高大平

【摘要】生产活动要求工业装置能够持续运行，不出现任何停顿，在这一背景条件，无论是可靠性多么精良的PLC均无法保证零故障。为满足连续生产标准，冗余控制应运而生，并成为提升系统稳定性的主要手段。本文首先对冗余控制进行概述，然后介绍软冗余工作原理，最后具体研究主备切换时间。

【关键词】PLC；软冗余系统；性能；研究

PLC是一种常用的控制器，常常被应用到自动化系统中，技术的进步，促进了冗余系统的形成，增加了系统稳定性。现阶段，PLC冗余主要包含软冗余以及硬冗余，其中软冗余系统被大面积应用在冶金制造与化生产等工业控制活动中。

一、冗余控制概述

冗余控制是指借助某些设备构建成控制系统，以此来进行控制，若某一设备出现故障，可借助人为方式切换，充当后备设备，以此来取代故障设备，不影响常规工作，让控制设备由于意外所产生的停机损失减小至最低。冗余控制还包含同步这一定义，主要是说冗余系统内部的若干个处理器不定期对比各自状态，依照一定规则判断系统是否处于正常状态。依照冗余实现方式可将冗余划分成下述几个类型：

（一）硬冗余

借助特殊硬件模块完成PLC内部同类故障之间有效切换的一种冗余类型。

（二）软冗余

通过编程完成PLC内部同类故障类型的有效切换的一种方式。主要包含热冗余、暖冗余和冷冗余，其中热冗余一般在设备出现故障时，利用特定硬件评判与独立备份，有效切换至备用设备，实现稳步运行；暖冗余主要借助编程方式完成冗余。因软冗余实现存在多种制约因素，系统切换时间与硬冗余相比偏长，部分软冗余还将在主设备出现切换时形成间隙，有些需要进行人为简单干预方可实现；冷冗余指代某些冗余设备处于不通电不工作状态，随时待命，在主设备出现故障应利用人工操作来恢复，依据现在观点进行界定，这并非真正的冗余，主要将其理解为备件，常常应用在实时性不突出、工艺连续性不严格的情形中。

二、软冗余基本工作原理

代表性PLC软冗余系统具体组成见图-1。

在实际運转阶段，两个CPU一起启动，共同运行，然而，在正常运行环节有且仅有一个CPU可下达控制命令，一般为主CPU，而备CPU则对主CPU状态进行检测和记录，待主CPU出现故障时可保留实际状态，并取代主CPU，下达执行命令。IM153-2模块和主CPU存在联系，当这一模块达到激活状态，主CPU可以访问I/O模块，一旦系统出现特定故障，便可进行主备切换，利用备站接替主站，实现稳步运行。故障一般表现为CPU、电源与总线网络故障等。

PLC软冗余系统为完成软冗余功能，则应面向程序选取冗余软件包内部的功能模块。针对PLC各自循环执行周期，主系统首先选取FB101接收，同时研究备系统状态，再实施冗余程序，并调用FB101，把同步数据传输至备系统。但备系统优先选择FB101接受，同时研究主系统状态，超越冗余程序，并将备系统传输至主系统。在这一过程应明确，完成冗余功能的关键模块FB101实施时首先研究主备系统状态，随后传输数据。因软件一般按照规定顺序来实施，当接收故障信息常常出现故障处理问题。综合来说，软件顺序实施体系是引发软冗余切换偏长的根本原因。

三、主备切换时间研究

主备切换时间具体指代主站系统出现故障后，立即检测，再切换至备站系统取代主站工作时间。

（一）主CPU故障研究

当出现主CPU故障时，ET200M站内部主通信接口模块失联于主CPU，自发围绕主备通信接口模块完成切换，且备CPU针对主CPU传输备站状态的过程发现同步数据传输问题，随机切换到主CPU。因故障只有被检测方可实现主备切换，另外，当主CPU出现故障时，备CPU恰巧才调用FB101，达成发送功能，则备CPU应面向下一周期启动发送功能时方可检测通信连接问题，在等待调用接收功能环节备CPU转变为主CPU。在这一过程，主备切换时间达到极限，且最长，具体表现为PLC自身的循环扫描周期与二倍冗余功能块完成时间的差值。

