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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）、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：
軟冗余方案是實現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案，可以應用于對主備系統(tǒng)切換時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ET200M從站，每個從站包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/O模塊；
除此之外，還需要一些相關的附件，用于編程和上位機監(jiān)控的PC-Adapter（連接在計算機串口）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)進行工作時，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。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，而跳過冗余用戶程序段。
A路與B路CPU的程序需在OB1或OB35里調用FB 101 ‘SWR_ZYK’ 功能塊，FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，實現(xiàn)冗余功能。調用FB101時，你可以在線地讀出RETURN_VAL參數(shù)的數(shù)值,如果為0，說明冗余鏈接正常。在OB100里調用FC100 ‘SWR_START’塊進行軟冗余的初始化，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：一個過程映象區(qū)，一個定時器區(qū)，一個計數(shù)器區(qū)，一個位地址區(qū)和一個數(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里調用FC102 ‘SWR_DIAG’塊進行軟冗余的診斷，導致主從站通訊出錯時CPU不會發(fā)生停機。
下載程序時A路與B路程序必須分別下載，下載完成后當CPU的RUN指示燈亮和僅一個ET200M模塊的ACT指示燈亮，而CPU和ET200M模塊無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用場合設計的冗余系統(tǒng)，采用雙機熱備的硬件冗余機制，其工作電源、通信網(wǎng)絡設備、CPU、操作站均為冗余設置，一旦主系統(tǒng)發(fā)生故障，能夠自動無縫切換到熱備用系統(tǒng)，實現(xiàn)平穩(wěn)的Master—Reserve轉換，使整個系統(tǒng)可以容錯運行．從而避免了傳統(tǒng)的單機系統(tǒng)因故障停機而造成損失，大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
S7-400H 是容錯自動化系統(tǒng)，只有在其它措施配合下控制安全相關過程時才需要使用。S7-400H的容錯性是通過兩個并行的中央控制器實現(xiàn)的，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的PROFIBUS-DP線路對冗余I/O進行控制。每個CPU 需要兩個同步模塊，通過光纜成對連接。兩個冗余的S7-400H CPU 之間的通訊使用同步模塊。在發(fā)生錯誤時，將會出現(xiàn)一個無擾動的控制傳輸，即未受影響的熱備設備將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息。
標準S7-400 系統(tǒng)的設計和編程規(guī)則也適用于S7-400H。就用戶程序的執(zhí)行而言，S7-400H 的運行方式與標準系統(tǒng)完全相同。操作系統(tǒng)的集成同步功能會自動在后臺執(zhí)行，無需在用戶程序中組態(tài)這些功能。在冗余操作中，用戶程序會在兩個CPU 上冗余地存儲并由事件驅動同步執(zhí)行。但我們提供了多個用來優(yōu)化程序的塊，用以改善其對因更新等操作而導致的任何周期延長情況的響應。
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影響冗余功能的塊。通過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 冗余錯誤與OB 72-CPU 冗余錯誤等組織塊來響應S7-400H 的冗余錯誤�？梢允褂�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、恢復或立即啟動周期性自檢的測試組件三種方式影響容錯系統(tǒng)。
下載用戶程序至CPU0，將CPU0 的模式選擇器開關設為RUN，然后再設置CPU1 上開關，以啟動S7-400H自動化系統(tǒng)。CPU 執(zhí)行暖啟動，并調用OB 100。結果CPU0 作為主CPU 啟動，CPU1 作為備用CPU 啟動。 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)）需要在兩個底板上配有相同的硬件、軟件和固件。其中一個控制器(PLC) 作為主控制器，另一個控制器作為備用控制器。在每個掃描周期后主控制器都要對備用控制器進行更新。主控制器和備用控制器經(jīng)常通信，對整個系統(tǒng)的健康狀況進行監(jiān)控。如果主控制器故障，備用控制器會在一個掃描周期內代替主控制器起控制作用。主控制器執(zhí)行應用程序，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，備用控制器在一個掃描周期內將起控制作用。
Modicon Quantum熱備系統(tǒng)是由Concept軟件、配備熱備套件、電源和遠程I/O(RIO)等組成。經(jīng)濟型熱備套件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)濟型熱備套件和各配一只RIO通訊模塊140 CRP 93200，在遠程站配備了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 選項模塊(140 CHS 11000)相兼容。因此，有必要進行折衷：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”選項選擇后并確認。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傳送。當除了“READY”、“Com Act”和“RUN”指示燈亮并不閃爍等，通過試驗正�？傻贸鲈摕醾湎到y(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)硬件結構由兩個完全一樣的控制器框架組成，每個ControlLogix冗余系統(tǒng)框架中控制器模塊、通信模塊和SRM模塊。兩個框架尺寸完全相同，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。兩個控制器框架之間，完全靠系統(tǒng)冗余模塊SRM來完成同步和數(shù)據(jù)的交換。進入同步狀態(tài)的主機控制器，自動地傳送備份數(shù)據(jù)到輔機控制器，這些數(shù)據(jù)無須用戶挑選和編程，只要在主機控制器中被程序運行時刷新過的數(shù)據(jù)，都會通過交叉裝載傳送到輔機控制器，傳送的數(shù)據(jù)量可以非常大�？刂破魍ㄟ^與SRM的連接，得知自己是主機控制器還是輔機控制器，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)自動獲取、自動判斷、自動傳送。兩個控制器的同步運行和大量數(shù)據(jù)的復制，使得輸出得到無擾切換。
