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    朱耿華（1980－）
男，浙江紹興人，（信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所, 北京  100083）現(xiàn)就讀于信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)工業(yè)過程控制。

摘要：本文首先介紹了自動化系統(tǒng)中冗余技術(shù)的基本概念及常見體系結(jié)構(gòu)；分析了目前工業(yè)控制器冗余方案的流程和結(jié)構(gòu)；最后結(jié)合應(yīng)用給出了一種實(shí)現(xiàn)原型，該實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用達(dá)到了很好的效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制器；冗余；可靠性；切換

Abstract:  Basic concept and common architecture of the redundant technique in the automatic system are introduced in this paper. The current redundant plan of industry controller has been analyzed. Finally a prototype according to application was put forward. This design achieves good effects in the application of the control system.

Key words: Industry controller; Redundancy; Reliability; Switch

    對于一個自動化控制系統(tǒng)來說，可靠性和穩(wěn)定性是最首要的問題。特別是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域時，由于工業(yè)控制的對象和環(huán)境千差萬別；即使在同一個工廠中，隨著生產(chǎn)流程的推進(jìn)其工況也復(fù)雜多變；有些現(xiàn)場的環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈；以及一些人為的因素，這些都會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，無法保證系統(tǒng)長時間的正常安全運(yùn)行。而由于系統(tǒng)故障或者系統(tǒng)崩潰而導(dǎo)致的生產(chǎn)停產(chǎn)甚至事故會造成極大重大的損失。因此，這就要求控制系統(tǒng)有極高的可靠性。

    與此同時，無限制的通過提高控制系統(tǒng)軟硬件本身的可靠性來滿足對可靠性的要求是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)榭刂蒲b置本身的可靠性提高有一定的限度，并且會造成成本的急劇增加。

    所以，需要利用冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。

1 冗余技術(shù)概述

    冗余技術(shù)就是通過配置多余的同等功能的部件，并通過一定的冗余邏輯使它們協(xié)調(diào)地同步運(yùn)行，使系統(tǒng)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)得到多重保證。冗余的目的是為了降低失效率，提高整個應(yīng)用系統(tǒng)的平均故障間隔時間。

    通常按照冗余的程度可分為1：1、1：N、K：N等多種冗余。在當(dāng)前元器件可靠性不斷提高的情況下，1：1的熱冗余顯得有效而又相對簡單、配置靈活且比較經(jīng)濟(jì)，因此，目前國內(nèi)外的過程控制系統(tǒng)中大多采用這種方式。

    一個簡單的1：1冗余系統(tǒng)如圖1所示。部件1和部件2是具有同等功能的部件，在冗余控制邏輯F的協(xié)調(diào)下并聯(lián)運(yùn)行，完成系統(tǒng)某項(xiàng)功能。而互為冗余兩個部件完成的功能與非冗余配置部件的功能對用戶而言應(yīng)當(dāng)是等同的，這就需要采用冗余控制邏輯F協(xié)調(diào)部件1和部件2。冗余控制邏輯F使兩個相同的部件1和部件2處于工作或者備用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸出功能和人機(jī)界面的單一性，而處于備用狀態(tài)的部件實(shí)時跟蹤工作狀態(tài)部件的控制信息，并且與工作狀態(tài)部件同步執(zhí)行，保持狀態(tài)的同步；當(dāng)工作狀態(tài)部件發(fā)生故障時，備用部件將瞬間無擾動切換為工作狀態(tài)，接替控制功能。

圖1   1:1冗余系統(tǒng)圖

2 冗余工業(yè)控制器實(shí)現(xiàn)模型

    在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，冗余的對象可以是電源、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制器乃至整個控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的核心是工業(yè)控制器，它是現(xiàn)場設(shè)備和用戶界面之間的樞紐，承擔(dān)了絕大部分的控制任務(wù)。一旦工業(yè)控制器發(fā)生故障，那整個控制系統(tǒng)就無法工作。因此，設(shè)計一個高效可靠的控制器冗余方案是整個系統(tǒng)是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。

    2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    在本冗余實(shí)現(xiàn)方案中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    上位應(yīng)用軟件（組態(tài)軟件、服務(wù)器）是通過工業(yè)以太網(wǎng)與下位設(shè)備（工業(yè)控制器）通信。兩個冗余工業(yè)控制器之間通過冗余網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行冗余、診斷等，保證數(shù)據(jù)和狀態(tài)的同步。同時，由硬件邏輯電路確定工業(yè)控制器的工作/備用分配、仲裁以及切換。

    兩個工業(yè)控制器上的軟硬件相同。一個作為工作控制器，另一個作為備用控制器。當(dāng)一個控制器被設(shè)置為工作狀態(tài)，另一個控制器必須為備用狀態(tài)。同樣，也不可能兩個控制器都為備用控制器。工作備用狀態(tài)可以互相切換。

    工作控制器和備用控制器都能接受現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，但輸出是由工作控制器控制的，即只有工作控制器才能將數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場設(shè)備。

