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四種常見品牌冗余PLC方案介紹
四種常見品牌冗余PLC方案介紹
下面介紹四種經(jīng)常使用的PLC冗余方案：西門子
S7-300(400)軟冗余與S7-400H硬冗余、施耐德Quantum硬冗余、羅克韋爾的ControlLogix硬冗余和SLC500軟冗余（目前快要停產(chǎn)）、ABB 的AC800M硬冗余方案。
1 西門子冗余方案
1.1 西門子S7-300/400軟冗余方案：
軟冗余方案是實(shí)現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案，可以應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的控制系統(tǒng)中。其軟件、硬件包括：
1套STEP7編程軟件（V5.4）加軟冗余軟件包(V1.2)；
2套PLC控制器及I/O模塊，可以是S7-300或S7-400系統(tǒng)；
3條通訊鏈路，主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS 2）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；
若干個(gè)ET200M從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IM153-2接口模塊和若干個(gè)I/O模塊；
除此之外，還需要一些相關(guān)的附件，用于編程和上位機(jī)監(jiān)控的PC-Adapter（連接在計(jì)算機(jī)串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在筆記本的PCMIA槽里）、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線鏈接器等就可以組成一套完整的軟冗余系統(tǒng)。
在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨(dú)立運(yùn)行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I/O控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過(guò)冗余用戶程序段。
A路與B路CPU的程序需在OB1或OB35里調(diào)用FB 101 ‘SWR_ZYK’ 功能塊，FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，實(shí)現(xiàn)冗余功能。調(diào)用FB101時(shí)，你可以在線地讀出RETURN_VAL參數(shù)的數(shù)值,如果為0，說(shuō)明冗余鏈接正常。在OB100里調(diào)用FC100 ‘SWR_START’塊進(jìn)行軟冗余的初始化，用戶需要在其中定義冗余部分的數(shù)據(jù)區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個(gè)過(guò)程映象區(qū)，一個(gè)定時(shí)器區(qū)，一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)，一個(gè)位地址區(qū)和一個(gè)數(shù)據(jù)塊區(qū)，S7-300同步的最大數(shù)據(jù)量為8 kBytes，S7-400同步的最大數(shù)據(jù)量64kBytes。在OB86里調(diào)用FC102 ‘SWR_DIAG’塊進(jìn)行軟冗余的診斷，導(dǎo)致主從站通訊出錯(cuò)時(shí)CPU不會(huì)發(fā)生停機(jī)。
下載程序時(shí)A路與B路程序必須分別下載，下載完成后當(dāng)CPU的RUN指示燈亮和僅一個(gè)ET200M模塊的ACT指示燈亮，而CPU和ET200M模塊無(wú)SF或BUSF燈閃爍，即代表該軟冗余系統(tǒng)已正常工作。
1.2 西門子S7-400H硬冗余系統(tǒng)方案：
