PLC的雙CPU冗余控制的實(shí)現(xiàn)

1、應(yīng)用背景描述

熔鹽爐自控系統(tǒng)是一水硬鋁管道化溶出生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)，控制熔鹽的加熱和循環(huán)，用熔鹽的熱量去循環(huán)加熱鋁礦石漿。鋁礦石漿的加熱至關(guān)重要，影響最終產(chǎn)品—氧化鋁的質(zhì)量和產(chǎn)量，因此，熔鹽的溫度控制和循環(huán)控制非常重要。

由于熔鹽爐系統(tǒng)在管道化工程中的重要性，同時(shí)考慮到熔鹽是一種活躍的化學(xué)品，在不同的溫度下有不同的形態(tài)，低溫下凝固，高溫下不穩(wěn)定會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作簡便和自動(dòng)化管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此考慮用一套雙CPU冗余的PLC、兩套工控機(jī)、高質(zhì)量的傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制兩臺(tái)1200萬大卡的熔鹽爐、一臺(tái)鹽泵、一組鹽閥、一個(gè)熔鹽槽和其他相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)熔鹽的加熱和循環(huán)過程自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)操作、監(jiān)控和管理的自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 熔巖錄控制系統(tǒng)圖

控制器PLC、工控機(jī)(包括顯示器)、通訊網(wǎng)絡(luò)和電源及關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)等系統(tǒng)中的重要部件均采用冗余結(jié)構(gòu)，兩套工控機(jī)和大屏幕顯示器組成的兩套監(jiān)控操作管理臺(tái)并行運(yùn)行；兩條冗余的ControlNet高速通訊網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)；兩套直流電源同時(shí)向控制器PLC、變送器和開關(guān)量輸入模塊供電，關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)同時(shí)設(shè)置兩個(gè)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)。冗余設(shè)計(jì)使系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性提高了一倍，而使系統(tǒng)的整體可靠性大大的提高。

2、雙CPU的PLC控制器

PLC控制器是系統(tǒng)控制的中心，采集系統(tǒng)的全部工況信號(hào)，實(shí)時(shí)控制相關(guān)的設(shè)備動(dòng)作；同時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)過程參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)危險(xiǎn)工況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)極限工況、出現(xiàn)時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)備，保障生產(chǎn)過程安全。在這里，我們選擇了AB ControlLogix系列，同時(shí)考慮采用雙CPU模塊冗余，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，避免因故障出現(xiàn)所引起的生產(chǎn)停頓或安全事故。

3、兩種雙CPU冗余方式的比較

ControlLogix提供有兩種CPU冗余解決方法，一種為純硬件冗余，另一種為軟件冗余。硬件冗余的方法，是將兩個(gè)CPU模塊插在不同的兩個(gè)機(jī)架上，每個(gè)機(jī)架上除了CPU模塊，還要有通訊模CNBR、熱備模塊SRM和兩個(gè)熱備模塊間的連接光纜，如圖2所示。軟件冗余，是將兩個(gè)CPU模塊插在同一個(gè)框架上，利用背板通訊，進(jìn)行冗余控制，如圖3所示。

圖2 雙CPU冗余的硬件解決方案硬件配置

圖3 雙CPU冗余的軟件解決方案硬件配置

從以上可以看出，純硬件冗余的方式硬件投入較多，成本開支較大大。而軟件冗余，只需增加一塊CPU模塊，成本增加很少，因?yàn)橐话阆馛PU這種PLC的心臟，廠家都會(huì)配有備件，用備件來實(shí)現(xiàn)冗余控制，既提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性（可做到在線維護(hù)，不影響生產(chǎn)線運(yùn)行），又不會(huì)顯著增加成本開支。

單純從可靠性方面分析，純硬件的冗余較之軟件冗余并無優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵黾恿溯^多的部件、模塊，這些部件和模塊的故障，也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。例如，當(dāng)兩個(gè)熱備模塊之間的連接光纜出現(xiàn)故障，同樣會(huì)使冗余控制失效。而軟件冗余，只增加了一塊CPU模塊，而兩個(gè)CPU模塊的同時(shí)故障率幾乎為零。

純硬件冗余的優(yōu)點(diǎn)之一，就是不需要軟件進(jìn)行專門的編程，CPU的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是由兩個(gè)熱備模塊來完成的。而軟件冗余中兩個(gè)CPU模塊的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是通過軟件編程解決的。因此，軟件冗余編程相對(duì)比較復(fù)雜，工作量較大。

綜合考慮以上因素，本熔鹽爐自動(dòng)系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)PLC的雙CPU冗余控制。兩塊CPU模塊同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行，一塊運(yùn)行于主控模式，另一塊運(yùn)行于熱備份模式。當(dāng)其中任一塊CPU發(fā)生故障時(shí)另一塊CPU立即監(jiān)視到并發(fā)出報(bào)警，自動(dòng)將正常的CPU投入主控模式。CPU的無擾動(dòng)切換，使系統(tǒng)一直受控，確保了安全，同時(shí)，使管道化生產(chǎn)線一直處于正常運(yùn)行的良好工況中。