D445熱備系統(tǒng)與Control Logix冗余系統(tǒng)通訊研究

楊傳將 ，徐揚(yáng)帆 ，劉紅兵（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

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D445熱備系統(tǒng)與Control Logix冗余系統(tǒng)通訊研究

楊傳將 ，徐揚(yáng)帆 ，劉紅兵
（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

摘要：本文敘述了由雙西門子運(yùn)動(dòng)控制器D445構(gòu)成的熱備系統(tǒng)與Control Logix 冗余CPU之間，通過(guò)雙通訊模塊，實(shí)現(xiàn)Profibus_DP通訊的方案，并對(duì)熱備系統(tǒng)中通訊數(shù)據(jù)的控制技術(shù)進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的冗余高效性能。

0　引言

SIMOTION是一個(gè)全新的西門子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成所有的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，適用于具有許多運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)器。它是世界上第一款針對(duì)生產(chǎn)機(jī)械而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將運(yùn)動(dòng)控制，邏輯控制及工藝控制功能集成于一身，為生產(chǎn)機(jī)械提供了完整的解決方案。

SIMOTION D是SIMOTION的一個(gè)緊湊的、基于驅(qū)動(dòng)的版本，以SINAMIC S系列驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)。SIMOTION D 分為兩個(gè)系列：

SIMOTION D410是一個(gè)用于單軸應(yīng)用的緊湊型控制單元，可以直接連接到SINAMICS S120 PM340功率模塊上。

SIMOTION D4X5是一個(gè)用于多軸應(yīng)用的控制單元，可提供三個(gè)型號(hào)（SIMOTION D425（基本型），SIMOTION D435（標(biāo)準(zhǔn)型），SIMOTION D445（高性能型））。

冗余是采用一定或成倍量的設(shè)備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)來(lái)參加控制，當(dāng)某一設(shè)備或元器件發(fā)生故障而損壞時(shí)，它可以通過(guò)硬件、軟件或人為方式互相切換，作為后備設(shè)備或元器件替代因故障而損壞的設(shè)備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，使控制設(shè)備因意外而導(dǎo)致的停機(jī)損失降到最低。按冗余的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)分大致可分為：1）硬冗余（hard-redundancy），即采用特殊的硬件模塊或PLC中固化的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC同類故障切換的冗余方式；2）軟冗余（soft-redundancy），既采用編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC同類故障切換的冗余方式。冗余控制還涉及到一個(gè)概念—同步（synchronization），它是指冗余系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)控制器之間要經(jīng)常比較各自的狀態(tài)。根據(jù)一定的規(guī)則以決定系統(tǒng)是否工作在正常狀態(tài)，這種狀態(tài)比較和系統(tǒng)可靠性的判斷被稱作同步[1]。

圖1　典型 PLC冗余配置圖

熱備即“熱備用”，是冗余部件的運(yùn)行方式，主要相對(duì)“冷備用”而言。“冷備用”是指?jìng)溆迷O(shè)備平時(shí)不運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行的主設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要人為去投入備用設(shè)備，退出主設(shè)備，隔離故障；“熱備用”是指?jìng)溆迷O(shè)備與主設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)投入備用設(shè)備，將故障設(shè)備轉(zhuǎn)為備用或退出[2]。

當(dāng)前，主流大中型PLC都已經(jīng)存在了熱備冗余配置，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步、故障自診斷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制、主從切換功能[2]，典型的冗余配置如圖1所示。AB公司的Control Logix系列PLC就已經(jīng)存在如圖1所示的硬件冗余配置，實(shí)現(xiàn)雙CPU同步運(yùn)行和無(wú)擾動(dòng)切換功能。

冗余控制的方式已經(jīng)在工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，采用的方式也不盡相同。但是在大型傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，功能強(qiáng)大的D445卻還不能做到像PLC一樣的熱備冗余配置，只能夠通過(guò)軟件冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)熱備功能。本文設(shè)計(jì)了熱備D445系統(tǒng)與冗余PLC系統(tǒng)通訊連接的方案，測(cè)試其熱備冗余功能，為傳動(dòng)系統(tǒng)的安全控制提供進(jìn)一步保障。

1　系統(tǒng)方案

Control Logix系列PLC與西門子運(yùn)動(dòng)控制器D445之間能夠通過(guò)第三方通訊模塊實(shí)現(xiàn)Profibus-DP通訊方式[3]。由于D445不存在熱備硬冗余配置方案，D445的熱備只能通過(guò)部件冗余的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)軟冗余。

1.1 D445軟冗余

在主D445發(fā)生故障時(shí)，從D445能夠無(wú)擾的接替主D445繼續(xù)運(yùn)行，從D445必須實(shí)時(shí)的與主D445保持同步性，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主D445運(yùn)行狀態(tài)。

1）同步

軟冗余方式下兩套控制器D445成對(duì)使用,其中一個(gè)正常運(yùn)行，一個(gè)處于備用狀態(tài)。為了保證無(wú)擾動(dòng)的切換，實(shí)現(xiàn)控制器鏈路之間的快速可靠的數(shù)據(jù)交換，兩個(gè)D445之間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊鏈接。

