PLC 冗余控制技術(shù)在純水控制系統(tǒng)中的應用

耿海東

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團第十市政設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

引言

傳統(tǒng)純水控制系統(tǒng)主要利用了PLC 現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)故障率高、穩(wěn)定性差，純水處理流程復雜，為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足問題，提高純水的純度，利用PLC 冗余控制技術(shù)，設(shè)計一款功能完善、實用性強的純水控制系統(tǒng)。

1 冗余系統(tǒng)設(shè)計

1.1 冗余控制實現(xiàn)方式的選擇

冗余控制主要是指通過借助相關(guān)設(shè)備或者單元器件，形成龐大的純水控制系統(tǒng)。當某一設(shè)備或者單元器件出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)可以自動采用軟硬件結(jié)合的方式替換掉異常的設(shè)備或者單元器件[1]，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運行。針對冗余控制實現(xiàn)方式，可以將其劃分為以下兩種方式：

1）軟件冗余控制實現(xiàn)方式。該方式需要借助編程方式，及時對異常問題進行切換處理，同時，還要增加相應的CPU 模塊，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)移狀態(tài)進行全面監(jiān)視，只有這樣，才能保證系統(tǒng)編程實現(xiàn)效果，達到降低系統(tǒng)開發(fā)成本，簡化系統(tǒng)維護流程的目的。

2）硬件冗余控制實現(xiàn)方式。該方式采用故障切換方式，省掉了用戶編程環(huán)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)所有CPU 可以同時運行。純水控制系統(tǒng)在具體的設(shè)計中，主要選用硬件冗余控制實現(xiàn)方式。

1.2 純水控制系統(tǒng)的冗余系統(tǒng)架構(gòu)

純水控制系統(tǒng)在具體的設(shè)計中，主要采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，包含控制層、設(shè)備層和監(jiān)視層。冗余系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1 所示。

圖1 冗余系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計示意圖

1）控制層主要是在PROFIBUS-DP 的總線組建基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，主要由冗余電源模塊、以太網(wǎng)通訊模塊和鏈路模塊組成。

2）設(shè)備層主要由現(xiàn)場操作箱、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)以及冗余S7-400H 組成。

3）監(jiān)視層主要借助以太網(wǎng)通訊模塊，與其他設(shè)備之間建立起有效的連接，以保證數(shù)據(jù)交換的高效性和有效性，為后期實現(xiàn)所有受控設(shè)備的統(tǒng)一化、集中化監(jiān)控創(chuàng)造良好的條件。

1.3 S7-400H 冗余控制中PLC 的工作過程分析

硬件冗余方式運用中需要借助處理器，在結(jié)合熱備份的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對主處理器運行狀態(tài)的全面控制。當該處理器處于通電運行狀態(tài)時，為了保證輸入信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和安全性，需要做好對相關(guān)數(shù)據(jù)的處理工作，同時，還要避免相關(guān)信息的輸出。主處理器在設(shè)計中，主要借助了硬件互聯(lián)方式[2]，以保證故障切換的效率和效果。而處理器在運營中，主要負責多種不同類型處理器的同步檢測和處理，并將這些處理器的運行狀態(tài)信息安全、可靠地傳輸?shù)街付ǖ臄?shù)據(jù)庫中，便于其他人員查看和調(diào)用。一旦發(fā)現(xiàn)主控制器出現(xiàn)異常問題，系統(tǒng)會自動與從控制器建立起同步連接，接收和處理從處理器所發(fā)送的請求，當主處理器顯示“嚴禁刪除和復制塊功能”警惕信息時，系統(tǒng)會向從處理器自動發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)資源。

1.4 系統(tǒng)硬件冗余配置

在PLC 冗余控制技術(shù)的應用背景下，純水控制系統(tǒng)的硬件冗余配置設(shè)計示意圖如圖2 所示，主要包含以下四種類型。

圖2 系統(tǒng)硬件冗余配置設(shè)計示意圖

1）機架與電源冗余配置。機架主要綜合運用了S7-400H 機械化設(shè)計思想，并借助信號總線，將各個不同模塊進行有效連接。對于純水控制系統(tǒng)而言，主要借助了UR2-H 機架，該機架具有一定的獨立性，可以獨立安裝和固定于不同的子系統(tǒng)中，同時，該機架內(nèi)部所配置的冗余模塊和電源模塊均達到了兩個。

