AB 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-Bradley ControlLogix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。

PLC是現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一，是可靠性高、應用非常廣泛的工業(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，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)設計的關鍵，因此考慮用一套雙CPU冗余的PLC、兩套工控機、高質(zhì)量的傳感器、變送器和執(zhí)行機構來控制兩臺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設備，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。

控制器PLC、工控機(包括顯示器)、通訊網(wǎng)絡和電源及關鍵測試點等系統(tǒng)中的重要部件均采用冗余結構，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、變送器和開關量輸入模塊供電，關鍵測試點同時設置兩個傳感器測試數(shù)據(jù)。

冗余設計使系統(tǒng)關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，實時控制相關的設備動作；同時監(jiān)視生產(chǎn)過程參數(shù)和設備運行狀態(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。

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，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、控制權的裁決和轉(zhuǎn)移

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。擁有主控制權的CPU具有輸出控制權，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ControlNet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?？刂茩嗟牟脹Q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隨時準備著，一旦主CPU故障，就立即獲取主控制權而成為主控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。

五、結束語

??? 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，ControlLogix雙CPU冗余控制的軟件方式實現(xiàn)是一種經(jīng)濟、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，如何利用Map命令，只將具有主控制權的CPU數(shù)據(jù)通過ControlNet網(wǎng)傳送給其他控制設備，是值得進一步研究的。

　　審核編輯：湯梓紅