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摘要：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，冗余指出于系統(tǒng)安全和可靠性等方面的考慮，人為地對(duì)一些關(guān)鍵部件或功能進(jìn)行重復(fù)的配置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，比如某一設(shè)備發(fā)生損壞，冗余配置的部件可以作為備援，及時(shí)介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間。冗余尤用于應(yīng)急處理。在現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化模擬信號(hào)采集技術(shù)領(lǐng)域，通常是現(xiàn)場(chǎng)傳感器、調(diào)理電路、ADC采集后輸入到MCU進(jìn)行處理，正常使用不存在任何問題。一旦產(chǎn)品本身出現(xiàn)影響現(xiàn)場(chǎng)使用的故障，將直接導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行停止，影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行。本論文基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，增加冗余采集功能，產(chǎn)品正常工作期間，根據(jù)用戶需要正常輸入現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)采集值，若其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障不能正常采集，則冗余模塊可以繼續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)供系統(tǒng)采納使用，確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行正常，不影響生產(chǎn)運(yùn)行。同時(shí)用戶可以通過更換故障產(chǎn)品的方式，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)冗余產(chǎn)品采集功能，確保現(xiàn)場(chǎng)一直處于冗余采集工作模式。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；冗余技術(shù)；可靠運(yùn)行技術(shù)

Abstract: In the field of industrial automation, redundancy refers tothe artificial and repeated configuration of some key componentsor functions in consideration of system safety and reliability. In case of a system failure, such as the failure of a certain device, redundant components can be used as backup to intervene in time and take on the work of the failed components, thus reducing the system's failure time. Redundancy is especially used for emergency treatment. In thefieldofexistingindustrialautomationanalogsignalacquisition technology, field sensors, conditioning circuits and ADC acquisitionare usually input to MCU for processing after acquisition, and therearenoproblems innormaluse. Oncetheproduct itselfappearsthe fault which affects the field use, it will directly cause the fieldoperation to stop and affect the normal production operation. Based on the principle of system design, this paper increases redundantacquisition capabilities. During the normal operation of the product, the field analog signal acquisition value is normally input accordingto the user's needs. If one of the modules fails to collect normally,the redundant module can continue to collect the signal which isavailable for use system adopted, so as to ensure the equipmentrunning normally without affecting the production operation. At thesame time, users can restore the on-site redundant product collectionfunction by replacing the faulty products to ensure that the site hasalways been in the redundant collection mode.

Key words: PLCtechnology;Redundancytechnology;Reliability technology

可靠安全是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的首要需求。冗余技術(shù)是自動(dòng)化領(lǐng)域可靠安全設(shè)計(jì)中通常采用的一種有效技術(shù)，是提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施安全運(yùn)行、可靠工作的最行之有效的方法之一。為了達(dá)到高可靠性和低失效率相統(tǒng)一的目的，我們通常會(huì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。合理的冗余設(shè)計(jì)將大大地提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)的難度，應(yīng)用冗余配置的系統(tǒng)相應(yīng)地還增加了客戶成本。因此，如何合理有效地進(jìn)行控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，是值得研究的課題。

1 PLC簡介

PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬量輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

2 PLC的特點(diǎn)

（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高

高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。和利時(shí)PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。

（2）高性能、微型化、模塊化、低功耗

和利時(shí)LK控制器配置266MHz或533MHz處理器，擁有納秒級(jí)的處理速度，在速度、性能和功能方面優(yōu)勢(shì)突出。單條執(zhí)行時(shí)間最快為13ns。控制器可擴(kuò)展57344個(gè)數(shù)字量點(diǎn)或3548個(gè)模擬量點(diǎn)。除CPU本體集成2路獨(dú)立串口、1路（或2路獨(dú)立/熱備工作）Ethernet接口和2路熱備冗余PROFIBUS-DP總線外，還可以通過通訊擴(kuò)展模塊外擴(kuò)ModBus等多種接口，支持當(dāng)前廣泛應(yīng)用的通訊協(xié)議。模塊和接線端子上下分開，便于安裝接線，可大大節(jié)省接線時(shí)間，并便于系統(tǒng)維護(hù)。控制器模塊功耗6W，I/O模塊平均功耗2W。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化、開放化設(shè)計(jì)

開放式的軟件設(shè)計(jì)，為各類HMI軟件提供標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。編程軟件符合IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，支持指令表（IL）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）五種編程語言。另外還支持連續(xù)過程控制中經(jīng)典的連續(xù)功能塊圖（CFC）編程。提供了順序、過程、運(yùn)動(dòng)控制和常用標(biāo)準(zhǔn)算法。

（4）可選冗余

可在同一本地背板上配置冗余控制器模塊。采用主、從熱備冗余，主、從控制器模塊同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時(shí)做控制運(yùn)算，但只有主控制器輸出運(yùn)算結(jié)果，且實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。從控制器模塊雖然也采集數(shù)據(jù)和運(yùn)算，但并不輸出控制命令。一旦工作中的主模塊發(fā)生故障，從模塊自動(dòng)升為主且切換過程是無擾的。這種冗余配置方式，極大地提高了PLC系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的能力。

（5）熱插拔

所有模塊（通訊模塊、控制器和I/O模塊）均支持帶電拔插。當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，維修人員可在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修和更換。

