PLC的雙CPU冗余控制實現(xiàn)

1、PLC 的雙 CPU 冗余控 制 實現(xiàn)摘要：本文介紹了在熔鹽爐自動系統(tǒng)中，采用 Allen-BradleyControlLogix雙CPU的PLC控制器，以軟件方式實現(xiàn) CPU冗余控制。這是一種花錢少、效果好的提高系統(tǒng)可靠性的 有效手段。關(guān)鍵詞： CPU 冗余， ControlLogix ，編程PLC 是現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一，是可靠性高、應(yīng)用非常廣泛的工業(yè)控制產(chǎn)品。在中大型模塊化的 PLC 產(chǎn)品中， CPU 模塊（中央處理器）是 PLC 的中心。一些重大的工業(yè)生產(chǎn)線往往要求連續(xù)運行不能停頓，而可靠性再高的 PLC 也不能 保證故障為零，因此，雙 CPU 的冗余控制是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求、提高

2、系統(tǒng)可用性的有效手段。下面以熔鹽爐自控 系統(tǒng)為實例詳述雙CPU冗余控制的實現(xiàn)方法。一、熔鹽爐自動系統(tǒng)綜述 熔鹽爐自控系統(tǒng)是一水硬鋁管道化溶出生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)，控制熔鹽的加熱和循環(huán)，用熔鹽的熱量去循環(huán)加熱鋁礦 石漿。鋁礦石漿的加熱至關(guān)重要，影響最終產(chǎn)品 氧化鋁的質(zhì)量和產(chǎn)量，因此，熔鹽的溫度控制和循環(huán)控制非常重要 。由于熔鹽爐系統(tǒng)在管道化工程中的重要性，同時考慮到熔鹽是一種活躍的化學品，在不同的溫度下有不同的形態(tài)，低 溫下凝固，高溫下不穩(wěn)定會發(fā)生化學反應(yīng)，從而腐蝕管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作簡便和自動化管理是系 統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，因此考慮用一套雙 CPU冗余的PLC、兩套工控機、高質(zhì)量的傳感

3、器、變送器和執(zhí)行機構(gòu)來控制兩臺1200 萬大卡的熔鹽爐、一臺鹽泵、一組鹽閥、一個熔鹽槽和其他相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)熔鹽的加熱和循環(huán)過程自動化、計算機 操作、監(jiān)控和管理的自動化控制。該系統(tǒng)如圖 1 所示。|冗撫電娠 制括I-兀余電理LM!L . I.控制器PLC、工控機（包括顯示器）、通訊網(wǎng)絡(luò)和電源及關(guān)鍵測試點等系統(tǒng)中的重要部件均采用冗余結(jié)構(gòu)，兩套工控機和大屏幕顯示器組成的兩套監(jiān)控操作管理臺并行運行；兩條冗余的ControlNet高速通訊網(wǎng)絡(luò)同時傳送數(shù)據(jù)；兩套直流電源同時向控制器PLC、變送器和開關(guān)量輸入模塊供電，關(guān)鍵測試點同時設(shè)置兩個傳感器測試數(shù)據(jù)。冗余設(shè)計使系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性提高了一倍，而使系統(tǒng)的

4、整體可靠性大大的提高。二、雙CPU的PLC控制器PLC控制器是系統(tǒng)控制的中心，采集系統(tǒng)的全部工況信號，實時控制相關(guān)的設(shè)備動作；同時監(jiān)視生產(chǎn)過程參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)，當危險工況出現(xiàn)時，及時發(fā)出聲光報警，當極限工況出現(xiàn)時，聯(lián)鎖保護設(shè)備，保障生產(chǎn)過程安全。為此，我們選擇了以產(chǎn)品可靠性高著稱的羅克韋爾自動化公司的新一代控制平臺：A-B ControlLogix系列，同時考慮采用雙 CPU模塊冗余，進一步提高系統(tǒng)可靠性，避免因故障出現(xiàn)所引起的生產(chǎn)停頓或安全事故。三、兩種雙CPU冗余方式的比較ControlLogix提供有兩種CPU冗余解決方法，一種為純硬件冗余，另一種為軟件冗余。硬件冗余的方法，是將兩個

