涉及到一個概念—同步（synchronization），它是指冗余系統(tǒng)的兩個或多個控制器之間要經常比較各自的狀態(tài)。根據(jù)一定的規(guī)則以決定系統(tǒng)是否工作在正常狀態(tài)，這種狀態(tài)比較和系統(tǒng)可靠性的判斷被稱作同步[1]。

圖1　典型 PLC冗余配置圖

熱備即“熱備用”，是冗余部件的運行方式，主要相對“冷備用”而言?！袄鋫溆谩笔侵競溆迷O備平時不運行，當運行的主設備出現(xiàn)故障時，需要人為去投入備用設備，退出主設備，隔離故障；“熱備用”是指備用設備與主設備同時運行，當主設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動投入備用設備，將故障設備轉為備用或退出[2]。

當前，主流大中型PLC都已經存在了熱備冗余配置，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、故障自診斷、狀態(tài)轉換機制、主從切換功能[2]，典型的冗余配置如圖1所示。AB公司的Control Logix系列PLC就已經存在如圖1所示的硬件冗余配置，實現(xiàn)雙CPU同步運行和無擾動切換功能。

冗余控制的方式已經在工控領域廣泛應用，采用的方式也不盡相同。但是在大型傳動控制系統(tǒng)中，功能強大的D445卻還不能做到像PLC一樣的熱備冗余配置，只能夠通過軟件冗余來實現(xiàn)熱備功能。本文設計了熱備D445系統(tǒng)與冗余PLC系統(tǒng)通訊連接的方案，測試其熱備冗余功能，為傳動系統(tǒng)的安全控制提供進一步保障。

1　系統(tǒng)方案

Control Logix系列PLC與西門子運動控制器D445之間能夠通過第三方通訊模塊實現(xiàn)Profibus-DP通訊方式[3]。由于D445不存在熱備硬冗余配置方案，D445的熱備只能通過部件冗余的方式來實現(xiàn)軟冗余。

1.1 D445軟冗余

在主D445發(fā)生故障時，從D445能夠無擾的接替主D445繼續(xù)運行，從D445必須實時的與主D445保持同步性，并且實時監(jiān)測主D445運行狀態(tài)。

1）同步

軟冗余方式下兩套控制器D445成對使用,其中一個正常運行，一個處于備用狀態(tài)。為了保證無擾動的切換，實現(xiàn)控制器鏈路之間的快速可靠的數(shù)據(jù)交換，兩個D445之間通過光纖進行通訊鏈接。

兩個控制器必須使用相同的用戶程序，自動地接受相同的數(shù)據(jù)塊、過程映像和相同的內部數(shù)據(jù)，例如定時器、計數(shù)器、位存儲器等，這樣可以確保兩個控制器同步地更新內容，任意一個系統(tǒng)有故障時，另一個可以承擔全部控制任務[4]。同步一般采用“事件驅動同步”，當兩個子單元的內部狀態(tài)不同時（直接I/O 訪問、中斷、報警、用戶定時器更新、通過通信功能修改數(shù)據(jù)） 就會進行同步操作。PLC硬件冗余同步是通過操作系統(tǒng)自動執(zhí)行同步功能,不需要用戶編程，D445沒有自動同步操作系統(tǒng)，除了一樣的運行控制邏輯外還必須獨立編輯程序，通過物流通訊鏈路，實時交換運行過程數(shù)據(jù)。

2）狀態(tài)轉換

從D445實時監(jiān)測主D445運行狀態(tài)，當主控制器故障失效時，通過事先在控制器程序中編制的主/ 從控制器監(jiān)控程序，和主/ 從控制器數(shù)據(jù)交換處理程序來實時監(jiān)控。判斷主/ 從控制器的工作狀況，采用軟件方式將從控制器轉換成主控制器，接替正常的系統(tǒng)控制，主控制器停止運行，在故障復位重啟后再次與從控制器同步并接替運行。主備系統(tǒng)的切換時間=故障診斷檢測時間+同步數(shù)據(jù)傳輸時間+DP從站切換時間[1]

