PLC 冗余設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

楊杰君，易靈芝，龍 辛，戴建利

（1.智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院），湘潭411105；2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411101）

隨著風(fēng)機(jī)大型化時(shí)代的到來，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是系統(tǒng)的可靠性和安全性受到越來越多的關(guān)注。冗余技術(shù)作為一種提高系統(tǒng)可靠性的方法，它通過增加同等功能模塊（如CPU），并按照相應(yīng)的冗余邏輯使它們同步運(yùn)行。冗余系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)增加了單故障容錯(cuò)屬性，使控制系統(tǒng)不受單一局部故障影響，即使設(shè)備在維護(hù)或者調(diào)整期間也可以全天候連續(xù)生產(chǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，避免了由于控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的設(shè)備損壞或停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 PLC 冗余

可編程邏輯控制器PLC（programmablelogiccontroller）冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種[1]。軟件冗余是通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份、讀取以及監(jiān)測(cè)到異常時(shí)的自動(dòng)切換，主控權(quán)轉(zhuǎn)移。硬件冗余則是通過增加同等功能的模塊通過熱備份實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和主/從切換。

PLC 冗余的硬件結(jié)構(gòu)是基于VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PLC 冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。兩套功能相同的硬件是構(gòu)成冗余的核心。底板模塊、CPU模塊、I/O 模塊、通信模塊等都插在底板插槽上，每個(gè)模塊都是通過底板電源供電，它們通過各自的底板總線進(jìn)行通訊。在PLC 正常工作時(shí)，兩條冗余鏈路和主備CPU 同時(shí)激活，在理想情況下，兩條鏈路各自接收和處理各自鏈路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，備用CPU 獲得相同的輸入值，并通過相同的應(yīng)用程序計(jì)算輸出值，但是備用鏈路不會(huì)輸出控制信號(hào)。集成式自我監(jiān)控機(jī)制可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)檢測(cè)。這樣，當(dāng)激活的主鏈路或主CPU 發(fā)生故障后，可以自動(dòng)進(jìn)行切換，讓備用鏈路接替其工作。這種硬件冗余方式，CPU 的切換時(shí)間達(dá)100 ms 以下，且備用鏈路將重新執(zhí)行出現(xiàn)故障時(shí)的那段任務(wù)。這樣就能使控制器在切換期間無信號(hào)丟失，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無障礙切換。

圖1 PLC 冗余結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of PLC redundant

2 冗余系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)與分析

冗余系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)主要包括：可靠度（reliability）、平均無故障時(shí)間、失效率等。其中：可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的能力。即產(chǎn)品在正常工作無故障狀態(tài)的概率[2]。用R（t）來表示。即R（t）=P（X〉t），它是規(guī)定時(shí)間的函數(shù)，規(guī)定時(shí)間越長(zhǎng)，可靠度越小，且0≤R（t）≤1。用ψ（t）來表示系統(tǒng)的不可靠度，則系統(tǒng)的不可靠度ψ（t）=1-R（t）。

失效率定義為系統(tǒng)或元件工作到某個(gè)時(shí)間后，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的比率。通常又稱為瞬時(shí)故障率，用λ（t）表示。

則可靠度與失效率之間的關(guān)系為

平均無故障時(shí)間MTBF（mean time between failures）是指可邊使用邊修理的系統(tǒng)、原件或產(chǎn)品在相鄰的故障之間能正常工作的時(shí)間平均值[3]。通常平均無故障時(shí)間又稱為產(chǎn)品的平均壽命，產(chǎn)品的平均壽命是一個(gè)隨機(jī)變量，通過對(duì)一些同樣產(chǎn)品的壽命統(tǒng)計(jì)規(guī)律的了解，可計(jì)算出平均壽命：

根據(jù)基于VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PLC 硬件冗余的結(jié)構(gòu)及其功能，利用邏輯框圖分析法，可以建立PLC 冗余系統(tǒng)的邏輯框圖（見圖2）。該系統(tǒng)假設(shè)是由m 個(gè)串聯(lián)分系統(tǒng)再并聯(lián)構(gòu)成（即先串后并），其中只要有一條分路能正常工作時(shí)，該系統(tǒng)就能正常工作。每個(gè)元件的失效率和可靠度分別為：λ11，λ12，λ13，…，λmnm和R11，R12，R13，…，Rmnm。