該方案采用西門子S7—400H冗余的PLC控制系統(tǒng)，S7-400H系列PLC是西門子公司專為高端應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的冗余系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備的硬件冗余機(jī)制，其工作電源、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、CPU、操作站均為冗余設(shè)置，一旦主系統(tǒng)發(fā)生故障，能夠自動(dòng)無(wú)縫切換到熱備用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的Master—Reserve轉(zhuǎn)換，使整個(gè)系統(tǒng)可以容錯(cuò)運(yùn)行．從而避免了傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)因故障停機(jī)而造成損失，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
S7-400H 是容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)，只有在其它措施配合下控制安全相關(guān)過(guò)程時(shí)才需要使用。S7-400H的容錯(cuò)性是通過(guò)兩個(gè)并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)的，它們的CPU通過(guò)光纖連接，并通過(guò)冗余的PROFIBUS-DP線路對(duì)冗余I/O進(jìn)行控制。每個(gè)CPU 需要兩個(gè)同步模塊，通過(guò)光纜成對(duì)連接。兩個(gè)冗余的S7-400H CPU 之間的通訊使用同步模塊。在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無(wú)擾動(dòng)的控制傳輸，即未受影響的熱備設(shè)備將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息。
標(biāo)準(zhǔn)S7-400 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程規(guī)則也適用于S7-400H。就用戶程序的執(zhí)行而言，S7-400H 的運(yùn)行方式與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)完全相同。操作系統(tǒng)的集成同步功能會(huì)自動(dòng)在后臺(tái)執(zhí)行，無(wú)需在用戶程序中組態(tài)這些功能。在冗余操作中，用戶程序會(huì)在兩個(gè)CPU 上冗余地存儲(chǔ)并由事件驅(qū)動(dòng)同步執(zhí)行。但我們提供了多個(gè)用來(lái)優(yōu)化程序的塊，用以改善其對(duì)因更新等操作而導(dǎo)致的任何周期延長(zhǎng)情況的響應(yīng)。
除S7-400和S7-400H系統(tǒng)中支持的塊外，S7-400H 軟件還另外提供了可用來(lái)影響冗余功能的塊。通過(guò)STEP 7在用戶程序中使用SFC 51“RDSYSST”執(zhí)行該查詢。使用OB 70- I/O 冗余錯(cuò)誤與OB 72-CPU 冗余錯(cuò)誤等組織塊來(lái)響應(yīng)S7-400H 的冗余錯(cuò)誤。可以使用SFC 90 "H_CTRL"禁止主站CPU 上的鏈接、禁止主站CPU 上的更新和刪除、恢復(fù)或立即啟動(dòng)周期性自檢的測(cè)試組件三種方式影響容錯(cuò)系統(tǒng)。
下載用戶程序至CPU0，將CPU0 的模式選擇器開關(guān)設(shè)為RUN，然后再設(shè)置CPU1 上開關(guān)，以啟動(dòng)S7-400H自動(dòng)化系統(tǒng)。CPU 執(zhí)行暖啟動(dòng)，并調(diào)用OB 100。結(jié)果CPU0 作為主CPU 啟動(dòng)，CPU1 作為備用CPU 啟動(dòng)。 鏈接并更新備用CPU后，S7-400H 處于冗余模式并執(zhí)行用戶程序。當(dāng)CPU0與CPU1的RUN指示燈亮， INTF、EXTF、 BUSF1 和BUSF2 、IFM1F、IFM2F和REDF指示燈都熄滅后，S7-400H冗余系統(tǒng)已正常工作。
2 施耐德的Quantum硬冗余方案
施耐德Quantum硬冗余系統(tǒng)（Modicon Quantum熱備系統(tǒng)）需要在兩個(gè)底板上配有相同的硬件、軟件和固件。其中一個(gè)控制器(PLC) 作為主控制器，另一個(gè)控制器作為備用控制器。在每個(gè)掃描周期后主控制器都要對(duì)備用控制器進(jìn)行更新。主控制器和備用控制器經(jīng)常通信，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。如果主控制器故障，備用控制器會(huì)在一個(gè)掃描周期內(nèi)代替主控制器起控制作用。主控制器執(zhí)行應(yīng)用程序，控制RIO，在每次掃描（程序周期）之后更新備用控制器。如果主控制器故障，備用控制器在一個(gè)掃描周期內(nèi)將起控制作用。