在成對的冗余框架中，首先上電的框架成為主機框架，后上電的框架作為輔機框架，并建立與主機控制器的同步。當出現(xiàn)主機控制器所在框架掉電、拔插主機框架上的任何模塊、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模塊的版本必須嚴格一致，并到達到要求的版本號，否則無法正常工作。當版本不一致時，在通訊軟件RSLinx中可能無法看到從控制器框架上的處理器，同時，從控制器框架的處理器狀態(tài)指示燈(OK燈)變?yōu)榧t色長亮。因此，一般系統(tǒng)在第一次上電時，需要進行固件升級。升級工作需要使用Rockwell的固件升級軟ControlFLASH，。升級完畢后，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，然通過切換將程序自動備份至從處理器，最后通過軟件RSNetWorx for ControlNet對網(wǎng)絡進行規(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，通過試驗正�？傻贸鲈摕醾湎到y(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CPU機架，通過HSSL鏈路連接各自的1747-BSN冗余遠程IO模塊，并掛接RIO鏈路即可。其作用如下：主CPU控制遠程IO，后備處理器也接收同樣的實時控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步通過HSSL實現(xiàn)，以便后備處理器按實時數(shù)據(jù)不斷更新，當主處理器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到后備處理器以接管控制，從而為用戶提供事實上不中斷的運行功能。
SLC500軟冗余系統(tǒng)的主從機架完全相同，每個機架上安裝有一個CPU和一個BSN模塊，其中一對配對的BSN與遠程IO上的 1747-ASB遠程I/O適配器模塊實現(xiàn)冗余的RIO數(shù)據(jù)通訊。一個冗余SLC500系統(tǒng)最多支持8對BSN模塊，亦即最多可接8個RIO通訊鏈路，每個RIO鏈最多1024點I/O，因此一個SLC500冗余系統(tǒng)最多可有8192點I/O。
SLC500的熱備系統(tǒng)由1747-BSN構成，可以在Remote I/O、DH+和RS-232/485網(wǎng)絡進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份。當在Remote I/O網(wǎng)絡上進行熱備的時候，1747-BSN具有和1747-SN模塊完全相同的功能，只是在遠程掃描器的基礎上增加了數(shù)據(jù)備份的能力。
系統(tǒng)中，一個1747-BSN模塊處于主系統(tǒng)框架中，另外一個1747-BSN模塊處于備用系統(tǒng)框架中，都通過RIO鏈路與遠程框架的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)運行時，主系統(tǒng)中的控制器通過背板將數(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。
當主系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，熱備系統(tǒng)進行切換，以使備用系統(tǒng)中的控制器接管主系統(tǒng)的控制器來控制遠程框架的模塊運行。這個切換的速度是很快的（一般在50ms之內便完成切換），以致于在主系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，處于遠程框架的輸出還沒有發(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）、處理器沒有處于RUN運行狀態(tài)情況下會發(fā)生主從的切換。通常主從切換的時間在50ms＋1個完整的程序掃描時間，假如主處理器的DH+地址為N,則從機為N+1，當發(fā)生主從切換時，處理器會發(fā)生地址的交換,這樣我們在編程軟件上始終訪問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實現(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將程序下載到兩個處理器中，注意1747-BSN和1747-ASB的DIP開關拔碼必須與程序中的組態(tài)和I/O位置一致。當1747-BSN模塊的PRI（只有一個站亮代表主站）、SEC（只有一個站亮代表從站）、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模塊以內存不同，是否支持冗余分成幾類。每個CPU上有兩個以太網(wǎng)口用于連接操作站，工程師站管理站或高級應用。兩個以太網(wǎng)口可設置為冗余，用于提高系統(tǒng)可利用率�？刂破髋渲昧藘蓚�RS232口，調試工具或與外部設備或系統(tǒng)進行通信。
ABB 的AC800M硬冗余配置是采用兩個AC800M冗余CPU PM861AK02，兩個冗余的CPU 通過專用的電纜.CEX與RCU 鏈路來同步數(shù)據(jù)。CEX電纜TK850連接兩個CPU 使得它們在同一個高速數(shù)據(jù)總線上, RCU電纜TK851連接兩個CPU進行冗余數(shù)據(jù)和信息交換。每個CPU的TX/RX光纖接口通過雙塑料光纖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。
對控制的冗余組態(tài)分兩步：在控制器上設定IP地址以及冗余地址獲取規(guī)則；在編程軟件CCB5.0程序里面設置為冗余控制器，并指定CN2的IP地址。通過ABB提供的ipconfig程序可以很方便的設定控制器的IP地址。通過ipconfig程序完成冗余控制器的設定，同時在CCB5.0里設置為add redundant unit。通過CCB5.0軟件在程序中Access Variables里建變量，將name和path對應起來就可以了將要這些變量在切換后不會丟失。下載用戶程序至主CPU，按下主CPU的INIT按鈕，就能自動將程序備份至從CPU。
當處理器的F指示燈熄滅、R & P& B三個綠色指示燈亮、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 結語
上述介紹的四種類型的PLC組成的冗余系統(tǒng)是國內目前應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)相應的PLC組態(tài)要求構成1套完整的PLC冗余控制系統(tǒng)。
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