1.2 系統(tǒng)整體設計

Control Logix系列冗余PLC系統(tǒng)在與熱備D445進行通訊時必須配置兩個第三方通訊模塊，才能實現(xiàn)二選一熱備冗余容錯模式。采用兩套設計完全相同的通訊配置，當其中一套控制模塊發(fā)生故障后，另一套模塊實現(xiàn)無縫接管。冗余控制系統(tǒng)結構如圖2。

圖2　系統(tǒng)方案配置圖

2　數(shù)據(jù)控制

系統(tǒng)存在兩路完全一致的通訊鏈路及數(shù)據(jù)，當D445熱備系統(tǒng)在發(fā)生切換時，系統(tǒng)接受的通訊數(shù)據(jù)必須隨之發(fā)生改變。正確的辨識有效通訊數(shù)據(jù)才能達到對熱備D445的完美控制。

2.1 通訊判斷

D445屬于高性能運動控制器，其運行周期非常短，一般小于Control Logix系列冗余PLC的掃描周期，合理的判斷它們之間的通訊狀態(tài)非常重要。通訊通道狀態(tài)的判斷，一般有三種方法：

1）心跳判斷，發(fā)送方發(fā)送一個心跳信號，當接收方監(jiān)測到心跳信號不再跳動時，即認為通訊中斷。2）循環(huán)判斷，發(fā)送方發(fā)送一個循環(huán)變化信號，當接收方監(jiān)測到循環(huán)信號不再變化時，即認為通訊中斷。3）失效判斷，發(fā)送方發(fā)送一個恒高電平信號，當接收方監(jiān)測不到該高電平信號時，即認為通訊中斷。

D445熱備配置的系統(tǒng)為高效系統(tǒng)，為了不影響系統(tǒng)的性能，需要快速的判斷系統(tǒng)與兩個D445的通訊狀態(tài)，因此采用第二種與第三種相結合的判斷方式，任意一種方法判斷出通訊中斷，系統(tǒng)即認為與相應的D445失去連接。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

1）狀態(tài)數(shù)據(jù)切換。

2）D445運行狀態(tài)監(jiān)測。

3　性能測試

系統(tǒng)配置方案目前已經設計并應用，現(xiàn)場進行如下運行測試：1）Profibus-DP通訊網(wǎng)絡中斷。主D445連接的網(wǎng)絡中斷時，系統(tǒng)讀取D445數(shù)據(jù)無擾動；從D445網(wǎng)絡中斷時，系統(tǒng)自動轉換讀取主D445數(shù)據(jù)，無擾動。2）D445故障。主D445故障時，從D445無擾接替，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)無擾動；從D445故障時系統(tǒng)自動轉換讀取主D445數(shù)據(jù)，也無擾動。

4　結束語

本文設計的熱備D445系統(tǒng)與Control Logix冗余PLC進行通訊連接時，無論通訊網(wǎng)絡的中斷還是D445的故障切換，都已經實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的無擾監(jiān)控。熱備D445系統(tǒng)雖然還不能像PLC一樣實現(xiàn)硬冗余無擾來回切換，但也已經實現(xiàn)了主從同步運行、狀態(tài)監(jiān)測及從機的無擾替代功能。對于整個控制系統(tǒng)而言，熱備D445系統(tǒng)不僅發(fā)揮了D445的高效運動控制能力，冗余PLC的監(jiān)控能力，安全性能上又得到了大大提高。

參考文獻：

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[5] 沈璐璐,艾鋼.電推船能量管理系統(tǒng)中冗余控制的研究與實現(xiàn) [J].機電一體化，2015,（5）:28-31.

Research on Communication between Double D445 Hot Standby System and Control Logix Redundancy System

Yang Chuanjiang,Xu Yangfan ,Liu Hongbing
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:In this paper,the Profibus_DP communication scheme is realized between hot standby system consisting of double SIEMENS Motion controller D445 with Control Logix Redundancy system,by using the dual communication module,the control technology of the communication data in the hot standby system is introduced,and the redundant and efficient configuration of the whole system are realized.

Keywords:redundancy;D445;hot standby;communication

作者簡介：楊傳將（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：電氣自動化、電氣傳動系統(tǒng)。

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0078-03

關鍵字：冗余D445熱備通訊