5、CPU模塊插在不同的兩個機架上，每個機架上除了CPU模塊，還要有通訊模塊CNBR、熱備模塊SRM和兩個熱備模塊間的連接光纜，如圖 2所示。軟件冗余，是將兩個CPU模塊插在同一個框架上，利用背板通訊，進行冗余控制，如圖3所示_1 Pl 1-=III|2lIIl! V Ip3q圈3孜CPU7T余嵯制的軟件解決育塞謹件配置從以上可以看出，純硬件冗余的方式硬件投入較多，成本開支較大大。而軟件冗余，只需增加一塊CPU模塊，成本增加很少，因為一般像CPU這種PLC的心臟，廠家都會配有備件，用備件來實現(xiàn)冗余控制，既提高了系統(tǒng)的可靠性和可 維護性（可做到在線維護，不影響生產(chǎn)線運行），又不會顯著增加成本開支。單

6、純從可靠性方面分析，純硬件的冗余較之軟件冗余并無優(yōu)勢。因為增加了較多的部件、模塊，這些部件和模塊的故 障，也會影響系統(tǒng)的可靠性。例如，當兩個熱備模塊之間的連接光纜出現(xiàn)故障，同樣會使冗余控制失效。而軟件冗余 只增加了一塊CPU模塊，而兩個CPU模塊的同時故障率幾乎為零。純硬件冗余的優(yōu)點之一，就是不需要軟件進行專門的編程， CPU的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是由兩個熱備模塊來完成的。而軟件冗余中兩個CPU模塊的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是通過軟件編程解決的。因此，軟件冗余編程相對比較復雜，工作量較大。綜合考慮以上因素，本熔鹽爐自動系統(tǒng)采用軟件方式實現(xiàn)PLC的雙CPU冗余控制。兩塊CPU模塊同時在系統(tǒng)中運行

7、，一塊運行于主控模式，另一塊運行于熱備份模式。當其中任一塊 CPU 發(fā)生故障時另一塊 CPU 立即監(jiān)視到并發(fā)出報警 ，自動將正常的 CPU 投入主控模式。 CPU 的無擾動切換，使系統(tǒng)一直受控，確保了安全，同時，使管道化生產(chǎn)線一直 處于正常運行的良好工況中。四、軟件實現(xiàn)CPU 冗余控制的軟件實現(xiàn)編程主要從下面兩方面考慮：1、控制權(quán)的裁決和轉(zhuǎn)移兩塊CPU同時在線運行，一塊處于主控制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主控制權(quán)的CPU具有輸出控制權(quán)，而熱備CPU 同時采集數(shù)據(jù)和保持通訊連接，但輸出被禁止。兩個CPU模塊互相監(jiān)視對方的運行狀態(tài)和通訊情況，一旦發(fā)現(xiàn)對方故障，立即發(fā)出報警，通過ControlN

8、et網(wǎng)，傳送給上位工控機，在操作管理臺上顯示報警。如果是主控 CPU 模塊故障，熱備 CPU 模塊自動獲得主控制權(quán)?？刂茩?quán)的裁決 和轉(zhuǎn)移的軟件框圖如圖 4 所示。萊止髦出I負叵忙竄識團4 JCPU控雜槪載決與轉(zhuǎn)移程序框圖2、兩塊CPU模塊的同步控制由于熱備CPU隨時準備著，一旦主CPU故障，就立即獲取主控制權(quán)而成為主控 CPU,因此，主CPU必須將自己的信 息隨時傳遞給熱備CPU，而熱備CPU必須跟蹤主CPU的變化，與主CPU保持同步，這樣，在兩塊 CPU模塊進行控 制權(quán)的轉(zhuǎn)移時，實現(xiàn)無擾動切換。CPU模塊的同步控制程序框圖如圖5所示。用A-B ControlLogix雙CPU的PLC控制器實現(xiàn)的熔鹽爐自動系統(tǒng)，已于 2001年底開始成功運行于中國鋁業(yè)河南分公 司，運行情況良好，滿足了一水硬鋁管道化溶出氧化鋁生產(chǎn)線的工藝要求。我們的體會是，Contr