（二）主站故障研究

如果在Profribus或者ET200M内部主站出现故障，将通过备IM153检测明确主IM153故障，有效切换至主IM153。而主CPU由于失联于故障IM153，最终出现OB86中断，同时在中断环节借助诊断模块FC102实现各从站切换，同时将自己列入备用行列，再把主CPU故障传输到备CPU，当备CPU发现故障信息后，立即切换至主CPU，此时切换时间是OB86中断呼应时间、相应执行时间、故障问题传输时间与完全接收故障数据至主备切换这三项时间总和。由于OB86仅仅选取FC102诊断模块，因此，FC102执行时间关乎着故障问题传输时间。经由数据测量能够明确FC102执行时间大多分布在调用SFC58针对ET200M编写数据程序中，SFC58对用的调用次数与ET200M从站个数相等，由此可知，故障问题传输时间等于SFC58调用一次所需时间与ET200M总量的乘积，经由检测发现SFC58调用一次所需时间通常为3ms。故障问题传输时间和主CPU内部OB86中断形成的时刻存在很大关联。若主CPU提早出现OB86中断，一般发生在调用FB101落实发送功能前期，那么在数据传输环节，主CPU直接将故障问题传输至备站，在该情形中故障问题传输时间最短。然而，如果主CPU调用FB101落实发送功能时出现OB86中断，那么主CPU将初始数据传输完毕方可传输故障状态至备站。同时，如果初始数据传输完成滞后于主CPU落实发送功能，那么在下个周期调用这一功能时方可传输主站故障问题，此时对应的故障问题传输时间最长，一般为二倍传输一次数据时间与PLC对应循环扫描周期和，再与冗余功能模块落实时间的差值。

数据接收完全至主备切换时间关乎着备站彻底接收故障问题时刻。如果数据接收完成滞后于CPU调用FB101后，那么备CPU则应等到后一周期调用接收功能方可获取主站状态，同时，在调用环节转换至主CPU，在这一时刻，故障问题数据彻底接收至主备切换时间取得最大值。对比Profibus总线方式和西门子PLC内部的MPI发现，在相同时间内前者可传输更多字节数据，然而，此种方式也应额外配置通信模块。另外，用户程序长度影响着循环扫描周期。代表性中等大小的PLC控制系统通过计算，得出主备切换时间落在150-500ms这一范围。

四、使用条件

通过上述分析发现，对于某些能够使用软冗余且独特的工业现场，其一次最短控制时间避免过于太短，若太短使得软冗余切换不符合规范要求，当不满足规范要求时，则应通过缩减ET200M来达到规范要求，具体是说把工业现场划分成若干冗余控制系统，一般应结合实际场合科学分解。当一次软冗余极限切换时间贴近最短控制时间，则应考虑通过数据同步时间缩短来达到规范要求，换而言之，应保证一次软冗余极限切换时间小于最短控制时间。

结语

控制系统一旦出现故障，常常进行停机操作，也可手动修理，这要求系统稳步运行，且对运行速度提出具体规定。本文着重研究PLC软冗余系统，每当出现故障，系统借助快速反应完成主备切换体系，利用备站代替主站，让系统时刻处于运行状态，免除相应修理与调节操作。当主备切换实施后，备用系统凭借最后一次健全的同步数据来完成控制任务。主备切换功能除可增加系统稳定性外，还可缩减成本。然而，因主备切换偏长，系统在某一时刻不具备控制功能，所以，一般不适用于实时性严苛的控制场合，主要应用在实时性不严格的情形中。

参考文献

[1]马伯渊，吕京梅，张志同等.PLC软冗余系统性能分析[J].电力自动化设备，2015，29（2）：98-101.

[2]王刚，毕为民，郑丽超等.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.

[3]桂跃武.PLC软冗余系统在城市污水处理工程中的应用[J].现代电子技术，2013，33（9）：205-207.

[4]王俭.PLC软冗余系统时间和性能分析[J].中小企业管理与科技，2015，（13）：264-265.

[5]南新元，陈飞，李泉等.S7-300 PLC软冗余系统性能实验研究[J].实验技术与管理，2013，30（6）：17-19，23.

[6]张立众.一种双总线双控制器软件冗余系统的设计[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2014，（3）：41-46.

[7]胡田力，张云鹏.PLC冗余系统与性能分析[J].工业控制计算机，2013，26（10）：121-122.