有关控制系统冗余控制的探究

0 引言

伴随着机械自动化技术的迅猛发展，目前我国机械制造业中的常用设备面临着技术改造以提高其自动化程度，其中可编程序控制器即PLC是将电子、计算机和逻辑自动控制技术相结合，采用可编程序控制器即PLC技术改造通用、专用机床，并集合半自动及自动设备组成自动化生产线，可以实现编程灵活、控制简单、抗干扰强和适应性强等特点。但为了实现预防故障满足连续生产要求，还应对系统采用冗余控制技术，提高系统的可靠性运行。

1 冗余控制技术

PLC系统发生的故障包括设备器件生产过程中造成固有的故障，可以通过拆卸更换消除故障；以及由于外部环境如温度和湿度、设备运行中的振动冲击和操作人员操作不当等运行中造成的故障；还有设备软硬件缺陷或长时间运行造成的设备老化引起的故障，均降低了系统的安全性和可靠性。这样在自动化系统中的某一个故障造成停机便会使生产付出昂贵的代价和宝贵的时间。针对上述故障均应采用冗余控制设计技术，以减少由于故障对生产造成的影响。

冗余控制技术是在系统运行中，将某硬件或软件设置为准备状态，作为备用的设备及器件，当系统发生故障，自动将切换该备用设备，这样保证系统持续运行，实现系统不间断的正常工作。通常冗余控制是设置一套由设备及器件组成的控制系统，根据情况有时也设置多套控制系统参与控制。可以采用软件或人为的方式在统中的某一设备或器件损坏发生故障时，切换备用的设备及器件代替故障设备及器件，这样保证了系统持续运行，减少了由于控制设备损坏故障引起的停机情况，避免了由于影响生产造成经济损失，明显的提高系统可靠性。

2 冗余控制技术在控制系统中的应用

为了提高控制系统的可靠性，首先应针对系统电源采用冗余技术，避免由于停电造成停机影响生产。

电源冗余技术是设置两套或多套电源模块供电，分别接到不同的供电电源，可以有两种方式。一种是框架外冗余供电，即通过电源电缆将冗余电源适配器模块与系统框架连接，对PLC进行冗余供电。两套电源模块均出于工作状态，当某一套电源模块发生故障时，另外一套电源模块出于工作状态，仍然可以给PLC系统供电，保证正常工作。系统通过数据数据总线进行现场检测，当电源模块放生故障时可将其状态信息传送显示，使操作人员及时维护替换故障电源模块。另外一种是采用框架内冗余供电，即在PLC框架中设置两套或多套电源模块供电，两套电源通过冗余通信电缆连接交换信息，对PLC进行直接冗余供电。

除了针对系统电源采用冗余技术，同时还可以按照硬冗余方式及软冗余方式针对系统处理器和通信实现冗余控制。

2.1 采用硬冗余方式实现冗余控制

硬冗余是指采用对应的硬件模块以及采用固化程序保证PLC的同步和故障时切换的冗余方式。

处理器的硬冗余方式是指设定处理器及热备模块两套，两套设备同时工作，设置其中一套作为主处理器，在正常工作时直接运转，不仅输入信号而且输出信号。设置另外一套处理器作为从处理器，工作状态下也将其通电，该处理器接收输入信号，进行数据的运算和处理，但并不输出信号。这两套设备属于硬件连接方式形成对处理器发生故障时的切换。通常除了设置上述两套处理器外，同时还设置热备模块一套或两套。设置的热备模块不仅负责检测运行状态下处理器的状态，同时还负责两套处理器互相的数据传输，保证两套处理器的时钟同步。这样当主处理器发生故障时，可以自动切换为从处理器，通过设备模块实现切换后从处理器进入工作状态可以从断点处开始，无缝连接代替主处理器工作，使系统继续正常工作。

通信的硬冗余方式是指采用单通信模块同时配套设置两套电缆的通信模式，此时由两套电缆组成的通信网络同时处于工作状态，数据均在两套电缆中传输。但仅仅其中一套电缆组成的通信网络主要负责工作数据传输，另外一套电缆组成的通信网络作为备用通信网络。单通信模块工作时同时监控两套通信网络，当主要负责工作数据传输的通信网络发生传输问题时，比如接受数据包与接收数据包不一致差距较大时，单通信模块会对主要负责工作数据传输的通信网络进行自动切换，启用备用通信网络替代原通信网络。单通信模块同时还会通知报警使操作人员及时维护维修原通信网络电缆。该方式的通信冗余硬件使用较多，一般不为采用。

2.2 采用软冗余方式实现冗余控制

软冗余是指采用软件编程的方式来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。

处理器的软冗余方式是指设定两套处理器，设置其中一套作为主处理器正常运行，另外一套作为备用。在系统中编制两套处理器的监控程序，同时关键编制同步控制程序实现冗余控制，通过编制两套处理器之间的数据处理程序，判断监控处理器工作状态。当主处理器发生故障时，是通过软件编程的方式控制切换发生故障的处理器，启用备用的另外一套处理器代替故障处理器，保证系统正常工作。通常使用通信电缆将两套处理器模块连接，编制的软件程序定时由备用处理器模块向主处理器模块查询其状态信息，程序同时对两套处理器进行监控，当主处理器模块超时响应发生故障时，则有程序启用备用处理器模块代替故障处理器模块，保证系统正常工作。处理器的软冗余方式受硬件和系统软件的影响较小，当发生故障时切换备用处理器的速度与程序大小、扫描周期和处理器的质量有关。与处理器的硬冗余方式比较，具有速度快成本低的特点。

通信的软冗余方式是指采用两套单独的通信模块，编制处理器软件程序进行监控。监控内容包括两套单独的通信模块中的状态和通信质量。通过软件编程设定主通信模块通信网络和备用通信模块通信网络。编制的软件程序检测通信模块状态、数据传送超时和数据包传输数量差等传输状态。一旦发生通信故障问题，软件程序会自动改变工作的通信模块，并切换通信网络，通知报警使操作人员及时处理故障，保证系统正常工作。

除了上述对电源、处理器和通信的冗余控制外，还可以根据现场控制需要对CPU、控制总线、网卡和软件进行冗余控制。冗余控制包括双重化冗余和三重化冗余。

3 结论

当控制系统出现故障时，传统方法只能停机或采用手动处理。在PLC控制系统中采用冗余控制，一旦发生故障时，系统可自动切换主备设备，使系统持续运行。目前除了机械制造业生产过程中，其他行业的控制系统可靠性均要求非常高，所以PLC冗余控制技术的应用势必十分广泛。

参考文献

[1]浙江大学自动化中心.可编程序控制器系统[M].浙江大学出版社，2000．

[2]李鉴.双冗余通讯网络的可靠性分析与模型[J].计算机与数字工程，2000，2.