軟冗余在泥沙輸送實驗臺控制中的應用

劉瑞祥，倪福生，顧 明

（1.中交天津航道局有限公司，天津300461；2.疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州213022；3.河海大學機電工程學院，江蘇 常州213022）

0 引言

為研究港口航道疏浚工程中泥沙輸送特性，中交天津航道局有限公司和河海大學疏浚技術(shù)教育部工程研究中心聯(lián)合研制了泥沙輸送實驗臺。由于管道中輸送的介質(zhì)為沙土和礫石等，一旦遇到故障停機，便會造成管道堵塞，需要耗費大量的人力物力去排查清堵，這就要求其控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。冗余技術(shù)通過增加冗余部件，協(xié)調(diào)冗余部件同步運行，使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到多重保證，不受局部故障的影響［1］。西門子PLC軟冗余系統(tǒng)通過2臺PLC中的軟件程序?qū)崿F(xiàn)工作／備份PLC的在線切換，是一種硬件和軟件結(jié)合的冗余方法。與硬件冗余相比，切換時間稍長，但大大降低了使用成本，適用于通信數(shù)據(jù)較少、工作／備份切換時間為秒級的系統(tǒng)［2］。

1 冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗臺系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 泥沙輸送實驗臺結(jié)構(gòu)

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中，各層分別具有不同的功能，即

a.信息層。在控制系統(tǒng)中處于頂層，由2臺監(jiān)控計算機及監(jiān)控軟件構(gòu)成。監(jiān)控軟件在OPC Server基礎(chǔ)上由VC＋＋軟件開發(fā)程序編制而成，完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、實時顯示和發(fā)布控制命令等功能。2臺監(jiān)控計算機互為備份，其中每一臺計算機都可以獨立控制實驗臺的運行。

b.控制層?？刂茖邮钦麄€軟冗余控制系統(tǒng)的核心部分，它由2個互為冗余的PLC主站和1個ET200M分布式I／O從站組成。每個PLC主站包括1 個 CPU315－2DP 模 塊、1 個 CP343－1 模 塊；ET200M從站包括2個IM153－2接口模塊和若干個I／O模塊。需要注意的是，由于軟冗余系統(tǒng)中的2個IM153－2接口模塊都要能通過背板總線與I／O模塊通信，所以需要將普通導軌更換為帶有有源總線模板的導軌。工作CPU和備份CPU之間通過ISO－ON－TCP協(xié)議的以太網(wǎng)進行冗余數(shù)據(jù)同步；PLC主站與ET200M從站之間通過PROFIBUS總線進行通信。

c.現(xiàn)場層。包括管道流量計、壓力傳感器和密度計等傳感器以及電磁閥和變頻器等執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)通過ET200M上的I／O模塊來讀取現(xiàn)場信號或者發(fā)布控制命令。

2 冗余系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

2.1 軟冗余系統(tǒng)工作原理

圖3 冗余CPU工作原理

工作CPU和備份CPU中都裝有軟件冗余組件，冗余CPU工作原理如圖3所示。

當工作CPU正在處理冗余程序組件時，備份CPU則跳過這些程序，即防止2個程序組件出現(xiàn)因報警或不同周期時間等導致的數(shù)據(jù)不一致。備用CPU一直處于準備接管工作CPU的狀態(tài)［3］，如圖3所示。

2.2 冗余系統(tǒng)組態(tài)

首先在STEP 7中新建一個項目，插入2個PLC站點，分別命名為“SIMATIC 300（A）”和“SIMATIC 300（B）”；其次打開“HW Config”，在2個站中分別插入1個CPU315－2DP模塊和1個CP343－1模塊，2個CPU315－2DP模塊上各自新建1條DP網(wǎng)絡(luò)；然后在2個DP網(wǎng)絡(luò)中各自插入1個ET200M從站；最后在從站中插入2個IM153－2接口模塊以及相應的I／O模塊，完成冗余系統(tǒng)的硬件模塊組態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在“NetPro”中進行。首先插入2個PC站點和1條Ethernet網(wǎng)絡(luò)，將2個PC站點和2個PLC主站連接起來。然后在“SIMATIC 300（A）”的CPU中新建1個指向“SIMATIC 300（B）”CPU的“ISO－ON－TCP”連接，此連接用于同步2個CPU之間的冗余數(shù)據(jù)。最后在2個PC站點中各自建立“S7＿connection1”和“S7＿connection2”連接，分別連接2個PLC主站。

