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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)自動化的核心設(shè)備，在港口、環(huán)保、機(jī)械加工、冶金和電力等重要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛，其系統(tǒng)的高可靠性通常通過冗余控制設(shè)計來實現(xiàn)。

    本文采用Rockwell Automation的新一代控制器ControlLogix5550作為主控制器，設(shè)計了一個冗余控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯功能，當(dāng)出現(xiàn)某些故障時，系統(tǒng)仍能執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)，并且執(zhí)行結(jié)果也不會因系統(tǒng)中的各種故障而產(chǎn)生差錯。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計思路和冗余實現(xiàn)過程，對于重要工業(yè)控制場合的冗余控制設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

2  ControlLogix5550控制器與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1  ControlLogix5550控制簡介

    ControlLogix是新一代PLC產(chǎn)品，其強(qiáng)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(gòu)的不同插槽上，并由一臺控制器來統(tǒng)一管理，不同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點地址由不同網(wǎng)絡(luò)的掃描模塊來決定，可以手動設(shè)定。ControlLogix控制器模塊1756-L1是一個32位的控制器。

2.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)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(shè)備網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，然后進(jìn)行編程調(diào)試，即可完成對系統(tǒng)的實現(xiàn)。

    系統(tǒng)采用了CPU冗余的實現(xiàn)方案，即由兩個CPU同時控制被控對象，兩臺控制器分別監(jiān)視對方的工作狀態(tài)，以便在需要的時候迅速做出切換。系統(tǒng)中的被控對象主要是以三相異步電動機(jī)為負(fù)載的1305變頻調(diào)速器。由于程序的不穩(wěn)定性，CPU運行錯誤造成故障的可能性要遠(yuǎn)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單總線的結(jié)構(gòu)，兩臺控制器均為ControlLogix5550，以下簡稱PLC1和PLC2，在編程時對兩臺控制器分別寫入程序，兩臺控制器中的程序是完全對稱的。參照圖1，以節(jié)點14的控制開關(guān)控制終端的起停，節(jié)點06、60代表兩臺PLC，節(jié)點17是驅(qū)動三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速器AC Driver 1305。

    掃描模塊1756-DNB是設(shè)備與控制器ControlLogix5550之間的通信接口。它通過網(wǎng)絡(luò)與DeviceNet的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信，即從設(shè)備讀入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)到設(shè)備、下載組態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)。

    工作時，1756-DNB以一定的方式依次掃描各個設(shè)備，對其參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)映射到掃描器中與掃描方式相對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再轉(zhuǎn)換成ControlLogix5550能接受的數(shù)據(jù)格式供控制器讀取，這樣就可以將現(xiàn)場總線中各設(shè)備的實時信息反饋到控制器，以便根據(jù)程序做出相應(yīng)的反應(yīng)。數(shù)據(jù)經(jīng)ControlLogix5550處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)換為各設(shè)備可以接受的數(shù)據(jù)格式，輸出到各設(shè)備，從而對其工作進(jìn)行控制。由此可見，PLC控制器只需要讀入、輸出規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理；而數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、緩沖和格式轉(zhuǎn)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(yīng)時間縮短，有利于實現(xiàn)實時閉環(huán)控制。這樣即便是像PID指令這種對實時性要求較高的操作也可以收到良好的效果。

3  冗余控制的實現(xiàn)

3.1  設(shè)計思想

    系統(tǒng)控制對象是工業(yè)現(xiàn)場的電機(jī)，也可以是其它有較高可靠性要求的工業(yè)控制設(shè)備，冗余的實現(xiàn)方式是同時采用兩臺控制器ControlLogix5550，其中一臺為主機(jī)，另一臺作為系統(tǒng)的備份，為副機(jī)，正常情況下由主機(jī)控制整個系統(tǒng)，副機(jī)保持與主機(jī)通訊，監(jiān)控主機(jī)的運行狀態(tài)。當(dāng)副機(jī)監(jiān)視到主機(jī)的運行故障的時候，立即運行切換程序，將控制權(quán)轉(zhuǎn)到副機(jī)，而當(dāng)主機(jī)的故障恢復(fù)之后，則控制權(quán)重新交還給主機(jī)。

3.2  系統(tǒng)監(jiān)控功能

    該功能由一個脈沖發(fā)生程序，以及一個脈沖接收程序?qū)崿F(xiàn)。脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生“心跳線”信號，由ControlLogix5550內(nèi)部自帶的計時器構(gòu)成，周期0.2秒，接收端的I槽負(fù)責(zé)接收來自對方機(jī)器的“心跳線”信號，故障判斷程序由計數(shù)器和計時器組成，計時器的設(shè)定時間比接收到規(guī)定數(shù)目脈沖的時間要長，這樣，在脈沖被正常發(fā)送、接收的時候錯誤信號是不會被觸發(fā)的，只有當(dāng)一定時間內(nèi)沒有收到規(guī)定數(shù)量的脈沖信號時，計時器的完成位DN信號就觸發(fā)輸出錯誤信號，給對方接收。在程序中可設(shè)定當(dāng)某臺機(jī)器接收到來自對方機(jī)器的本機(jī)發(fā)生錯誤的信號時，就立即完成一次控制權(quán)的更迭。計時器的各控制位的含義及階梯條件見表1。

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