PLC軟冗余系統軟硬件組成及實現原理

在工業自動化系統中，為了使系統長期穩定可靠地運行，大量選用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，甚至在此基礎上組建冗余系統進一步提高系統的可靠性。冗余的分類方式很多。目前，采用的PLC冗余方式分為2種，即軟冗余和硬冗余。西門子公司在這2方面均給出了解決方案。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但構建系統成本也較高。而基于S7-300或S7-400的軟冗余是一種綜合考慮提高可靠性和降低成本的折中方案。目前，軟冗余系統已經在污水處理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍應用。但目前對于軟冗余的性能，仍缺乏系統的研究。文中首先敘述西門子PLC軟冗余系統的實現原理，然后重點分析主備切換時間和數據同步時間，以便為類似控制系統設計提供參考依據。
1、 軟冗余實現原理
典型的PLC軟冗余系統組成案例如圖1所示。

圖1 典型的PLC軟冗余系統組成

在系統運行時2個CPU均啟動，但只有主CPU執行控制命令，備用CPU檢測主CPU狀態，時刻準備接替主CPU繼續工作。與主CPU通信的IMl 53—2模塊處于激活狀態使主CPU能訪問I／0模塊。當系統發生特定故障時，系統可以實現主備切換，備站接替主站繼續運行。這些故障包括：主機架電源、背板總線等故障；CPU故障；Profibus現場總線網絡故障；ET200M站的通信接口模塊IMl53故障。
PLC軟冗余系統要實現軟冗余功能，需要存程序中調用冗余軟件包的功能模塊，其主要包括：初始化冗余系統運行參數的FCl00模塊；故障診斷、主備切換的FCl02模塊；發送／接收數據的FBl03模塊；調用FBl03進行數據同步、分析系統狀態的FBl01模塊。帶有冗余功能的程序結構見圖2。

圖2 帶有冗余功能的程序結構

在PLC每個循環執行周期中，主系統先凋用FBl01接收并分析備系統狀態，然后執行冗余程序，最后再調用FBl01將需要同步的數據發送到備系統。備系統先調用FBl01接收并分析主系統狀態，跳過冗余程序，然后將備系統狀態發送到主系統。需注意的是，實現冗余功能的最重要模塊FBl01執行時先分析主備系統狀態，然后再發送數據(或接收數據)。由于軟件是順序執行控制工程網版權所有，將導致接收到對方故障信息后，對故障處理的滯后。軟件順序執行機制是導致軟冗余切換時間較長的一個重要原因。
2、主備切換時間分析
主備切換時間是指系統發生故障到備站接替主站正常丁作所需要的時間。
2.1 主CPU或電源模塊故障分析
當前2種故障發生時，ET200M站的主通信接口模塊IMl53與主CPU失去連接。自動在主備通信接口模塊IM]53之間實現切換。同時備CPU在向主CPU發送備站狀態時將檢測到同步線數據傳輸錯誤，繼而主動切換成主CPU。
如果主CPU故障出現在備CPU調用FBl01執行發送功能之前，那么接下來備CPU在調用發送功能時就能檢測到與主CPU通信連接故障，并在下一個周期調用接收功能時備CPU切換成主CPU。此時主備切換時間t最短。
(1)
式中t為主備切換時間；Tcyc為PLC循環掃描周期；t（FB101）為冗余功能塊FBl01執行時間。