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摘要：針對ControlLogix控制系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的一些故障現(xiàn)象，從控制系統(tǒng)硬件配置、模塊數(shù)據(jù)交換和控制網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的工作原理出發(fā)，對故障原因進行詳細(xì)的分析，并提出相應(yīng)的解決方法和建議。
關(guān)鍵詞：ControlLogix；PLC；控制系統(tǒng)；ControlNet；故障分析

Abstract: Aiming at some failure phenomenon of ControlLogix control system in operational process, this paper makes a detail analysis about failure reason from hardware configuration of control system, operational principle of module data exchange and control net configuration, and provides the corresponding strategies.
Key words: ControlLogix; PLC: Control system; ControlNet; Fault analysis

1  概述

    浙江長興發(fā)電有限公司一期工程2×300MW機組輸灰輸渣程控系統(tǒng)采用美國AB公司的ControlLogix控制系統(tǒng)。PLC控制器采用32位總線的Logix5555，基本內(nèi)存750K，擴展內(nèi)存1.5M，通過SRM熱備模塊實現(xiàn)雙CPU間的互為備用。控制系統(tǒng)各框架通過連接模塊CNBR組成雙通道冗余（ControlNet）網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可達(dá)5MB/s。畫面監(jiān)控軟件為iFIX2.6中文版，采用OPC通訊方式通過上位機內(nèi)置的1784-KTCX網(wǎng)卡連接到控制網(wǎng)上。該系統(tǒng)自2002年底投入運行以來，一直存在著很多問題，給正常生產(chǎn)帶來了很大的影響和危害。主要表現(xiàn)在：控制器及網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢，程序下載或上裝時間長；通訊模塊負(fù)荷率偏高，網(wǎng)絡(luò)使用效率較低；網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常中斷，上位機掃描不到I/O點，出現(xiàn)大量"COMM"報警點，致使內(nèi)存溢出而死機等。現(xiàn)就主要的幾個問題介紹如下。

2  控制器運行緩慢

2.1  原因分析
    控制器選用了Logix5555外加1.5M擴展內(nèi)存，作為AB的第三代控制產(chǎn)品，每個控制器允許250個通訊連接，該控制器不僅可以控制和組態(tài)本地框架內(nèi)的I/O模塊，還可以控制和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)上任何遠(yuǎn)程框架上的I/O模塊，控制能力可達(dá)數(shù)字量128 000點或模擬量4 000點。輸灰程控系統(tǒng)數(shù)字量為1 552點，模擬量138點；控制器內(nèi)存已使用619K，尚有66.2%的內(nèi)存空閑。應(yīng)該說系統(tǒng)硬件的可利用資源較為富裕。
    但在實際運行中，控制器運行速度緩慢，這是因為控制器具有生產(chǎn)（廣播）和使用（接收）的連接方法來共享標(biāo)簽的能力。生產(chǎn)和使用標(biāo)簽都需要進行連接。生產(chǎn)者（生產(chǎn)標(biāo)簽數(shù)）≤127個；客戶（使用標(biāo)簽數(shù)）≤250個；每個生產(chǎn)者生產(chǎn)的標(biāo)簽本身占用一個連接，而且客戶使用此標(biāo)簽的控制器也要占用一個連接。一個控制器所支持的整個標(biāo)簽組為：生產(chǎn)者標(biāo)簽數(shù)+客戶標(biāo)簽數(shù)≤250。每個客戶使用標(biāo)簽需要與控制器有一個連接，以便使用。當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)的標(biāo)簽數(shù)增加時，客戶可使用的標(biāo)簽數(shù)則會相應(yīng)減少。
    輸灰程控系統(tǒng)程序經(jīng)過幾次大的修改，未能及時更新整理標(biāo)簽，造成程序中有很多無用的標(biāo)簽下載到CPU中，占用控制器標(biāo)簽連接數(shù)，使CPU處理速度減慢。
2.2  解決方法
    在ControlLogix程序中，系統(tǒng)具有對未使用標(biāo)簽、生產(chǎn)者標(biāo)簽、客戶標(biāo)簽、模塊標(biāo)簽、已強制標(biāo)簽進行分類的功能，檢查發(fā)現(xiàn)有近15%的標(biāo)簽一直未被使用過。對程序中無用標(biāo)簽進行刪除并下載至PLC控制器，程序下載和上裝速度明顯加快，程序掃描時間由3019μs降至1815μs；PLC內(nèi)存消耗也減少了近10%（559K）。