3 冗余采集原理及器件選型

3.1 冗余采集原理

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端口，電流信號(hào)經(jīng)防護(hù)通道和采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電路和差分轉(zhuǎn)單端后，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理進(jìn)入ADC采集，最終送入處理器參與運(yùn)算處理。如圖1所示。

圖1 電流信號(hào)通道采集電路原理框圖

電流源的內(nèi)阻相對(duì)負(fù)載阻抗很大，負(fù)載阻抗波動(dòng)不會(huì)改變電流大小。在電流源回路中串聯(lián)電阻無意義，因?yàn)樗粫?huì)改變負(fù)載的電流，也不會(huì)改變負(fù)載上的電壓。

理想電流源，是從實(shí)際電源抽象出來的一種模型，其端口總能向外部提供一定的電流而不論其兩端的電壓為多少，電流源具有兩個(gè)基本的性質(zhì)：

它提供的電流是定值I或是一定的時(shí)間函數(shù)I（t）與兩端的電壓無關(guān)。

電流源自身電流是確定的，而它兩端的電壓是任意的。

穩(wěn)壓二極管，利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。

基于以上電流源和穩(wěn)壓二極管的特性，設(shè)計(jì)電流信號(hào)通道冗余采集電路。原理框圖如圖2所示。

正常工作情況下，電流信號(hào)從AI+端子流入，經(jīng)產(chǎn)品AI-I（1）電流采樣電阻R1，流經(jīng)產(chǎn)品AI-I（2）電流采樣電阻R2，返回到AI-端子，形成電流流通回路。產(chǎn)品AI-I（1）通道和產(chǎn)品AI-I（2）通道均能采集到現(xiàn)場(chǎng)電流信號(hào)值。

若產(chǎn)品AI-I（1）通道出現(xiàn)故障，產(chǎn)品AI-I（2）通道正常，則電流信號(hào)從產(chǎn)品AI-I（1）電流采集通道對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓二極管D1通過，進(jìn)入產(chǎn)品AI-I（2）電流采集通道，形成電流流通回路。AI-I（1）電流采集通道無法采集到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)值，AI-I（2）電流采集通道能采集到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)值。

反之，若產(chǎn)品AI-I（1）通道正常，產(chǎn)品AI-I（2）通道出現(xiàn)故障，則電流信號(hào)從產(chǎn)品AI-I（1）電流采集通道流出，流經(jīng)產(chǎn)品AI-I（2）電流采集通道對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓二極管D2，形成電流流通回路。AI-I（1）電流采集通道可以采集到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)值，AI-I（2）電流采集通道無法采集到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)值。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可以根據(jù)需要增加冗余級(jí)別，實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的冗余采集功能。

圖2 電流信號(hào)通道冗余采集電路原理框圖

3.2 穩(wěn)壓二極管選型

（1）Uz—穩(wěn)定電壓

指穩(wěn)壓管通過額定電流時(shí)兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由于制造工藝的差別，同一型號(hào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值也不完全一致（如圖3所示）。例如，BZT52C5V1型穩(wěn)壓管的Vzmin為4.8V，Vztyp為5.1V，Vzmax則為5.4V。

（2）Iz—額定電流

指穩(wěn)壓管產(chǎn)生穩(wěn)定電壓時(shí)通過該管的電流值。低于此值時(shí)，穩(wěn)壓管雖并非不能穩(wěn)壓，但穩(wěn)壓效果會(huì)變差；高于此值時(shí)，只要不超過額定功率損耗，也是允許的，而且穩(wěn)壓性能會(huì)好一些，但要多消耗電能。例如，BZT52C5V1型穩(wěn)壓管的Iz為5mA。

（3）IR—反向漏電流

指穩(wěn)壓二極管在規(guī)定的反向電壓下產(chǎn)生的漏電流。例如BZT52C5V1型穩(wěn)壓管在VR=2V時(shí)，IR=2uA。

圖3 穩(wěn)壓二極管選型

3.3 電流采樣電阻選型

電阻，是一個(gè)物理量，在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。

在該冗余電路中，為確保通道正常采集最大值時(shí)，穩(wěn)壓二極管不對(duì)通道采樣值造成限制，即4.8V/20mA=240Ω，故采樣電阻R1和R2小于240Ω即可，實(shí)際選擇124Ω。

以上設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，可以實(shí)現(xiàn)通道級(jí)電流信號(hào)冗余采集。

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了PLC模擬量輸入冗余實(shí)現(xiàn)技術(shù)，分析了冗余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，并以和利時(shí)模擬量輸入產(chǎn)品為例，討論了冗余實(shí)現(xiàn)方案。

總而言之，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在長期不間斷運(yùn)行的控制場(chǎng)合，進(jìn)行冗余模擬量輸入是客戶有效選擇的方式之一，根據(jù)實(shí)際需求和市場(chǎng)價(jià)格的可接受程度，開發(fā)具備多級(jí)別冗余功能的采集模塊已經(jīng)成為后期產(chǎn)品的趨勢(shì)。

★基金項(xiàng)目：核高基重大專項(xiàng)（2017ZX01030-202）資助課題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 向曉東. 三菱FX系列PLC完全精通教程[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2018.

[2] 和利時(shí)公司. 數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].

作者簡介：

王輝（1982-），男，研究生，工程師，現(xiàn)任職于北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司，主要研究方向?yàn)镻LC技術(shù)、精密儀器、智能制造、數(shù)據(jù)采集。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年4月刊