田大海，黃允凱，林鶴云

1  引言

    可編程邏輯控制器（PLC）作為工業(yè)自動(dòng)化的核心設備，在港口、環(huán)保、機械加工、冶金和電力等重要工業(yè)領(lǐng)域的應用愈來(lái)愈廣泛，其系統的高可靠性通常通過(guò)冗余控制設計來(lái)實(shí)現。

    本文采用Rockwell Automation的新一代控制器ControlLogix5550作為主控制器，設計了一個(gè)冗余控制系統。該系統具有較強的容錯功能，當出現某些故障時(shí)，系統仍能執行規定的任務(wù)，并且執行結果也不會(huì )因系統中的各種故障而產(chǎn)生差錯。文中詳細介紹了系統結構、冗余設計思路和冗余實(shí)現過(guò)程，對于重要工業(yè)控制場(chǎng)合的冗余控制設計具有一定的指導意義。

2  ControlLogix5550控制器與系統結構

2.1  ControlLogix5550控制簡(jiǎn)介

    ControlLogix是新一代PLC產(chǎn)品，其強大的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)功能為EtherNet/DeviceNet/DH+/Remote I/O/DF1等多種網(wǎng)絡(luò )的互相連接提供了極大的方便，它把這些網(wǎng)絡(luò )的掃描模塊集中到同一架構的不同插槽上，并由一臺控制器來(lái)統一管理，不同網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)地址由不同網(wǎng)絡(luò )的掃描模塊來(lái)決定，可以手動(dòng)設定。ControlLogix控制器模塊1756-L1是一個(gè)32位的控制器。

2.2  系統結構

    系統全部采用Rockwell Automation公司的軟硬件，硬件包括兩臺ControlLogix5550控制器、控制開(kāi)關(guān)、1305變頻器以及DeviceNet及ControlNet接口適配器。軟件有組態(tài)軟件RSLinx 和RSNetworx，以及對ControlLogix5550進(jìn)行編程的RSLogix5000。在連接好網(wǎng)絡(luò )之后，使用上述軟件對DeviceNet下的設備網(wǎng)設備進(jìn)行組態(tài)，然后進(jìn)行編程調試，即可完成對系統的實(shí)現。

    系統采用了CPU冗余的實(shí)現方案，即由兩個(gè)CPU同時(shí)控制被控對象，兩臺控制器分別監視對方的工作狀態(tài)，以便在需要的時(shí)候迅速做出切換。系統中的被控對象主要是以三相異步電動(dòng)機為負載的1305變頻調速器。由于程序的不穩定性，CPU運行錯誤造成故障的可能性要遠比由硬件損壞造成故障的可能性要大，因而本例中采用雙PLC單總線(xiàn)的結構，兩臺控制器均為ControlLogix5550，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC1和PLC2，在編程時(shí)對兩臺控制器分別寫(xiě)入程序，兩臺控制器中的程序是完全對稱(chēng)的。參照圖1，以節點(diǎn)14的控制開(kāi)關(guān)控制終端的起停，節點(diǎn)06、60代表兩臺PLC，節點(diǎn)17是驅動(dòng)三相異步電動(dòng)機的變頻調速器AC Driver 1305。

    掃描模塊1756-DNB是設備與控制器ControlLogix5550之間的通信接口。它通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與DeviceNet的現場(chǎng)設備進(jìn)行通信，即從設備讀入數據、輸出數據到設備、下載組態(tài)數據和監視設備的運行狀態(tài)。

    工作時(shí)，1756-DNB以一定的方式依次掃描各個(gè)設備，對其參數進(jìn)行采集，并將采集到的數據映射到掃描器中與掃描方式相對應的數據緩沖區，再轉換成ControlLogix5550能接受的數據格式供控制器讀取，這樣就可以將現場(chǎng)總線(xiàn)中各設備的實(shí)時(shí)信息反饋到控制器，以便根據程序做出相應的反應。數據經(jīng)ControlLogix5550處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對應的輸出數據緩沖區，轉換為各設備可以接受的數據格式，輸出到各設備，從而對其工作進(jìn)行控制。由此可見(jiàn)，PLC控制器只需要讀入、輸出規定格式的數據，專(zhuān)門(mén)負責數據處理；而數據的采集、發(fā)送、緩沖和格式轉換由掃描器完成，ControlLogix5550和1756-DNB并行工作也使得控制器的輸出對輸入的響應時(shí)間縮短，有利于實(shí)現實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。這樣即便是像PID指令這種對實(shí)時(shí)性要求較高的操作也可以收到良好的效果。

3  冗余控制的實(shí)現

3.1  設計思想

    系統控制對象是工業(yè)現場(chǎng)的電機，也可以是其它有較高可靠性要求的工業(yè)控制設備，冗余的實(shí)現方式是同時(shí)采用兩臺控制器ControlLogix5550，其中一臺為主機，另一臺作為系統的備份，為副機，正常情況下由主機控制整個(gè)系統，副機保持與主機通訊，監控主機的運行狀態(tài)。當副機監視到主機的運行故障的時(shí)候，立即運行切換程序，將控制權轉到副機，而當主機的故障恢復之后，則控制權重新交還給主機。

3.2  系統監控功能

    該功能由一個(gè)脈沖發(fā)生程序，以及一個(gè)脈沖接收程序實(shí)現。脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生“心跳線(xiàn)”信號，由ControlLogix5550內部自帶的計時(shí)器構成，周期0.2秒，接收端的I槽負責接收來(lái)自對方機器的“心跳線(xiàn)”信號，故障判斷程序由計數器和計時(shí)器組成，計時(shí)器的設定時(shí)間比接收到規定數目脈沖的時(shí)間要長(cháng)，這樣，在脈沖被正常發(fā)送、接收的時(shí)候錯誤信號是不會(huì )被觸發(fā)的，只有當一定時(shí)間內沒(méi)有收到規定數量的脈沖信號時(shí)，計時(shí)器的完成位DN信號就觸發(fā)輸出錯誤信號，給對方接收。在程序中可設定當某臺機器接收到來(lái)自對方機器的本機發(fā)生錯誤的信號時(shí)，就立即完成一次控制權的更迭。計時(shí)器的各控制位的含義及階梯條件見(jiàn)表1。

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