PLC的双CPU冗余控制实现_0

2019-06-16 14:11

1 应用背景描述

熔盐炉自控系统是一水硬铝管道化溶出生产线上的重要环节,控制熔盐的加热和循环,用熔盐的热量去循环加热铝矿石浆。铝矿石浆的加热至关重要,影响最终产品氧化铝的质量和产量,因此,熔盐的温度控制和循环控制非常重要。

由于熔盐炉系统在管道化工程中的重要性,同时考虑到熔盐是一种活跃的化学品,在不同的温度下有不同的形态,低温下凝固,高温下不稳定会发生化学反应,从而腐蚀管壁甚至于爆炸,所以安全、可靠、操作简便和自动化管理是系统设计的关键,因此考虑用一套双CPU冗余的PLC、两套工控机、高质量的传感器、变送器和执行机构来控制两台1200万大卡的熔盐炉、一台盐泵、一组盐阀、一个熔盐槽和其他相关设备,实现熔盐的加热和循环过程自动化、计算机操作、监控和管理的自动化控制。该系统如图1所示。

图1 熔岩录控制系统图

控制器PLC、工控机(包括显示器)、通讯网络和电源及关键测试点等系统中的重要部件均采用冗余结构,两套工控机和大屏幕显示器组成的两套监控操作管理台并行运行;两条冗余的ControlNet高速通讯网络同时传送数据;两套直流电源同时向控制器PLC、变送器和开关量输入模块供电,关键测试点同时设置两个传感器测试数据。冗余设计使系统关键部件的可靠性提高了一倍,而使系统的整体可靠性大大的提高。

2 双CPU的PLC控制器

PLC控制器是系统控制的中心,采集系统的全部工况信号,实时控制相关的设备动作;同时监视生产过程参数和设备运行状态,当危险工况出现时,及时发出声光报警,当极限工况、出现时,联锁保护设备,保障生产过程安全。在这里,我们选择了AB ControlLogix系列,同时考虑采用双CPU模块冗余,进一步提高系统可靠性,避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。

3 两种双CPU冗余方式的比较

ControlLogix提供有两种CPU冗余解决方法,一种为纯硬件冗余,另一种为软件冗余。硬件冗余的方法,是将两个CPU模块插在不同的两个机架上,每个机架上除了CPU模块,还要有通讯模CNBR、热备模块SRM和两个热备模块间的连接光缆,如图2所示。软件冗余,是将两个CPU模块插在同一个框架上,利用背板通讯,进行冗余控制,如图3所示。

图2 双CPU冗余的硬件解决方案硬件配置

图3 双CPU冗余的软件解决方案硬件配置

从以上可以看出,纯硬件冗余的方式硬件投入较多,成本开支较大大。而软件冗余,只需增加一块CPU模块,成本增加很少,因为一般像CPU这种PLC的心脏,厂家都会配有备件,用备件来实现冗余控制,既提高了系统的可靠性和可维护性(可做到在线维护,不影响生产线运行),又不会显著增加成本开支。

单纯从可靠性方面分析,纯硬件的冗余较之软件冗余并无优势。因为增加了较多的部件、模块,这些部件和模块的故障,也会影响系统的可靠性。例如,当两个热备模块之间的连接光缆出现故障,同样会使冗余控制失效。而软件冗余,只增加了一块CPU模块,而两个CPU模块的同时故障率几乎为零。

纯硬件冗余的优点之一,就是不需要软件进行专门的编程,CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。而软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程解决的。因此,软件冗余编程相对比较复杂,工作量较大。

综合考虑以上因素,本熔盐炉自动系统采用软件方式实现PLC的双CPU冗余控制。两块CPU模块同时在系统中运行,一块运行于主控模式,另一块运行于热备份模式。当其中任一块CPU发生故障时另一块CPU立即监视到并发出报警,自动将正常的CPU投入主控模式。CPU的无扰动切换,使系统一直受控,确保了安全,同时,使管道化生产线一直处于正常运行的良好工况中。


4 软件实现

CPU冗余控制的软件实现编程主要从下面两方面考虑:

1、控制权的裁决和转移,两块CPU同时在线运行,一块处于主控制模式,另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权,而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接,但输出被禁止。两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况,一旦发现对方故障,立即发出报警,通过ControlNet网,传送给上位工控机,在操作管理台上显示报警。如果是主控CPU模块故障,热备CPU模块自动获得主控制权。控制权的裁决和转移的软件框图如图4所示。

图4 双CPU控制权裁决与转移程序框图

2、两块CPU模块的同步控制,由于热备CPU随时准备着,一旦主CPU故障,就立即获取主控制权而成为主控CPU,因此,主CPU必须将自己的信息随时传递给热备CPU,而热备CPU必须跟踪主CPU的变化,与主CPU保持同步,这样,在两块CPU模块进行控制权的转移时,实现无扰动切换。CPU模块的同步控制程序框图如图5所示。

图5 双CPU模块同步控制程序框图

5 结束语

我们的体会是,双CPU冗余控制的软件方式实现是一种经济、有效的方法,它成本支出不大,却能使系统的可靠性大大提高。另外,双CPU冗余控制时,如何利用Map命令,只将具有主控制权的CPU数据通过ControlNet网传送给其他控制设备,是值得进一步研究的。

分享到:
收藏