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冗余技术提高PLC控制系统可靠性的研究

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冗余容错自诊断可靠性

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文章编号:1671—4598(2015)12—4016—31 DOI:10.16526/j.cnki.11--4762/tp.2015.12.009 中图分类号:TP202.1 文献标识码:A 冗余技术提高PLC控制系统可靠性的研究 王虎军 (兰州交通大学机电技术研究所,兰州 730070) 摘要:针对工业现场对PLC控制系统可靠性提出更高的要求,提出利用冗余技术提高其可靠性;分析了硬件冗余和软件冗余在PLC控制 系统中的应用,详细阐述了PLC控制器、输入输出口、通讯网络和电源各自的冗余方法,并着重以西门子300/400系列PLC为例进行了软硬件 冗余的架构和原理分析;最后对冗余控制系统的可靠性进行分析,结果表明,使用冗余技术可使PLC控制系统的可靠性得到明显提高。 关键词:PLC;控制系统;可靠性;西门子PLC;冗余技术 A Study on Improving Reliability of PLC Control System by Using Redundant Technology Wang Hujun (Institute of Mechatronic Technology,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China) Abstract:For industrial site put forward higher requirements on the PLC control system reliability,make use of redundant technology to improve its reliability.The applications of hardware redundancy and software redundancy in the PLC control system are analyzed,elaborated on PLC controller, input and output ports,communication network and power respective redundancy method,and focused on Siemens 300/400 series PLC as an example to analysis the hardware and software redundant architecture and principle.Finally,the reliability of redundant control system is analyzed,the results showed that the use of redundant technology enables PLC control system reliability improved significantly. Keywords:PLC;control system;reliability;Siemens PLC;redundancy technology 0 引言 PLC(Programmable Logic Controller)是工业控制领域常 用的控制器。较以往的继电器控制,其本身的抗干扰及可靠性 有了显著提高。但是控制器可靠性高并不等同与控制系统可靠 性高口]。在实际的工程应用中,尤其是大型工业现场和大型设 备,对控制系统可靠性提出了更高的要求口]。 控制系统的冗余设计通过对关键设备或节点采用主备配 置,当故障发生时,备用设备可快速的代替主设备输出,使系 统实现故障状态下容错运行,避免控制系统故障而引起的停产 和设备故障造成的损失,系统整体的可靠性可得到明显提高。 因此,如何充分利用冗余技术,对提高PLC控制系统的可靠 性显得越来越重要。本文利用硬件冗余和软件冗余技术提高 PLC控制系统的可靠性,并通过西门子S7—300/400系列 PLC给出具体的实现过程。 1 冗余技术 冗余技术就是通过增加一个或多个同等功能的部件,并通 过一定的冗余逻辑使它们协调地同步运行,当某一部件出现故 障,可以由冗余的部件代替其功能,保证系统正常运转,是提 高系统可靠性的一种手段[3]。 