系統(tǒng)具備以下冗余功能，即監(jiān)控計算機冗余；主機架電源、背板總線冗余；CPU冗余；PROFIBUSDP現(xiàn)場總線冗余；ET200M從站的IM153－2通信接口模塊冗余。

2.3 PLC程序的冗余軟件實現(xiàn)

西門子軟冗余的軟件設(shè)計需要用到西門子軟冗余包，軟冗余包中包含了不同結(jié)構(gòu)冗余系統(tǒng)編程所需要的組織塊、功能塊和數(shù)據(jù)塊。在系統(tǒng)中，主要對其中的OB35（定時中斷組織塊）、OB86（故障診斷組織塊）和OB100（暖啟動組織塊）進行編程［4］。編程步驟為：

a.在“SIMATIC 300（A）”中插入冗余系統(tǒng)所需的組織塊、功能塊和數(shù)據(jù)塊。組織塊包括OB80，OB82，OB85，OB86，OB87，OB121，OB122，OB100和OB35。功能塊包括FB1，F(xiàn)C10，F(xiàn)C11，數(shù)據(jù)塊包括DB7（FB1的背景塊）和DB8，DB9。

b.在工作CPU的程序塊OB100中調(diào)用FC100，設(shè)置ET200M從站的個數(shù)、冗余起始數(shù)據(jù)塊及數(shù)據(jù)塊數(shù)量等參數(shù)。

c.在OB35定時中斷組織塊中編寫冗余程序。在OB35中調(diào)用FB101“SWR＿ZYK”功能塊，該功能塊中封裝了冗余功能程序段來實現(xiàn)冗余功能。在系統(tǒng)中，程序塊FB1，F(xiàn)C10，F(xiàn)C11是冗余程序塊，其中FB1是數(shù)據(jù)采集子程序，F(xiàn)C10是閥門控制子程序，F(xiàn)C11是變頻器控制子程序，這些程序塊也在OB35中調(diào)用。

d.在OB86中調(diào)用診斷功能塊FC102，該程序塊用于診斷故障。

e.對“SIMATIC 300（A）”編程完畢后將這些程序塊復制到備份CPU中，并修改OB100中的參數(shù)。

冗余測試實驗中，通過切斷PROFIBUS通信網(wǎng)絡(luò)來模擬故障，測試工作CPU和備份CPU的切換，CPU的狀態(tài)可以通過狀態(tài)標志位來識別，系統(tǒng)中的狀態(tài)標志位為DB5.DBX9.0。

冗余實驗中，原來A站的CPU為工作CPU，拔掉PROFIBUS通信線纜后，A站狀態(tài)位由TRUE變?yōu)镕ALSE，原來作為備用的B站CPU，其狀態(tài)標志位由FALSE變?yōu)門RUE，實現(xiàn)了CPU的自動切換。

3 結(jié)束語

利用西門子PLC的軟冗余技術(shù)，完成了泥沙輸送實驗臺冗余控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)在多次故障模擬實驗中都能夠可靠運行，表明采用冗余技術(shù)確實能夠有效提高控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，大大降低了由監(jiān)控系統(tǒng)故障而引發(fā)堵管事故的概率。

［1］ 路建強，王華強，王聯(lián)慶，等.S7－300軟冗余在壓縮機控制中的應用［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2012，（1）：80－83.

［2］ 南新元，陳 飛，李 泉，等.S7－300PLC軟冗余系統(tǒng)性能實驗研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（6）：17－19，23.

［3］ 張曉慧，袁 敏.PLC軟冗余在氮氣連續(xù)供應自控系統(tǒng)中的研究與應用［J］.計算機與現(xiàn)代化，2012，（2）：61－65.

［4］ 徐竟天，李樹剛，張乃祿，等.基于S7－300軟冗余的鉆機自動送鉆控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油機械，2009，37（9）：98－101.