Modicon Quantum熱備系統(tǒng)是由Concept軟件、配備熱備套件、電源和遠(yuǎn)程I/O(RIO)等組成。經(jīng)濟(jì)型熱備套件140由兩只CPU、兩只電源、兩只熱備模塊140 CHS 11000組成。在熱備控制站A和B上可以配備一套經(jīng)濟(jì)型熱備套件和各配一只RIO通訊模塊140 CRP 93200，在遠(yuǎn)程站配備了RIO適配器140 CRA 93200，外加電纜與分離器的連接可組成一套經(jīng)濟(jì)型的熱備系統(tǒng)。
原先的Modicon Quantum控制器使用Concept軟件，最多能傳送應(yīng)用數(shù)據(jù)約128Kb，包括已定位數(shù)據(jù)(在狀態(tài)RAM中)和非定位數(shù)據(jù)。為傳送非定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須使用狀態(tài)RAM中一部分3x區(qū)域。施耐德電氣選擇這種方法是為了與現(xiàn)有的CHS 選項(xiàng)模塊(140 CHS 11000)相兼容。因此，有必要進(jìn)行折衷：非定位數(shù)據(jù)越多，狀態(tài)RAM就越少，反之亦然。在Concept軟件中，CPU的“Configuration Extension”在“984 Hot Standby”選項(xiàng)選擇后并確認(rèn)。下載程序至一路PLC，下載完成后可按住另一路的熱備模塊140 CHS 11000上的Update按鈕后完成程序自動(dòng)傳送。當(dāng)除了“READY”、“Com Act”和“RUN”指示燈亮并不閃爍等，通過(guò)試驗(yàn)正常可得出該熱備系統(tǒng)已正常工作。
現(xiàn)在的Modicon Quantum控制器使用Unity軟件，CPU使用高端型自帶冗余功能的140CPU67160，具體組態(tài)方法不再做詳細(xì)介紹。
3 羅克韋爾冗余方案
3.1 羅克韋爾的ControlLogix硬冗余方案：
ControlLogix冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由兩個(gè)完全一樣的控制器框架組成，每個(gè)ControlLogix冗余系統(tǒng)框架中控制器模塊、通信模塊和SRM模塊。兩個(gè)框架尺寸完全相同，模塊一模一樣，插放位置也一模一樣，控制器中的程序也一模一樣。兩個(gè)控制器框架之間，完全靠系統(tǒng)冗余模塊SRM來(lái)完成同步和數(shù)據(jù)的交換。進(jìn)入同步狀態(tài)的主機(jī)控制器，自動(dòng)地傳送備份數(shù)據(jù)到輔機(jī)控制器，這些數(shù)據(jù)無(wú)須用戶挑選和編程，只要在主機(jī)控制器中被程序運(yùn)行時(shí)刷新過(guò)的數(shù)據(jù)，都會(huì)通過(guò)交叉裝載傳送到輔機(jī)控制器，傳送的數(shù)據(jù)量可以非常大。控制器通過(guò)與SRM的連接，得知自己是主機(jī)控制器還是輔機(jī)控制器，從而決定是傳送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。這些完全不需要用戶的介入，系統(tǒng)自動(dòng)獲取、自動(dòng)判斷、自動(dòng)傳送。兩個(gè)控制器的同步運(yùn)行和大量數(shù)據(jù)的復(fù)制，使得輸出得到無(wú)擾切換。
在成對(duì)的冗余框架中，首先上電的框架成為主機(jī)框架，后上電的框架作為輔機(jī)框架，并建立與主機(jī)控制器的同步。當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)控制器所在框架掉電、拔插主機(jī)框架上的任何模塊、控制器程序發(fā)生主要故障、斷開CNBR模塊上的ControlNet分接器或電纜等情況都會(huì)發(fā)生冗余切換。
