PLC冗余系統(tǒng)在調水工程中的應用

王嵩

摘 要：簡要說明PLC冗余技術，介紹了某調水工程具有雙網(wǎng)冗余功能的PLC冗余系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案。

關鍵詞：PLC冗余技術 調水工程 應用

1.引言

中國是一個水資源嚴重缺省的國家，并且水資源在時空分布性上也表現(xiàn)為極度不均衡。因此為了滿足當前中國經(jīng)濟的高速增長需求，越來越多的長距離、跨流域的大型調水工程正在建設和投入運行。由于調水工程的重要性，為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠性，以PLC冗余控制系統(tǒng)為基礎的SCADA監(jiān)控系統(tǒng)也得到了越來越廣泛的應用。

2.PLC冗余技術

PLC冗余技術一般是指重復配置系統(tǒng)中的一些重要部件或模塊，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件或模塊會介入并承擔故障部件的工作，以減少整個系統(tǒng)的故障時間，提高系統(tǒng)的可靠性。

PLC冗余技術按工作類型可分為主動和被動形式。所謂主動和被動主要是從主從切換的能動性上來分析的，主動冗余是可以主動切換，即隨時自行切換；被動冗余是指正在運行的部件損壞或者不正常時才會切換到備用部件工作，這其中也包括用戶手動和用戶程序切換方式。冗余技術按照功能又可分為冷備用、溫備用及熱備用，其關系如圖1所示。

（1）冷備用（cold standby），即備份所有正常運行的組件放在一旁或者倉庫里，等運行的組件損壞以后更換新的組件來完成系統(tǒng)的正常運行，這個冗余時間和更換時間息息相關。這種冷備用方式很少去關注響應時間，并且需要運維人員干預操作。這種冗余一般應用與實時性不強、工藝要求不高的場合。

（2）溫備用（warm standby），即軟冗余方式，主要通過編程方式來實現(xiàn)，一般是配置兩套完全一樣的組件，一個正常運行為主，另一個待機不運行備用為從，每隔一定時間，主從內容相互交換，當運行組件出現(xiàn)故障，備用組件才會運行承擔工作。由于軟冗余的實現(xiàn)受多方因素制約，系統(tǒng)切換時間稍長，因此部分軟冗余可能會導致主從設備在發(fā)生切換時有時間間隙，需人工干預或事先程序預置才能實現(xiàn)。西門子300冗余PLC即為典型的軟冗余系統(tǒng)。

（3）熱備用（hot standby），即硬冗余方式，是兩套完全一樣的組件，全部處于上電并運行狀態(tài)，兩個組件同時進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和計算，只是主組件擔任輸出控制任務，兩個組件實時交互，當主從切換的時候必須完成無擾動切換。而且熱備組件系統(tǒng)是隨時切換同時檢測組件狀態(tài)并報告。當主從切換的時候，需要完成系統(tǒng)通訊消息和數(shù)據(jù)更新以及堆棧的同步，從而實現(xiàn)無間隙切換。為了確保熱備系統(tǒng)的操作正確性，全部數(shù)據(jù)需要實時主從交互，以確保主從同步更新內容，任意一個組件故障時，另一個可以承擔全部控制任務。

3.冗余方案

以下就某調水工程應用實例來具體說明PLC冗余技術的實現(xiàn)。

3.1雙網(wǎng)冗余站控級SCADA系統(tǒng)

如圖2所示，站控級SCADA 監(jiān)控平臺采用雙機熱備運行方式為系統(tǒng)提供雙重保障，同時控制專網(wǎng)拓撲采用冗余的雙環(huán)網(wǎng)結構，每一臺主機都分別接入到兩個通訊子網(wǎng)中。為了避免網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況下有可能導致誤切換的現(xiàn)象，上位機采用專門的冗余狀態(tài)探測通道，通過配置相 應的軟硬件設備，從而可實現(xiàn)1秒內的快速切換。根據(jù)此設置原則，工程在各站控級及遠控級分別配貴了：冗余熱備的監(jiān)控工作站、操作員工作站及應用服務器等。

在圖2網(wǎng)絡中兩個子網(wǎng)都正常工作的情況下，網(wǎng)絡中任意兩臺主機之間都有兩條可用的通信信道，而下位機PLC在任一時刻僅使用一條通信信道和上位機通信，但是上位機卻可以使用兩條通信信道分別和不同的下位機PLC通訊，從而使兩個通信子網(wǎng)的網(wǎng)絡流量能夠保持均衡，最大限度地降低現(xiàn)場級通訊的時延。因此該雙網(wǎng)冗余通訊系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性、實時性和可靠性。

3.2現(xiàn)地站PLC冗余系統(tǒng)

現(xiàn)地站的控制單元PLC冗余系統(tǒng)采用GE公司的高性能RX3i系列控制器，除I/O模塊外，每個現(xiàn)地站配置2套獨立的互為熱備份的冗余CPU單元，每套CPU單元包含一個CPU模塊、一個多功能電源模塊、一個同步模塊及三個以太網(wǎng)通訊模塊，詳細配置見圖3所示。其中兩塊具有獨立的IP地址的以太網(wǎng)通訊模塊分別向上接入到冗余的雙環(huán)子網(wǎng)中和上位機通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙網(wǎng)傳輸；剩下一個以太網(wǎng)通訊模塊通過內部單環(huán)網(wǎng)和遠程I/O模塊連接起來。GE RX3i冗余PLC系統(tǒng)的切換速度為毫秒級，即達到所謂的無擾動切換。

RX3i采用熱備用方式的主動冗余技術在發(fā)生故障時，可實現(xiàn)無擾動地自動切換。在無故障時，兩個CPU單元都是處在運行狀態(tài)，如果一個CPU單元出現(xiàn)故障，另外一個正常工作的CPU單元能夠獨立地完成整個過程控制任務。

為了保證無擾動的切換，就必須通過各自的同步模塊通信鏈路實現(xiàn)CPU單元之間的快速可靠的數(shù)據(jù)交換。兩個中央控制器必須使用相同的用戶程序，自動地接受相同的數(shù)據(jù)塊、輸入輸出過程映像和內部數(shù)據(jù)等，例如計數(shù)器、定時器以及狀態(tài)寄存器等數(shù)據(jù)。這樣就可以確保兩個CPU單元之間同步更新內容，任意一個CPU單元發(fā)生故障時，另一個可以承擔全部控制任務。

需要注意的是每個CPU單元的第三個以太網(wǎng)通訊模塊不能減配，如果沒有這個以太網(wǎng)模塊，為了實現(xiàn)每個CPU單元和遠程模塊的通訊，每個CPU單元前兩個以太網(wǎng)通訊模塊中任意一個多余的RJ45口必須連接到內部單環(huán)網(wǎng)交換機上，由于這種類型的以太網(wǎng)通訊模塊僅僅是具有一個IP地址的兩端口交換機，這樣就必然導致遠程I/O模塊同時掛在上一層站控級冗余的雙環(huán)網(wǎng)上，使兩個獨立的環(huán)網(wǎng)之間成環(huán)，會引起網(wǎng)絡風暴，導致整個網(wǎng)絡癱瘓，所以一定要避免出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

4.結束語

PLC雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)在調水工程中的應用，顯著提高了調水工程控制系統(tǒng)的運行質量和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)投入使用2年以來，工作性能穩(wěn)定，運行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，系統(tǒng)功能完整，為調水生產(chǎn)提供了有力保障，實踐證明此方案是成功的。