2）處理器冗余配置?？刂破髯鳛榧兯刂葡到y(tǒng)的主要組成部分，主要借助S7-400H 系列的PLC，在保證硬件熱冗余實現(xiàn)效果的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的容錯能力，將系統(tǒng)故障停機概率降到最低，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運行。此外，還要將CPU 模塊與分布式I/O 模塊之間進行有效連接，以實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件冗余科學化、規(guī)范化配置。

3）分布式I/O 冗余配置。I/O 冗余主要是指通過借助多個I/O 點，完成對同一外接設(shè)備輸入信號和輸出信號的集中化獲取和整理。一旦發(fā)現(xiàn)某一I/O點出現(xiàn)異常問題，外接設(shè)備的輸入信號和輸出信號均不會受到影響。但是，在進行I/O 冗余配置期間，難免會遇到冗余成本高的問題。分布式I/O 冗余可以從根本上解決以上問題，通過利用該冗余配置方式，不僅可以實現(xiàn)對冗余IM153-2 接口的集中化調(diào)用，還能安全、可靠地存儲和管理I/O 信號站地址，為進一步提高系統(tǒng)的通信性能，滿足人們的高質(zhì)量通信需求產(chǎn)生積極的影響。

4）鏈路冗余配置。在這一環(huán)節(jié)中，一旦發(fā)現(xiàn)某一鏈路出現(xiàn)故障問題，系統(tǒng)會借助冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，自動切換到運行正常的網(wǎng)絡(luò)鏈路，以保證系統(tǒng)運行性能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對系統(tǒng)冗余設(shè)計需求，在完成系統(tǒng)硬件冗余配置的基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)軟件的設(shè)計工作。純水控制系統(tǒng)所控制的對象比較多，通過調(diào)用主程序內(nèi)相關(guān)功能模塊，可以最大限度地提高系統(tǒng)總體控制水平，同時，還要根據(jù)工藝流程，為每個功能模塊配置相應的控制裝置，如純水箱裝置以及過濾器裝置等。此外，還要在某一個功能模塊下，做好對多種功能塊的嵌套處理，實現(xiàn)對水泵、閥門以及報警器相關(guān)裝置的自動化、智能化控制[3]。對純水控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)冗余控制主要包含以下三個步驟：

1）系統(tǒng)同步。借助S7-400H 子單元，確保同步模板能夠與CPU414—4H 之間建立起有效的連接，同時，還要為所有CPU 設(shè)置相應的同步模板，并借助光纖，將位于上部的多個不同模板進行有效連接。此外，還要借助另一端的光纖，將位于下部的多個同步模板進行有效連接，最大限度地提高系統(tǒng)同步效率和效果。

2）系統(tǒng)診斷。為了進一步提高系統(tǒng)診斷結(jié)果的真實性和可靠性，現(xiàn)借助PLC 冗余控制技術(shù)，對系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的異常問題進行全面檢測、評估和匯總。此外，還要借助CPU，對系統(tǒng)錯誤程序進行識別，并將最終的識別結(jié)果存儲于指定的診斷緩存區(qū)中，借助編程器，對這些診斷信息進行讀取和調(diào)用，為其他人員查看和調(diào)用這些診斷信息提供有力的保障。

3）系統(tǒng)切換。借助OB 塊，對系統(tǒng)進行規(guī)范化切換處理。充分利用系統(tǒng)診斷模板以及信號模板，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部以及外部錯誤信息的全方位診斷。借助中斷OB 塊對最終的切換結(jié)果進行一一響應，確保冗余系統(tǒng)能夠自動進入到冗余切換狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)OB 塊沒有被成功裝載，系統(tǒng)會出現(xiàn)錯誤報警信息，并接入到停止運行狀態(tài)。

3 結(jié)語

通過將PLC 冗余控制技術(shù)科學應用于純水控制系統(tǒng)設(shè)計中，不僅可以實現(xiàn)對水資源的自動化、智能化控制，還能降低制備系統(tǒng)的故障出現(xiàn)概率，確保系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運行，進一步簡化純水制備流程，提高純水制備效率和效果，極大地提高了用戶的使用體驗。由此可見，PLC 冗余控制技術(shù)具有非常高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用于純水控制系統(tǒng)中。