DDC控制系統(tǒng)的控制器冗余解決方案研究

曹玉新 靳怡 邵康文 劉原

摘??要：通過在DDC控制系統(tǒng)中定義一個主控制器和一個備控制器，實現(xiàn)在DDC控制系統(tǒng)中由兩個控制器組合成為熱備份效果的控制系統(tǒng)，該熱備份控制系統(tǒng)包括控制器、IO器件、心跳偵測機制以及信道選擇機制等部分，其能為受控場所提供一種冗余的控制系統(tǒng)，且其經(jīng)濟型和可實施性良好，尤其適用于既有DDC控制系統(tǒng)的改造與提升。

關(guān)鍵詞：DDC;控制器;冗余;熱備份

中圖分類號：TP182 ???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）01-0000-00

0 ?引言

在生物醫(yī)藥、工業(yè)廠房和數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施中，暖通空調(diào)控制系統(tǒng)（HVAC）通常采用基于直接數(shù)字控制器DDC的解決方案。DDC專為暖通空調(diào)行業(yè)設(shè)計，其具有造價經(jīng)濟、應(yīng)用針對性強及施工調(diào)試便捷等特點。

在某些特定應(yīng)用場景下，如實驗室環(huán)境、數(shù)據(jù)中心的冷熱源控制及其他對目標系統(tǒng)的意外關(guān)閉或服務(wù)中斷非常敏感的場合，暖通空調(diào)系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的可用性提出更高要求-控制系統(tǒng)應(yīng)具有冗余的備份能力。目前DDC在HVAC自控領(lǐng)域具有經(jīng)濟性好、應(yīng)用針對性高和調(diào)試難度低等特點，但支持冗余備份功能的解決方案卻非常少。鑒于此，本文在現(xiàn)有DDC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過一系列的方案設(shè)計達到冗余的控制功能要求，最終在可用性和經(jīng)濟性之間實現(xiàn)一種動態(tài)平衡。

1 ?方案設(shè)計

為了實現(xiàn)一套冗余的控制系統(tǒng)，我們在原有DDC控制器的基礎(chǔ)上，增加一個配置相同的DDC控制器作為備用控制器。此時，稱這兩個DDC控制器分別為主控制器與備控制器。每個控制器都是一個獨立工作的全功能控制器，包括CPU、電源和輸入輸出模塊等組件。為了兼容現(xiàn)場既有的傳感信號和控制信號，我們還需設(shè)計一些信號選擇和分配機制，其具體實現(xiàn)的細節(jié)需根據(jù)實際情況具體分析;此外，為了實現(xiàn)主控制器和備用控制器的切換，需設(shè)置一套心跳偵測機制。其整體解決方案如圖1所示。

在正常情況下，主控制器和備控制器均出于運行狀態(tài)，但同時只有一個控制器與末端受控設(shè)備連接。當出現(xiàn)控制器故障時，備用控制器可以瞬間接管受控設(shè)備，從而避免出現(xiàn)受控設(shè)備運行中斷的現(xiàn)象，實現(xiàn)了“熱備份”的控制系統(tǒng)功能。

2 ?方案實現(xiàn)要點

2.1 ?控制器之間的心跳偵測

在主控制器和備控制器之間設(shè)置專用心跳探測機制，其目的在于探測控制器的工作狀態(tài)?？紤]到心跳信號會以較高的頻率發(fā)生周期性變化，因此心跳信號的類型應(yīng)以模擬量為宜（例如4-20mA的交變信號）正常的心跳信號波形如圖2所示。當備控制器監(jiān)測到接收的心跳信號無法正常變動時，即可感知控制器切換的需求出現(xiàn)，實現(xiàn)控制器之前的切換。

2.2 ?IO信號通道處理

為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余功能，各輸入和輸出信號也需要建立相應(yīng)的冗余通道以便跟主備控制器的設(shè)置匹配。