冗余技术按照实现方式可分为硬件冗余、软件冗余以及它 们的综合应用。 收稿日期:2015—05—30;修回日期:2015—07—16。 基金项目:甘肃省自然科学基金资助(1310RJZA056)。 作者简介:王虎军(1990一),男,内蒙古包头人,硕士研究生,主要从 事机电一体化方向的研究。 4016 万方数据 1.1 硬件冗余技术 硬件冗余是指对于控制系统中的重要部件,另外增加同等 功能的部件做为备用,备用的部件可以处于工作状态,也可以 处于等待状态,待系统中部件出现故障时,备用部件代替其继 续工作。常用的硬件冗余系统包括:并联系统、备用系统和表 决系统[4]。硬件冗余的优点是切换时间短,系统跟随性较好。 但由于硬件冗余增加了额外的硬件成本,使得系统的成本 提高。 1.2软件冗余技术 软件冗余主要是通过软件程序实现主备系统的数据同步和 切换。软件冗余切换时间主要取决于主体程序、检测程序的运 行时间等,较硬件冗余长,但成本低,系统运行性价比高。 冗余系统的目标是避免因一个错误或者系统维护而造成的 损失,而且停车成本越高越有必要采用冗余系统。 2硬件冗余提高PLC控制系统可靠性 2.1 PLC控制系统中的硬件冗余技术 PLC控制系统中可实现的硬件冗余主要包括CPU冗余、 通信冗余、I/O口冗余、电源冗余。 CPU冗余主要利用一主一备控制器,在故障发生时自动 切换到备用控制器,用于对反应速度较快、生产工艺要求较高 的系统中,例如处理贵重原料或控制系统故障导致重新开车成 本高等场合。两个系统的数据同步利用热备模块或同步模块实 现,可实现故障时的自动切换,切换时间较软件冗余短。 在PLC控制系统的通讯中,主要包括:CPU问通讯、 CPU与上位机通讯、CPU与I/O设备通讯。CPU间通讯可配 置冗余热备模块实现通讯冗余。CPU与上位机通讯可在PLC 中配置冗余以太网模块,上位机配置冗余网卡,通过交换机实 第12期 王虎军:冗余技术提高PLC控制系统可靠性的研究 ·4017· 现双网冗余。CPU与I/O设备可通过主从通讯模块实现通讯, 每个通讯模块上应有两个通讯接口,介质可根据距离采用同轴 电缆或者光纤。 通过采用冗余的输入输出点实现冗余I/O。I/O模板可进 行冗余配置,并且在软件中组态设置。设备的冗余实现方式主 要有:并联系统、备用系统、表决系统。并联系统是用两个或 多个功能相同的部件组成并联运行系统,当一个部件故障时, 可由其他部件代替输出。备用系统是由一个或多个部件构成备 用部件,备用部件可处于热备或冷备状态。表决系统是由3个 或3个以上系统构成.通过表决器判决输入来决定输出。 电源模块是PLC的供电部分,当PLC突然掉电时,会关 闭输出,对控制系统产生影响。电源冗余就是用两个或多个电 源模块对系统供电,通过冗余电缆交换各自状态信息。 2.2西门子PLC硬件冗余方法 2.2.1冗余框架 S7—400H PI.C是西门子推出的最新PI。C冗余系统,主 要有CPU414—4H和CPU417—4H两种。通过硬件的冗余配 置,可实现主控制器故障时,主备控制器的无扰动切换和数据 同步‘“。 S7—400H PI。C主要实现CPU冗余、电源模块冗余、 ET200分布式I/O设备冗余、同步模块冗余等。 其冗余架构如图1所示,由现场层、控制层、管理层 构成。 管理层 冒 画 画并行冗余客户端 L—1’—寸并行冗余服务器 控制层 以'_太二网_二、~一二一——沉余介质 删热量…Jl唧 盯 一哩 现 场 圆 现场设备 余m 硬 冗 余 勰糊 管理层可进行控制系统与控制对象信息交换,并通过通信 功能来实现数据信息的共享。控制层主要由控制器组成,控制 层连接管理层和现场层,是系统的中心部分,通过冗余配置控 制器以提高可靠性。现场层主要负责采集和上传现场传感器的 数据,并接受控制器的指令来驱动现场设备。 2.2.2冗余工作原理 S7—400H PLC冗余系统利用同步模块,采用同步事件驱 动方式实现同步。主备CPU切换过程如下:当主CPU发生故 障后,备份CPU会自动与主CPU建立连接。具体冗余过程如 图2所示。 3软件冗余提高PLC控制系统可靠性 3.1 PLC控制系统中的软件冗余技术 软件冗余用于PLC控制系统中可实现控制器冗余和通信 i爿!硬什tj[袋过陛 冗余,且软件冗余实际上仍然需要硬件上冗余配置,只是切换 方式改为由软件程序判断执行,是一种软硬结合的方法。对于 控制器软件冗余,硬件上由两套控制器组成,软件中需要编制 主/备处理器监控程序和主/备处理器数据同步处理程序,且切 换时间取决于主程序的扫描时间。