圖2   體系結(jié)構(gòu)圖

    2.2 冗余功能模塊劃分

    通過圖2可以看到，工業(yè)控制器的實(shí)現(xiàn)主要在于工業(yè)控制器（工作）和工業(yè)控制器（備用）之間的冗余邏輯設(shè)計，而該冗余邏輯的關(guān)鍵在于保證工作/備用工業(yè)控制器之間的真正同步以及實(shí)現(xiàn)無擾切換。

    2.2.1冗余過程

    工業(yè)控制器之間的整個冗余過程如圖3所示。

    包括下面幾個步驟：

    （1）硬件邏輯電路根據(jù)工業(yè)控制器上電情況及硬件地址確定工作/備用分配。

    （2）工作控制器和備用控制器建立聯(lián)系并發(fā)送初始化信息及同步數(shù)據(jù)。

    （3）工作/備用控制器同步運(yùn)行，由心跳信號保證。

    （4）周期更新數(shù)據(jù)或按照需求更新數(shù)據(jù)。

    （5）當(dāng)心跳信號發(fā)生故障時實(shí)現(xiàn)無擾切換。

    （6）繼續(xù)步驟2-4。

圖3   冗余過程圖

    2.2.2工作/備用控制器的確定

    當(dāng)兩個工業(yè)控制器同時上電時，硬件地址小的工業(yè)控制器優(yōu)先成為工作控制器，另一臺控制器自動成為備用控制器。

    對于非同時上電情況，先上電的工業(yè)控制器成為工作控制器，后上電的自動成為備用控制器。

    2.2.3 數(shù)據(jù)的同步

    工業(yè)控制器（工作）和工業(yè)控制器（備用）之間采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制器之間的數(shù)據(jù)同步。需要同步的信息包括控制器初始狀態(tài)、各種控制運(yùn)算中間狀態(tài)、輸出狀態(tài)、系統(tǒng)時鐘、故障診斷信息等，特別是帶有積分作用或時間效應(yīng)的信息單元，如累積、定時器、PID積分單元等。

    為了保證在工作/備用控制器之間數(shù)據(jù)同步的同時，不降低系統(tǒng)的實(shí)時性，對于由上位機(jī)設(shè)定或下裝產(chǎn)生的組態(tài)信息和靜態(tài)參數(shù)等，工作控制器通過給備用控制器發(fā)送初始化信息來保證工作/備用控制器之間的狀態(tài)一致。而對于具有時間累積特性的“動態(tài)數(shù)據(jù)”，則必須進(jìn)行動態(tài)的同步。工作控制器可以在每個運(yùn)行周期內(nèi)實(shí)時的將重要的動態(tài)變量傳送給備用控制器，以保證備用控制器和工作控制器之間數(shù)據(jù)的一致性。

    2.2.4 運(yùn)行狀態(tài)的同步

    系統(tǒng)通過心跳信號來控制工作/備用控制器的狀態(tài)。控制器之間會交換健康信息，如果工作控制器有錯誤，就會通知備用控制器，備用控制器就會承擔(dān)工作控制器的作用。如果備用控制器有錯誤，工作控制器會單獨(dú)繼續(xù)運(yùn)行。

    同時，工作控制器也會對冗余網(wǎng)絡(luò)的通信狀況進(jìn)行驗(yàn)證。如果備用控制器從未收到冗余網(wǎng)絡(luò)上的任何信息，備用控制器就會試著確定故障原因，如有必要，承擔(dān)起控制的作用。如果工作控制器未從備用控制器收到有效的回復(fù)，工作控制器會獨(dú)立運(yùn)行，就好像沒有備用控制器一樣。

    當(dāng)工作控制器處于特殊狀態(tài)時，會通過冗余網(wǎng)絡(luò)通知備用控制器，并且發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。備用控制器收到從工作控制器發(fā)來的通知及相關(guān)數(shù)據(jù)后，使自身同樣處于該特殊的狀態(tài)，從而保證如果在這個時段發(fā)生切換時還能保證切換的無擾性。

    2.2.5冗余控制器切換機(jī)制

    工作/備用控制器冗余切換發(fā)生情況有：

    （1）工作控制器硬件故障（包括拔除工作控制器、工作控制器復(fù)位、工作控制器電源故障等）。

    （2）工作控制器軟件故障（可以由軟件設(shè)定）。

    （3）在系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)時，手動進(jìn)行冗余切換。

    當(dāng)有主/從冗余切換需要發(fā)生時，由硬件電路具體實(shí)現(xiàn)切換，由數(shù)據(jù)同步和狀態(tài)同步來保證切換時的無擾性。

3 驗(yàn)證和總結(jié)

    經(jīng)過長時間的現(xiàn)場驗(yàn)證，事實(shí)證明了這個工業(yè)控制器冗余方案是可靠實(shí)用的，并且大大的提高了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

    因此，從中可以總結(jié)出一套設(shè)計冗余系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法，為今后設(shè)計其他設(shè)備的冗余方案提供參考。

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