杨传将 ，徐扬帆 ，刘红兵（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



D445热备系统与Control Logix冗余系统通讯研究

杨传将 ，徐扬帆 ，刘红兵
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：本文叙述了由双西门子运动控制器D445构成的热备系统与Control Logix 冗余CPU之间，通过双通讯模块，实现Profibus_DP通讯的方案，并对热备系统中通讯数据的控制技术进行了介绍，实现整个系统的冗余高效性能。

0　引言

SIMOTION是一个全新的西门子运动控制系统，由一个系统来完成所有的运动控制任务，适用于具有许多运动部件的机器。它是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统，将运动控制，逻辑控制及工艺控制功能集成于一身，为生产机械提供了完整的解决方案。

SIMOTION D是SIMOTION的一个紧凑的、基于驱动的版本，以SINAMIC S系列驱动为基础。SIMOTION D 分为两个系列：

SIMOTION D410是一个用于单轴应用的紧凑型控制单元，可以直接连接到SINAMICS S120 PM340功率模块上。

SIMOTION D4X5是一个用于多轴应用的控制单元，可提供三个型号（SIMOTION D425（基本型），SIMOTION D435（标准型），SIMOTION D445（高性能型））。

冗余是采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制，当某一设备或元器件发生故障而损坏时，它可以通过硬件、软件或人为方式互相切换，作为后备设备或元器件替代因故障而损坏的设备或元器件，保持系统正常工作，使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低。按冗余的实现方式来分大致可分为：1）硬冗余（hard-redundancy），即采用特殊的硬件模块或PLC中固化的程序来实现PLC同类故障切换的冗余方式；2）软冗余（soft-redundancy），既采用编程的方式来实现PLC同类故障切换的冗余方式。冗余控制还涉及到一个概念—同步（synchronization），它是指冗余系统的两个或多个控制器之间要经常比较各自的状态。根据一定的规则以决定系统是否工作在正常状态，这种状态比较和系统可靠性的判断被称作同步[1]。

图1　典型 PLC冗余配置图

热备即“热备用”，是冗余部件的运行方式，主要相对“冷备用”而言。“冷备用”是指备用设备平时不运行，当运行的主设备出现故障时，需要人为去投入备用设备，退出主设备，隔离故障；“热备用”是指备用设备与主设备同时运行，当主设备出现故障时，系统自动投入备用设备，将故障设备转为备用或退出[2]。

当前，主流大中型PLC都已经存在了热备冗余配置，能够实现数据同步、故障自诊断、状态转换机制、主从切换功能[2]，典型的冗余配置如图1所示。AB公司的Control Logix系列PLC就已经存在如图1所示的硬件冗余配置，实现双CPU同步运行和无扰动切换功能。

冗余控制的方式已经在工控领域广泛应用，采用的方式也不尽相同。但是在大型传动控制系统中，功能强大的D445却还不能做到像PLC一样的热备冗余配置，只能够通过软件冗余来实现热备功能。本文设计了热备D445系统与冗余PLC系统通讯连接的方案，测试其热备冗余功能，为传动系统的安全控制提供进一步保障。

1　系统方案

Control Logix系列PLC与西门子运动控制器D445之间能够通过第三方通讯模块实现Profibus-DP通讯方式[3]。由于D445不存在热备硬冗余配置方案，D445的热备只能通过部件冗余的方式来实现软冗余。

1.1 D445软冗余

在主D445发生故障时，从D445能够无扰的接替主D445继续运行，从D445必须实时的与主D445保持同步性，并且实时监测主D445运行状态。

1）同步

软冗余方式下两套控制器D445成对使用,其中一个正常运行，一个处于备用状态。为了保证无扰动的切换，实现控制器链路之间的快速可靠的数据交换，两个D445之间通过光纤进行通讯链接。

两个控制器必须使用相同的用户程序，自动地接受相同的数据块、过程映像和相同的内部数据，例如定时器、计数器、位存储器等，这样可以确保两个控制器同步地更新内容，任意一个系统有故障时，另一个可以承担全部控制任务[4]。同步一般采用“事件驱动同步”，当两个子单元的内部状态不同时（直接I/O 访问、中断、报警、用户定时器更新、通过通信功能修改数据） 就会进行同步操作。PLC硬件冗余同步是通过操作系统自动执行同步功能,不需要用户编程，D445没有自动同步操作系统，除了一样的运行控制逻辑外还必须独立编辑程序，通过物流通讯链路，实时交换运行过程数据。