圖2 串并冗余系統(tǒng)邏輯框圖Fig.2 Logicdiagramofseriesandparallelredundantsystem

根據(jù)圖2 所示，則第x 條分路的可靠度為

則根據(jù)式（4）可將圖2 所示的PLC 串并冗余系統(tǒng)邏輯框圖逐步簡(jiǎn)化為圖3 所示的等效并聯(lián)冗余系統(tǒng)邏輯框圖。

圖3 等效并聯(lián)冗余邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of equivalent parallel redundant

在圖3 的并聯(lián)冗余系統(tǒng)中，當(dāng)所有分路全部失效時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)失效。則系統(tǒng)的可靠度為

則根據(jù)式（4）和式（5）可推導(dǎo)出串并冗余系統(tǒng)的可靠度為

假設(shè)元件的故障是隨機(jī)出現(xiàn)的，并且假設(shè)元件的失效率λ 為常數(shù)，則式（6）可以寫為

當(dāng)每個(gè)分鏈路的所用元器件完全相同，相同元器件的失效率λ 都相同時(shí)，則各個(gè)分鏈路的失效率也都是相同值，即λ1=λ2=λ3=…=λm，式（7）可以化簡(jiǎn)成為

由此利用式（3）可計(jì)算出整個(gè)冗余系統(tǒng)的平均壽命為

由于PLC 硬件冗余是由兩條完全相同的鏈路組成，因此該系統(tǒng)的可靠度為：（2e-λt-e-2λt），平均壽命為發(fā)現(xiàn)在添加了冗余控制系統(tǒng)以后，系統(tǒng)的平均壽命比單控制器系統(tǒng)延長(zhǎng)了1.5 倍，可靠度則比單控制器系統(tǒng)提高了（2-e-λt）倍。因此冗余系統(tǒng)的可靠性得到了很大提升。

3 PLC 冗余技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

為提高兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國產(chǎn)化比率，方便后期維護(hù)，并且節(jié)約生產(chǎn)成本，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在遵循IEC61131-3 國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以基于PowerPC 處理器和VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)為運(yùn)行環(huán)境，以CodeSys 軟件為其開發(fā)環(huán)境，采用了分布式硬件結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)I/O 模塊間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互[4]。

本文利用基于VxWorks 結(jié)合CoDeSys 模式設(shè)計(jì)出的PLC 模塊，搭建出一個(gè)PLC 冗余系統(tǒng)。在兩條相同的底板上都插上了CPU 模塊，數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、以及光纖模塊。該系統(tǒng)平臺(tái)中的2 個(gè)控制器分為主CPU 和備用CPU。則先初始化的鏈路為主站，后啟動(dòng)的為從站。從站上電啟動(dòng)后將運(yùn)行程序與主站進(jìn)行同步。主站中的主CPU 將與備用CPU 會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，備用CPU 獲得相同的輸入值。主站CPU的集成式自我監(jiān)控和外部監(jiān)控機(jī)制可確保對(duì)正常運(yùn)行中的錯(cuò)誤或變差做出快速反應(yīng)[5-8]。PLC 冗余控制器在一個(gè)工作周期內(nèi)將執(zhí)行圖4 所示任務(wù)。而在運(yùn)行過程中，主站不論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，PLC都會(huì)快速反應(yīng)，將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到從站上來。從站在獲取控制權(quán)后，就可將輸出信息輸出。

圖4 帶有冗余功能的PLC 任務(wù)周期圖Fig.4 PLC task with redundant functions period diagram

利用搭建好的PLC 冗余系統(tǒng)，在主站正常運(yùn)行PLC 程序，主站所有模塊能正常輸出數(shù)據(jù)，輸出模塊的輸出燈點(diǎn)亮（見圖5）。將主站CPU 模塊，或者主站I/O 模塊突然斷電，則主站出現(xiàn)故障。從站接受控制權(quán)后，從站的I/O 模塊正常輸出，從站I/O模塊輸出燈點(diǎn)亮（見圖6）。

圖5 主站正常工作實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Real photo of the main station

圖6 從站工作實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Real photo of the slave station

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。如圖7 所示為上位機(jī)監(jiān)測(cè)PLC 冗余系統(tǒng)的主站CPU 或I/O 模塊斷電后模擬輸入輸出模塊AIO（analog input output）輸出的電壓波形，而圖8 所示為單控制器系統(tǒng)CPU 或I/O 模塊斷電后的AIO 模塊輸出電壓波形。

