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PLC软冗余系统软硬件组成及实现原理
时间:2022-02-14 14:22:01

在工业自动化系统中,为了使系统长期稳定可靠地运行,大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器,甚至在此基础上组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。冗余的分类方式很多。目前,采用的PLC冗余方式分为2种,即软冗余和硬冗余。西门子公司在这2方面均给出了解决方案。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高,但构建系统成本也较高。而基于S7-300或S7-400的软冗余是一种综合考虑提高可靠性和降低成本的折中方案。目前,软冗余系统已经在污水处理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍应用。但目前对于软冗余的性能,仍缺乏系统的研究。文中首先叙述西门子PLC软冗余系统的实现原理,然后重点分析主备切换时间和数据同步时间,以便为类似控制系统设计提供参考依据。 1、 软冗余实现原理 典型的PLC软冗余系统组成案例如图1所示。

图1 典型的PLC软冗余系统组成

在系统运行时2个CPU均启动,但只有主CPU执行控制命令,备用CPU检测主CPU状态,时刻准备接替主CPU继续工作。与主CPU通信的IMl 53—2模块处于激活状态使主CPU能访问I/0模块。当系统发生特定故障时,系统可以实现主备切换,备站接替主站继续运行。这些故障包括:主机架电源、背板总线等故障;CPU故障;Profibus现场总线网络故障;ET200M站的通信接口模块IMl53故障。 PLC软冗余系统要实现软冗余功能,需要存程序中调用冗余软件包的功能模块,其主要包括:初始化冗余系统运行参数的FCl00模块;故障诊断、主备切换的FCl02模块;发送/接收数据的FBl03模块;调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。带有冗余功能的程序结构见图2。

图2 带有冗余功能的程序结构

在PLC每个循环执行周期中,主系统先凋用FBl01接收并分析备系统状态,然后执行冗余程序,最后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。备系统先调用FBl01接收并分析主系统状态,跳过冗余程序,然后将备系统状态发送到主系统。需注意的是,实现冗余功能的最重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态,然后再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行控制工程网版权所有,将导致接收到对方故障信息后,对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。 2、主备切换时间分析 主备切换时间是指系统发生故障到备站接替主站正常丁作所需要的时间。 2.1 主CPU或电源模块故障分析 当前2种故障发生时,ET200M站的主通信接口模块IMl53与主CPU失去连接。自动在主备通信接口模块IM]53之间实现切换。同时备CPU在向主CPU发送备站状态时将检测到同步线数据传输错误,继而主动切换成主CPU。 如果主CPU故障出现在备CPU调用FBl01执行发送功能之前,那么接下来备CPU在调用发送功能时就能检测到与主CPU通信连接故障,并在下一个周期调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t最短。(1) 式中t为主备切换时间;Tcyc为PLC循环扫描周期;t(FB101)为冗余功能块FBl01执行时间。

关键词: 软冗余系统 切换机制

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