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AB PLC的雙CPU冗余控制實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了在熔鹽爐自動(dòng)系統(tǒng)中，采用Allen-Bradley ControlLogix雙CPU的PLC控制器，以軟件方式實(shí)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(yùn)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、提高系統(tǒng)可用性的有效手段。下面以熔鹽爐自控系統(tǒng)為實(shí)例詳述雙CPU冗余控制的實(shí)現(xiàn)方法。

一、熔鹽爐自動(dòng)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(shí)考慮到熔鹽是一種活躍的化學(xué)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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作簡(jiǎn)便和自動(dòng)化管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此考慮用一套雙CPU冗余的PLC、兩套工控機(jī)、高質(zhì)量的傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制兩臺(tái)1200萬大卡的熔鹽爐、一臺(tái)鹽泵、一組鹽閥、一個(gè)熔鹽槽和其他相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)熔鹽的加熱和循環(huán)過程自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)操作、監(jiān)控和管理的自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)如圖1所示。

    控制器PLC、工控機(jī)(包括顯示器)、通訊網(wǎng)絡(luò)和電源及關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)等系統(tǒng)中的重要部件均采用冗余結(jié)構(gòu)，兩套工控機(jī)和大屏幕顯示器組成的兩套監(jiān)控操作管理臺(tái)并行運(yùn)行；兩條冗余的ControlNet高速通訊網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)；兩套直流電源同時(shí)向控制器PLC、變送器和開關(guān)量輸入模塊供電，關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)同時(shí)設(shè)置兩個(gè)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)。

冗余設(shè)計(jì)使系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性提高了一倍，而使系統(tǒng)的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(hào)，實(shí)時(shí)控制相關(guān)的設(shè)備動(dòng)作；同時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)過程參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)危險(xiǎn)工況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)極限工況出現(xiàn)時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)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(dòng)化公司的新一代控制平臺(tái)：A-B ControlLogix系列，同時(shí)考慮采用雙CPU模塊冗余，進(jìn)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(gè)CPU模塊插在不同的兩個(gè)機(jī)架上，每個(gè)機(jī)架上除了CPU模塊，還要有通訊模塊CNBR、熱備模塊SRM和兩個(gè)熱備模塊間的連接光纜，如圖2所示。

     軟件冗余，是將兩個(gè)CPU模塊插在同一個(gè)框架上，利用背板通訊，進(jìn)行冗余控制，如圖3所示。

    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?yàn)橐话阆?/span>CPU這種PLC的心臟，廠家都會(huì)配有備件，用備件來實(shí)現(xiàn)冗余控制，既提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性（可做到在線維護(hù)，不影響生產(chǎn)線運(yùn)行），又不會(huì)顯著增加成本開支。

單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(shì)。因?yàn)樵黾恿溯^多的部件、模塊，這些部件和模塊的故障，也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。例如，當(dāng)兩個(gè)熱備模塊之間的連接光纜出現(xiàn)故障，同樣會(huì)使冗余控制失效。而軟件冗余，只增加了一塊CPU模塊，而兩個(gè)CPU模塊的同時(shí)故障率幾乎為零。

純硬件冗余的優(yōu)點(diǎn)之一，就是不需要軟件進(jìn)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(gè)熱備模塊來完成的。而軟件冗余中兩個(gè)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(duì)比較復(fù)雜，工作量較大。

    綜合考慮以上因素，本熔鹽爐自動(dòng)系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)PLC的雙CPU冗余控制。兩塊CPU模塊同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行，一塊運(yùn)行于主控模式，另一塊運(yùn)行于熱備份模式。當(dāng)其中任一塊CPU發(fā)生故障時(shí)另一塊CPU立即監(jiān)視到并發(fā)出報(bào)警，自動(dòng)將正常的CPU投入主控模式。CPU的無擾動(dòng)切換，使系統(tǒng)一直受控，確保了安全，同時(shí)，使管道化生產(chǎn)線一直處于正常運(yùn)行的良好工況中。

四、軟件實(shí)現(xiàn)
      CPU冗余控制的軟件實(shí)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

    塊CPU同時(shí)在線運(yùn)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(shí)采集數(shù)據(jù)和保持通訊連接，但輸出被禁止。

兩個(gè)CPU模塊互相監(jiān)視對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)和通訊情況，一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)方故障，立即發(fā)出報(bào)警，通過ControlNet網(wǎng)，傳送給上位工控機(jī)，在操作管理臺(tái)上顯示報(bào)警。如果是主控CPU模塊故障，熱備CPU模塊自動(dòng)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。

2、兩塊CPU模塊的同步控制

    由于熱備CPU隨時(shí)準(zhǔn)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(shí)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(jìn)行控制權(quán)的轉(zhuǎn)移時(shí)，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。CPU模塊的同步控制程序框圖如圖5所示。

五、結(jié)束語
    用A-B ControlLogix雙CPU的PLC控制器實(shí)現(xiàn)的熔鹽爐自動(dòng)系統(tǒng)，已于2001年底開始成功運(yùn)行于中國鋁業(yè)河南分公司，運(yùn)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(huì)是，ControlLogix雙CPU冗余控制的軟件方式實(shí)現(xiàn)是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法，它成本支出不大，卻能使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

另外，雙CPU冗余控制時(shí)，如何利用Map命令，只將具有主控制權(quán)的CPU數(shù)據(jù)通過ControlNet網(wǎng)傳送給其他控制設(shè)備，是值得進(jìn)一步研究的。