3  CNBR模塊CPU負(fù)荷率偏高，網(wǎng)絡(luò)效率較低

    原系統(tǒng)中各CNBR模塊CPU使用率一般都在30%以上，其中控制器框架內(nèi)的CNBR模塊CPU負(fù)荷率高達(dá)70%以上，當(dāng)操作較多或在事故狀態(tài)下，CPU將長時間處于滿負(fù)荷運行。
3.1  模塊數(shù)據(jù)交換工作原理
    ControlLogix控制系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)交換采用生產(chǎn)者/用戶方式，I/O模塊不再是被動的數(shù)據(jù)承受者，而是主動的數(shù)據(jù)產(chǎn)生者，它們按照定義的刷新時間發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。在控制器中，程序掃描和I/O掃描是分別進行的，I/O數(shù)據(jù)暫存在定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，程序掃描則引用緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。I/O數(shù)據(jù)的刷新時間完全地獨立于程序掃描時間，它取決于模塊信息傳遞方式。
    I/O模塊的類型和框架位置決定了控制器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與I/O模塊之間傳遞的信息方式。對處于本地框架模塊：數(shù)字量輸入模塊可使用COS（Change-Of-State）方式，也可以指定為RPI（Requested-Packet-Interval）方式；模擬量輸入模塊則可采用實時采樣（RTS）方式；對于輸出模塊（包括數(shù)字量和模擬量），在控制器發(fā)送數(shù)據(jù)后模塊幾乎可以立即接收到數(shù)據(jù)。
    對處于遠(yuǎn)程框架的模塊，通過1756-CNBR模塊將同一機架上的I/O模塊的數(shù)據(jù)合并，構(gòu)成了邏輯機架優(yōu)化連接。該方式下，控制器與通訊模塊之間建立單一連接，然后通訊模塊與每個I/O模塊建立連接，通訊模塊收集來自各個I/O模塊的數(shù)據(jù)存入CNBR數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，打包后一起通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
3.2  原因分析
    根據(jù)模塊數(shù)據(jù)交換工作原理，數(shù)據(jù)交換效率在很大程度上取決于控制器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、CNBR模塊和I/O模塊的刷新時間設(shè)置值，即RPI值。RPI（請求信息包間隔）是一種循環(huán)數(shù)據(jù)交換，用以指定控制器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與模塊之間數(shù)據(jù)的交換速率，時間范圍從200μs到750ms。RPI值越小，控制器與各個模塊數(shù)據(jù)的交換速度越快，消耗控制器資源及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊CNBR的資源也就越多。對于本系統(tǒng)而言，有14個1756-CNBR通訊模塊，近二千點的I/O點，CNBR和數(shù)字量模塊的RPI值為5ms，模擬量輸入模塊為100ms，模擬量輸出模塊為25ms，由于開關(guān)量和模擬量無快速數(shù)據(jù)交換要求，設(shè)置值偏小，使CNBR負(fù)荷率上升。
3.3  解決方法
    根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點數(shù)、模塊數(shù)、I/O點數(shù)以及硬件配置情況，在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，選用適當(dāng)?shù)腞PI值。經(jīng)過多次的試驗，最后把所有的CNBR模塊和數(shù)字量模塊的RPI時間改為40ms，模擬量模塊的RPI時間改為320ms。參數(shù)修改下載運行后，各CNBR模塊的CPU負(fù)荷率明顯下降，如表1所示。

表1  修改前后CPU負(fù)荷率的對比

4  ControlNet網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢

4.1  系統(tǒng)ControlNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，ControlNet控制網(wǎng)絡(luò)由兩個互為獨立的子網(wǎng)組成，即本地網(wǎng)和遠(yuǎn)程網(wǎng)。兩個網(wǎng)絡(luò)分別通過獨立的CNBR模塊接至CPU框架。本地網(wǎng)各框架間距離較近，采用75Ω同軸電纜連接；遠(yuǎn)程網(wǎng)有三個框架，距離超過1000m，采用光纜連接。三臺上位機掛在本地網(wǎng)。

圖1  輸灰程控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.2  網(wǎng)絡(luò)速度緩慢原因分析
    從上述網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)分析，網(wǎng)絡(luò)硬件的規(guī)劃不僅有效地分配了數(shù)據(jù)流量，提高系統(tǒng)性能，而且有利于網(wǎng)絡(luò)的維護，因此造成網(wǎng)絡(luò)速度緩慢的原因應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的參數(shù)設(shè)置上。
   ControlNet網(wǎng)是一種符合開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型底層要求的新型通信網(wǎng)絡(luò)，最重要的功能是傳送對時間有苛刻要求的控制信息（即I/O狀態(tài)和控制互鎖），它通過時間限制存取算法來控制，即用并行時間域多路存取（CTDMA）方法，在每個網(wǎng)絡(luò)刷新間隔（NUI）內(nèi)調(diào)節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。通過網(wǎng)絡(luò)刷新時間（NUT）來組態(tài)NUI重復(fù)的頻繁程度。完整的NUT是預(yù)定信息、未預(yù)定信息和維護信息傳送時間的總和。因此改善帶寬利用率，就必須盡可能的減少用戶預(yù)定節(jié)點數(shù)來減少預(yù)定信息量，提高NUT預(yù)定部分傳送數(shù)據(jù)能力；通過合理設(shè)置NUT值來控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，同時使組態(tài)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)配置與系統(tǒng)實際情況相符合，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。
4.3  解決對策
    根據(jù)原因分析，首先對系統(tǒng)各節(jié)點地址從01開始按順序重新安排地址，使用戶最大預(yù)定節(jié)點號由原來的30減小到14；適當(dāng)增加NUT值（由5ms增加到10ms），減少NUI重復(fù)性，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量；修改網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)配置，根據(jù)二個網(wǎng)絡(luò)實際情況（一個為同軸電纜網(wǎng)，一個為光纖與同軸電纜混合網(wǎng)）分別進行詳細(xì)配置。上述優(yōu)化需用Rsnetworx For ControlNet軟件對ControlNet網(wǎng)絡(luò)進行重新組態(tài)并下載。優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2  優(yōu)化結(jié)果

5  結(jié)語

    通過上述性能優(yōu)化操作，系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，上述故障未再出現(xiàn)過。總體上來說，ControlLogix系統(tǒng)是一種先進的PLC控制系統(tǒng)，使用是簡單而方便的，但整個控制系統(tǒng)硬件配置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和數(shù)據(jù)流的規(guī)劃卻是不可忽視的問題，在有大量數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)中顯得尤其重要。

參考文獻:
[1] 浙江大學(xué)羅克韋爾自動化技術(shù)中心編. 可編程控制器系統(tǒng)[M]. 浙江大學(xué)出版社,1999.
[2] Logix5555 Controller User,s Manual. Rockwell International Corporation.