冗余系統(tǒng)中，主控制器框架和從控制器框架上各個(gè)模塊的版本必須嚴(yán)格一致，并到達(dá)到要求的版本號(hào)，否則無(wú)法正常工作。當(dāng)版本不一致時(shí)，在通訊軟件RSLinx中可能無(wú)法看到從控制器框架上的處理器，同時(shí)，從控制器框架的處理器狀態(tài)指示燈(OK燈)變?yōu)榧t色長(zhǎng)亮。因此，一般系統(tǒng)在第一次上電時(shí)，需要進(jìn)行固件升級(jí)。升級(jí)工作需要使用Rockwell的固件升級(jí)軟ControlFLASH，。升級(jí)完畢后，主從控制器框架都重新上電，使用RSLogix5000將程序下載到主處理器中，然通過(guò)切換將程序自動(dòng)備份至從處理器，最后通過(guò)軟件RSNetWorx for ControlNet對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃。檢查處理器RUN、I/O、RS232、OK指示燈綠色穩(wěn)定和BAT指示燈滅，通過(guò)試驗(yàn)正常可得出該熱備系統(tǒng)已正常工作。
3.2 羅克韋爾的SLC500軟冗余方案：
SLC的冗余可以采用兩個(gè)CPU機(jī)架，通過(guò)HSSL鏈路連接各自的1747-BSN冗余遠(yuǎn)程IO模塊，并掛接RIO鏈路即可。其作用如下：主CPU控制遠(yuǎn)程IO，后備處理器也接收同樣的實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步通過(guò)HSSL實(shí)現(xiàn)，以便后備處理器按實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷更新，當(dāng)主處理器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到后備處理器以接管控制，從而為用戶提供事實(shí)上不中斷的運(yùn)行功能。
SLC500軟冗余系統(tǒng)的主從機(jī)架完全相同，每個(gè)機(jī)架上安裝有一個(gè)CPU和一個(gè)BSN模塊，其中一對(duì)配對(duì)的BSN與遠(yuǎn)程IO上的 1747-ASB遠(yuǎn)程I/O適配器模塊實(shí)現(xiàn)冗余的RIO數(shù)據(jù)通訊。一個(gè)冗余SLC500系統(tǒng)最多支持8對(duì)BSN模塊，亦即最多可接8個(gè)RIO通訊鏈路，每個(gè)RIO鏈最多1024點(diǎn)I/O，因此一個(gè)SLC500冗余系統(tǒng)最多可有8192點(diǎn)I/O。
SLC500的熱備系統(tǒng)由1747-BSN構(gòu)成，可以在Remote I/O、DH+和RS-232/485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份。當(dāng)在Remote I/O網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行熱備的時(shí)候，1747-BSN具有和1747-SN模塊完全相同的功能，只是在遠(yuǎn)程掃描器的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)備份的能力。
系統(tǒng)中，一個(gè)1747-BSN模塊處于主系統(tǒng)框架中，另外一個(gè)1747-BSN模塊處于備用系統(tǒng)框架中，都通過(guò)RIO鏈路與遠(yuǎn)程框架的1747-ASB模塊相連。在熱備系統(tǒng)中，主系統(tǒng)框架和備用系統(tǒng)框架中都不插I/O模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主系統(tǒng)中的控制器通過(guò)背板將數(shù)據(jù)傳遞到本地框架的BSN模塊中，然后主系統(tǒng)中的BSN模塊通過(guò)HSSL鏈路將數(shù)據(jù)傳遞到備用系統(tǒng)中的BSN模塊中。在備用系統(tǒng)框架中，BSN模塊再將接受到的數(shù)據(jù)通過(guò)背板傳遞到備用系統(tǒng)的控制器中，數(shù)據(jù)就是以這樣的方式完成在熱備系統(tǒng)中的備份。
當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，熱備系統(tǒng)進(jìn)行切換，以使備用系統(tǒng)中的控制器接管主系統(tǒng)的控制器來(lái)控制遠(yuǎn)程框架的模塊運(yùn)行。這個(gè)切換的速度是很快的（一般在50ms之內(nèi)便完成切換），以致于在主系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，處于遠(yuǎn)程框架的輸出還沒(méi)有發(fā)生變化，備用系統(tǒng)已經(jīng)代替出現(xiàn)故障的主系統(tǒng)運(yùn)行了。