对于通信冗余,硬件上由两 套网络构成,软件中需要编制程序监控通信模块的状态,当检 测到主通信网络故障时,可进行通讯网络切换。 如果冗余质量和控制范围没有必要采用专用的冗余系统, 比如切换时间较长等,那么考虑软冗余。软冗余主要用于对反 应速度较慢、生产工艺要求不高的系统中。 3.2西门子PLC软件冗余方法 3.2.1软冗余系统架构 系统架构图如图3所示。 。d 撵堡白 Mf,l或PROt…{Ls或以爪网 s7‘{00或蟹—磐?=j{【im :;7i j0或 0 s7 doo站【{I PROF雨丽可厄——————1一t’——一i一 1’ROFIIj【S 1)I, ..., =4, :, FI!’F2带007M分张剿柿/式o&I 备ET设2带备舂OOMSⅢ}-肴1i譬侈文1/。0’黢沁备嚣 图3软冗余的系统架构图 整个软冗余硬件系统由两套独立的S7—300或S7—400 PLC系统构成(可以选择300/400系列中带有DP通讯接口的 CPU)。可实现:PLC处理器冗余;主机架电源、背板总线冗 余;PRORBUS现场总线网络冗余;ET200M站的通讯接口模 块IMl53—2冗余。 3.2.2软冗余系统工作原理 系统正常工作时,A、B控制系统独立运行,ET200M由 主系统的PI。C控制。具体运行原理图如图4所示。 4 PLC冗余系统的可靠性分析 4.1 PLC控制系统的可靠性 PLC控制系统的可靠性是指PLC与其被控对象结合,组 40】7 万方数据 ·4018· 计算机测量与控制 输 第23卷 图5西门子软冗余系统逻辑框图 图4软冗余工作原理 成的系统的可靠性。具体是指控制系统在规定条件和规定时间 内完成规定功能的能力¨]。控制系统可靠性的指标通常包括可 靠度R(reliability)、平均无故障工作时间MTBF(mean tine between failures)和故障率A[7 7等。 4.2冗余系统可靠性分析 假设各个元器件的失效率都为A,单个系统的可靠度为R —e~。 1)并联系统可靠性:假设并联系统是由P个元部件组成 的,则只要一个元件能工作整体就能工作。则系统的可靠 度为: p R—I一Ⅱ(1一e-.1it) i=I 2)备用系统可靠性:假设备用系统是由P个结构和功能 相同的装置构成的,则总体的可靠度为: R=e“P1∑辱. J—o J‘ 3)表决系统可靠性分析:假设表决系统是由P个相同元 部件构成的。只有正常工作元件数大于非正常工作元件数时, 表决器才判决输入为正确。对于P中取k的表决系统,则其可 靠度为: R一∑c#(e) 则两个元器件的并联系统的可靠度为R—e—f 2一e 、; 一主一备的备用系统的可靠度为R—e~f1+沁、;3中取2 的表决系统的可靠度为R—e_2“f 3—2e 、,则可知上述3种 冗余系统的可靠度均高于单个系统,因此使用冗余技术可提高 系统的可靠性。 4.3西门子PLC软冗余系统的可靠性分析 西门子PLC软冗余系统属于并一串联冗余,其逻辑框图 如图5所示。 由于CPU或者电源任意一个故障,系统无法正常工作, 因此可将二者看成整体,同时由于PROFIBUS总线相对于其 他器件寿命很长邛],进行可靠性分析时可忽略。则上述软冗余 系统可化简为如图6所示。 图6软冗余系统简化 由并一串联系统的可靠度可知该系统的可靠度为: R(t)一1一厂1一P‘1K+21,’‘]2—2e‘1K+21I“一e(2aK+蛆I’‘ 而单个系统的可靠度为: R(£)一e('IKw…I‘,其中AK为控制器的故障率,^』为 1M153的故障率。 对比可得,冗余系统的可靠度高于单个系统的可靠度。因 此可见,软冗余系统大大提高了系统的可靠性。 西门子系列PI。C可实现硬件冗余的H(高可靠性)系统, 通过自动切换将发生中断的单元切换到备用单元上已实现不中 断工作,其可靠性高于软件冗余。 5 结束语 本文总结了利用冗余技术提高PI。C系统可靠性的方法, 并详细分析了西门子系列PI.C如何实现软硬件冗余。最后对 冗余技术提高系统可靠性进行了计算分析,结果表明,冗余技 术对提高PI。C控制系统可靠性具有明显作用,对于实际的工 控现场设计有一定的参考作用。 参考文献: [1]宋伯生.PLC编程理论·算法及技巧[M].北京:机械工业出版 社,2007. [23李启光,郝静如,米洁,等.基于故障树的机车PLC控制系统 可靠性分析[J].计算机测量与控制,2003,11(9):692—694. [3]郭晓松,王振业,于传强,等.基于CAN总线的容错冗余技术研 究口].计算机测量与控制,2009,17(1):60—62. 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