兩個(gè)控制器必須使用相同的用戶程序，自動(dòng)地接受相同的數(shù)據(jù)塊、過(guò)程映像和相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)，例如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、位存儲(chǔ)器等，這樣可以確保兩個(gè)控制器同步地更新內(nèi)容，任意一個(gè)系統(tǒng)有故障時(shí)，另一個(gè)可以承擔(dān)全部控制任務(wù)[4]。同步一般采用“事件驅(qū)動(dòng)同步”，當(dāng)兩個(gè)子單元的內(nèi)部狀態(tài)不同時(shí)（直接I/O 訪問(wèn)、中斷、報(bào)警、用戶定時(shí)器更新、通過(guò)通信功能修改數(shù)據(jù)） 就會(huì)進(jìn)行同步操作。PLC硬件冗余同步是通過(guò)操作系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行同步功能,不需要用戶編程，D445沒(méi)有自動(dòng)同步操作系統(tǒng)，除了一樣的運(yùn)行控制邏輯外還必須獨(dú)立編輯程序，通過(guò)物流通訊鏈路，實(shí)時(shí)交換運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)。

2）狀態(tài)轉(zhuǎn)換

從D445實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主D445運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)主控制器故障失效時(shí)，通過(guò)事先在控制器程序中編制的主/ 從控制器監(jiān)控程序，和主/ 從控制器數(shù)據(jù)交換處理程序來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。判斷主/ 從控制器的工作狀況，采用軟件方式將從控制器轉(zhuǎn)換成主控制器，接替正常的系統(tǒng)控制，主控制器停止運(yùn)行，在故障復(fù)位重啟后再次與從控制器同步并接替運(yùn)行。主備系統(tǒng)的切換時(shí)間=故障診斷檢測(cè)時(shí)間+同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間[1]

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

Control Logix系列冗余PLC系統(tǒng)在與熱備D445進(jìn)行通訊時(shí)必須配置兩個(gè)第三方通訊模塊，才能實(shí)現(xiàn)二選一熱備冗余容錯(cuò)模式。采用兩套設(shè)計(jì)完全相同的通訊配置，當(dāng)其中一套控制模塊發(fā)生故障后，另一套模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接管。冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　系統(tǒng)方案配置圖

2　數(shù)據(jù)控制

系統(tǒng)存在兩路完全一致的通訊鏈路及數(shù)據(jù)，當(dāng)D445熱備系統(tǒng)在發(fā)生切換時(shí)，系統(tǒng)接受的通訊數(shù)據(jù)必須隨之發(fā)生改變。正確的辨識(shí)有效通訊數(shù)據(jù)才能達(dá)到對(duì)熱備D445的完美控制。

2.1 通訊判斷

D445屬于高性能運(yùn)動(dòng)控制器，其運(yùn)行周期非常短，一般小于Control Logix系列冗余PLC的掃描周期，合理的判斷它們之間的通訊狀態(tài)非常重要。通訊通道狀態(tài)的判斷，一般有三種方法：

1）心跳判斷，發(fā)送方發(fā)送一個(gè)心跳信號(hào)，當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到心跳信號(hào)不再跳動(dòng)時(shí)，即認(rèn)為通訊中斷。2）循環(huán)判斷，發(fā)送方發(fā)送一個(gè)循環(huán)變化信號(hào)，當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到循環(huán)信號(hào)不再變化時(shí)，即認(rèn)為通訊中斷。3）失效判斷，發(fā)送方發(fā)送一個(gè)恒高電平信號(hào)，當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)不到該高電平信號(hào)時(shí)，即認(rèn)為通訊中斷。

D445熱備配置的系統(tǒng)為高效系統(tǒng)，為了不影響系統(tǒng)的性能，需要快速的判斷系統(tǒng)與兩個(gè)D445的通訊狀態(tài)，因此采用第二種與第三種相結(jié)合的判斷方式，任意一種方法判斷出通訊中斷，系統(tǒng)即認(rèn)為與相應(yīng)的D445失去連接。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

1）狀態(tài)數(shù)據(jù)切換。

2）D445運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3　性能測(cè)試

系統(tǒng)配置方案目前已經(jīng)設(shè)計(jì)并應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行如下運(yùn)行測(cè)試：1）Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)中斷。主D445連接的網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，系統(tǒng)讀取D445數(shù)據(jù)無(wú)擾動(dòng)；從D445網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換讀取主D445數(shù)據(jù)，無(wú)擾動(dòng)。2）D445故障。主D445故障時(shí)，從D445無(wú)擾接替，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)無(wú)擾動(dòng)；從D445故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換讀取主D445數(shù)據(jù)，也無(wú)擾動(dòng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的熱備D445系統(tǒng)與Control Logix冗余PLC進(jìn)行通訊連接時(shí)，無(wú)論通訊網(wǎng)絡(luò)的中斷還是D445的故障切換，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的無(wú)擾監(jiān)控。熱備D445系統(tǒng)雖然還不能像PLC一樣實(shí)現(xiàn)硬冗余無(wú)擾來(lái)回切換，但也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了主從同步運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及從機(jī)的無(wú)擾替代功能。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，熱備D445系統(tǒng)不僅發(fā)揮了D445的高效運(yùn)動(dòng)控制能力，冗余PLC的監(jiān)控能力，安全性能上又得到了大大提高。

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Research on Communication between Double D445 Hot Standby System and Control Logix Redundancy System

Yang Chuanjiang,Xu Yangfan ,Liu Hongbing
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:In this paper,the Profibus_DP communication scheme is realized between hot standby system consisting of double SIEMENS Motion controller D445 with Control Logix Redundancy system,by using the dual communication module,the control technology of the communication data in the hot standby system is introduced,and the redundant and efficient configuration of the whole system are realized.

Keywords:redundancy;D445;hot standby;communication

作者簡(jiǎn)介：楊傳將（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：電氣自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0078-03

關(guān)鍵字：冗余D445熱備通訊