SLC500軟冗余系統(tǒng)的主處理器框架在電源故障或掉電、處理器主要故障、BSN模塊故障（包括RIO鏈的通訊超時(shí)）、處理器沒(méi)有處于RUN運(yùn)行狀態(tài)情況下會(huì)發(fā)生主從的切換。通常主從切換的時(shí)間在50ms＋1個(gè)完整的程序掃描時(shí)間，假如主處理器的DH+地址為N,則從機(jī)為N+1，當(dāng)發(fā)生主從切換時(shí)，處理器會(huì)發(fā)生地址的交換,這樣我們?cè)诰幊誊浖鲜冀K訪問(wèn)的邏輯上的主處理器。處理器之間的數(shù)據(jù)同步靠同步子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，主處理器把需要同步的信息傳送到BSN的數(shù)據(jù)交換區(qū)，從處理器則從該交換區(qū)讀取這些數(shù)據(jù)。
使用RSLogix5000將程序下載到兩個(gè)處理器中，注意1747-BSN和1747-ASB的DIP開關(guān)拔碼必須與程序中的組態(tài)和I/O位置一致。當(dāng)1747-BSN模塊的PRI（只有一個(gè)站亮代表主站）、SEC（只有一個(gè)站亮代表從站）、RIO綠色穩(wěn)定、HSSL綠色閃爍、ERR與 FLT都熄滅和1747-ASB模塊的COMM亮、FAULT熄滅、狀態(tài)顯示RUN后，代表RIO鏈路正常通訊。在RIO正常通訊后，處理器RUN亮穩(wěn)定、HSSL綠色閃爍、FLT與BATT都熄滅、DH+或RS232亮穩(wěn)定后即SLC500軟冗余系統(tǒng)已正常工作。
4 ABB 的AC800M硬冗余方案
AC800M控制器是導(dǎo)軌安裝式的模塊化控制器家族，模塊包括CPU、通訊模塊、電源模塊及附件。CPU模塊以內(nèi)存不同，是否支持冗余分成幾類。每個(gè)CPU上有兩個(gè)以太網(wǎng)口用于連接操作站，工程師站管理站或高級(jí)應(yīng)用。兩個(gè)以太網(wǎng)口可設(shè)置為冗余，用于提高系統(tǒng)可利用率。控制器配置了兩個(gè)RS232口，調(diào)試工具或與外部設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信。
ABB 的AC800M硬冗余配置是采用兩個(gè)AC800M冗余CPU PM861AK02，兩個(gè)冗余的CPU 通過(guò)專用的電纜.CEX與RCU 鏈路來(lái)同步數(shù)據(jù)。CEX電纜TK850連接兩個(gè)CPU 使得它們?cè)谕粋�(gè)高速數(shù)據(jù)總線上, RCU電纜TK851連接兩個(gè)CPU進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)和信息交換。每個(gè)CPU的TX/RX光纖接口通過(guò)雙塑料光纖TK811連接至各自的模塊總線光纖接收器TB840A的接口，在TB840A后面掛接I/O模塊。
對(duì)控制的冗余組態(tài)分兩步：在控制器上設(shè)定IP地址以及冗余地址獲取規(guī)則；在編程軟件CCB5.0程序里面設(shè)置為冗余控制器，并指定CN2的IP地址。通過(guò)ABB提供的ipconfig程序可以很方便的設(shè)定控制器的IP地址。通過(guò)ipconfig程序完成冗余控制器的設(shè)定，同時(shí)在CCB5.0里設(shè)置為add redundant unit。通過(guò)CCB5.0軟件在程序中Access Variables里建變量，將name和path對(duì)應(yīng)起來(lái)就可以了將要這些變量在切換后不會(huì)丟失。下載用戶程序至主CPU，按下主CPU的INIT按鈕，就能自動(dòng)將程序備份至從CPU。
當(dāng)處理器的F指示燈熄滅、R & P& B三個(gè)綠色指示燈亮、TX & RX黃色指示燈亮、僅一只處理器的PRIM亮、兩只處理器DUAL黃色指示燈亮，表明該系統(tǒng)已正常工作。
5 結(jié)語(yǔ)
上述介紹的四種類型的PLC組成的冗余系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用比較廣泛且成熟的冗余方案。具體可以采用電源冗余、處理器冗余、I/O冗余、通訊冗余模塊根據(jù)相應(yīng)的PLC組態(tài)要求構(gòu)成1套完整的PLC冗余控制系統(tǒng)。
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