2）状态转换

从D445实时监测主D445运行状态，当主控制器故障失效时，通过事先在控制器程序中编制的主/ 从控制器监控程序，和主/ 从控制器数据交换处理程序来实时监控。判断主/ 从控制器的工作状况，采用软件方式将从控制器转换成主控制器，接替正常的系统控制，主控制器停止运行，在故障复位重启后再次与从控制器同步并接替运行。主备系统的切换时间=故障诊断检测时间+同步数据传输时间+DP从站切换时间[1]

1.2 系统整体设计

Control Logix系列冗余PLC系统在与热备D445进行通讯时必须配置两个第三方通讯模块，才能实现二选一热备冗余容错模式。采用两套设计完全相同的通讯配置，当其中一套控制模块发生故障后，另一套模块实现无缝接管。冗余控制系统结构如图2。

图2　系统方案配置图

2　数据控制

系统存在两路完全一致的通讯链路及数据，当D445热备系统在发生切换时，系统接受的通讯数据必须随之发生改变。正确的辨识有效通讯数据才能达到对热备D445的完美控制。

2.1 通讯判断

D445属于高性能运动控制器，其运行周期非常短，一般小于Control Logix系列冗余PLC的扫描周期，合理的判断它们之间的通讯状态非常重要。通讯通道状态的判断，一般有三种方法：

1）心跳判断，发送方发送一个心跳信号，当接收方监测到心跳信号不再跳动时，即认为通讯中断。2）循环判断，发送方发送一个循环变化信号，当接收方监测到循环信号不再变化时，即认为通讯中断。3）失效判断，发送方发送一个恒高电平信号，当接收方监测不到该高电平信号时，即认为通讯中断。

D445热备配置的系统为高效系统，为了不影响系统的性能，需要快速的判断系统与两个D445的通讯状态，因此采用第二种与第三种相结合的判断方式，任意一种方法判断出通讯中断，系统即认为与相应的D445失去连接。

2.2 数据监测

1）状态数据切换。

2）D445运行状态监测。

3　性能测试

系统配置方案目前已经设计并应用，现场进行如下运行测试：1）Profibus-DP通讯网络中断。主D445连接的网络中断时，系统读取D445数据无扰动；从D445网络中断时，系统自动转换读取主D445数据，无扰动。2）D445故障。主D445故障时，从D445无扰接替，系统读取数据无扰动；从D445故障时系统自动转换读取主D445数据，也无扰动。

4　结束语

本文设计的热备D445系统与Control Logix冗余PLC进行通讯连接时，无论通讯网络的中断还是D445的故障切换，都已经实现了控制系统的无扰监控。热备D445系统虽然还不能像PLC一样实现硬冗余无扰来回切换，但也已经实现了主从同步运行、状态监测及从机的无扰替代功能。对于整个控制系统而言，热备D445系统不仅发挥了D445的高效运动控制能力，冗余PLC的监控能力，安全性能上又得到了大大提高。

参考文献：

[1] 王 刚，毕为民，郑丽超.对PLC冗余系统性能的分析与研究[J].自动化技术与应用，2014,33（9）:54-57.

[2] 刘成俊，彭文才，赵涌.PLC热备冗余的研究与设计[J].计算机应用，2015,（2）:46-49.

[3] 李彬，谭明波.Control Logix与西门子变频器DP通讯解决方案浅析[J].船电技术，2015,（2）:46-49.

[4] 汤卫东.硬件冗余技术及可靠性评价[J].广西民族学院学报,2003,9（4）:63-67.

[5] 沈璐璐,艾钢.电推船能量管理系统中冗余控制的研究与实现 [J].机电一体化，2015,（5）:28-31.

Research on Communication between Double D445 Hot Standby System and Control Logix Redundancy System

Yang Chuanjiang,Xu Yangfan ,Liu Hongbing
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:In this paper,the Profibus_DP communication scheme is realized between hot standby system consisting of double SIEMENS Motion controller D445 with Control Logix Redundancy system,by using the dual communication module,the control technology of the communication data in the hot standby system is introduced,and the redundant and efficient configuration of the whole system are realized.

Keywords:redundancy;D445;hot standby;communication

作者简介：杨传将（1984-），男，硕士，工程师。研究方向：电气自动化、电气传动系统。

收稿日期：2015-10-09

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0078-03

关键字：冗余D445热备通讯