圖7 冗余系統(tǒng)AIO 模塊輸出電壓Fig.7 AIO module output voltage of redundant system

圖8 單控制器系統(tǒng)AIO 模塊輸出電壓Fig.8 AIOmoduleoutputvoltageofsingle-controllersystem

另一組實(shí)驗(yàn)中，在給CPU 模塊斷電或者I/O模塊斷電以后，從上位機(jī)觀察數(shù)字輸入輸出模塊DIO（digital input output）的輸出電壓波形，圖9 所示為PLC 冗余系統(tǒng)DIO 的輸出電壓，而圖10 所示為單控制器系統(tǒng)DIO 的輸出電壓。

圖9 冗余系統(tǒng)DIO 模塊輸出電壓Fig.9 DIO module output voltage of redundant system

圖10 單控制器系統(tǒng)DIO 模塊輸出電壓Fig.10 DIO module output voltage of single-controller system

由以上兩個(gè)系統(tǒng)的AIO 和DIO 輸出電壓波形對(duì)比可知，PLC 冗余系統(tǒng)主站在CPU 或者I/O 模塊斷電后，從站能立刻做出響應(yīng)，接替主站工作，可靠性比單控制系統(tǒng)有了顯著提高。由于PLC 冗余系統(tǒng)的平均壽命比單控制器系統(tǒng)延長(zhǎng)了1.5 倍，可靠度則比單控制器系統(tǒng)提高了（2-e-λt）倍，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常工作的情況下，PLC 冗余控制系統(tǒng)能在單條鏈路出現(xiàn)故障的情況下繼續(xù)生產(chǎn)，保證了生產(chǎn)效益。

4 結(jié)語

PLC 硬件冗余系統(tǒng)提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，它在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用可以降低售后人員的工作強(qiáng)度，顯著增強(qiáng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)安全可靠性，而且能夠明顯降低風(fēng)機(jī)因控制系統(tǒng)故障而出現(xiàn)的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，雖然增加了設(shè)備費(fèi)用，但是確保了企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益。在湘電風(fēng)能工廠和大雄山風(fēng)場(chǎng)的PLC 可靠性實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用中，添加了冗余鏈路的PLC，連續(xù)工作時(shí)間和工作可靠度比單鏈路控制系統(tǒng)有了顯著增加。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了集中監(jiān)測(cè)、分散控制和連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的高可靠性要求，證明了PLC 冗余具有很高的實(shí)用性。

[1]劉沖，付江梅（Liu Chong，F(xiàn)u Jiangmei）. 雙重冗余PLC控制系統(tǒng)的可靠性與可用性研究（Research on reliability and availability of dual redundant PLC control system）[J].自動(dòng)化儀表（Process Automation Instrumentation），2010，31（9）：44-46，53.

[2]張銳，潘澤友（Zhang Rui，Pan Zeyou）.冗余技術(shù)在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究（A study on application of DCS by using redundant technology）[J]. 微計(jì)算機(jī)信息（Microcomputer Information），2007，23（31）：35-37.

[3]單曉明（Shan Xiaoming）.雙CPU 解析冗余通信控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)（Research and Implementation of Analytical Redundancy Communication and Control System of Double CPU）[D].西安：西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院（Xi'an：College of Communication Engineering of Xi'an Electronic and Science University），2012.

[4]詹俊，龍辛，黃波，等（Zhan Jun，Long Xin，Huang Bo，et al）.基于VxWorks 的軟PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and implementation of soft-PLC remote monitoring system based on VxWorks）[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化（Mechanical Engineering&Automation），2013（3）：3-5，8.

[5]許振偉（Xu Zhenwei）.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的模糊開關(guān)角控制（Fuzzy switch angle control mode for switched relucctance motor system）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（5）：62-65，108.

[6]Liu Chong，Zhou Jianliang，Yao Qiuguo，et al. Digital design and reliability analysis of reactor power control system[C]//International Workshop on Intelligent Systems and Applications.Wuhan，China，2009.

[7]Stotsky A，Egardt B.Model-based control of wind turbines：look-ahead approach [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2012，226（18）：1029-1038.

[8]Ye Yin，Wang Jin. Research and implementation of embedded soft PLC system[C]//Fifth International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems. Tianjin，China，2012：166-169.