2.2.1 ?輸入信號（模擬量和數(shù)字量）

對于輸入信號，理想情況下設(shè)備可以提供冗余的雙路信號或是具備冗余的傳感器信號，此時可以將這兩路信號分別引至主、備控制器。如果被監(jiān)控設(shè)備僅能提供一路信號，或者僅有單個的傳感器信號，則可以通過增加信號分割機制來實現(xiàn)被監(jiān)控信號同時為主、備控制器所用，其工作原理如圖3所示。

2.2.2 ?輸出信號（模擬量和數(shù)字量）

暖通空調(diào)系統(tǒng)中多為風機、泵類設(shè)備及遙控啟停等操作推薦采用脈沖控制信號，電控柜接收執(zhí)行該遙控信號并自保持。在該情況下設(shè)備的控制信號均包括一個啟動信號和一個停止信號，如果被控設(shè)備支持雙路控制可直接分別將主控制器和備控制器的控制信號接入。另一種情況是設(shè)備僅提供一套啟停接口，此時則可以通過增設(shè)一套導(dǎo)向機構(gòu)，根據(jù)心跳切換判斷的結(jié)果將擬投入工作的控制器信號傳遞到受控設(shè)備，信號流向可參考圖4。

類似的處理方案也可應(yīng)用于模擬量的控制信號，實踐上，我們可以把上述處理元件統(tǒng)一設(shè)計在仲裁機制控制箱中。如果設(shè)備支持雙路冗余控制，那么主、備控制器的控制信號可以無需上述處理，直接連接到受控設(shè)備即可。

2.3 ?主備控制器間的數(shù)據(jù)同步

為保證兩臺控制同時在線運行，除去上述硬件設(shè)計外，兩臺控制器應(yīng)運行相同的控制程序。當出現(xiàn)故障切換情形時，備用控制器以相同的邏輯控制輸出，從而在切換過程中不會出現(xiàn)系統(tǒng)運行中斷或較大擾動的情況。在此基礎(chǔ)上主、備控制器需實施同步的信息包括：系統(tǒng)狀態(tài)信息、用戶設(shè)定信息和輸出信號等。

3 ?系統(tǒng)應(yīng)用實踐

基于上述設(shè)計，我們在某些具有冗余熱備份要求的HVAC控制系統(tǒng)中應(yīng)用該方案，典型應(yīng)用場景包括關(guān)鍵環(huán)境中的冗余AHU控制以及可用數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)的二次泵變頻控制等。經(jīng)過改良設(shè)計和精密調(diào)試，受控系統(tǒng)可實現(xiàn)在受保護的意外情況發(fā)生時，瞬時切換到備用控制系統(tǒng)，確保受控設(shè)備維持正常運行，從而無中斷服務(wù)的情況出現(xiàn)。

通過應(yīng)用該解決方案，控制系統(tǒng)可以針對如下故障場景獲得冗余備份的保護，如表1所示。

4 ?方案改進及應(yīng)用小結(jié)

在實施熱備份項目過程中，信號處理的部分需要額外設(shè)計組裝，此外，心跳信號的偵測和判斷需要占用DDC資源，因此熱備份項目的本質(zhì)是基于軟件的故障決策機制。

本方案并非完全意義上的冗余控制系統(tǒng)，由于增加的仲裁切換機構(gòu)自身也會存在故障點，但經(jīng)過細心的工序設(shè)計和周密的故障預(yù)案分析，其整體解決方案可以達到冗余備份控制的目的，且其經(jīng)濟型和可實施性良好，尤其適合既有DDC控制系統(tǒng)的改造與提升。

收稿日期：2019-05-22

作者簡介：曹玉新（1976—），男，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)中心、生命科學(xué)以及綠色建筑的智能化解決方案。

An Economic Approach to DDC Based Redundancy Solution

CAO Yu-xin，JIN Yi，SHAO Kang-wen，LIU Yuan

（Siemens Building Technology （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin ??300050）

Abstract：Presents an approach to build a control system with redundancy function by two identical DDC controllers， one of which is main controller and the other one is backup controller. The system consists of standard components like DDC controller， IO module， heartbeat detection and output selection relays etc.

Keywords：?DDC;Controller based;Redundancy;hot backup