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精品论文 参考文献 PLC软冗余系统时间和性能分析 王俭 (哈尔滨家乐福超市有限公司) 摘要：本文给出了PLC软冗余系统的原理及软硬件组成。分析了PLC软冗余系统在主CPU、电源、接口模块和数据总线等可能发生的各种故障及引发的软件中断，给出了主备切换过程，给出了系统相应的主备切换时间极限值的估算公式。分析了PLC软冗余系统的数据同步过程，得出了数据同步时间的估算公式。因此给出了软冗余系统的使用条件。 关键词：可编程控制器 冗余 主备切换 0 引言 在工业自动化系统中大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，随着技术的发展又组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。目前冗余的分类方式很多，而采用PLC冗余方式的有两种，即软冗余和硬亢余。西门子公司在软、硬冗余两方面均给出了解决方案。而基于硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7—300或S7—400的软冗余是一种成本低又能提高可靠性的方案。目前，软冗余系统已经在冶金、交通、电力、化工、污水处理等工业控制工程中得到了较广泛的应用[1-6]。但是对于软冗余的性能仍没有进行系统的研究。本文针对西门子PLC介绍了软冗余系统的实现原理，分析了主备切换时间和数据同步时间，为控制系统设计提供参考依据。 1 软冗余实现原理 系统运行过程中两个CPU同时启动和运行，但是在正常运行时只有主CPU发出控制命令，而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的命令，当主CPU发生故障时能够延续当时的实际状态接替主CPU发出执行命令。与主CPU通信的IM153—2模块处于激活状态时主CPU能访问I／0模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。这些故障包括：主机架上的电源、背板总线等故障；CPU故障；Profibus现场总线网络故障；ET200M站的通信接口模块IMl53故障。 PLC软冗余系统要实现软冗余功能，需要从程序中调用冗余软件包的功能模块，这主要包括：初始化冗余系统运行参数的FCl00模块；故障诊断、主备切换的FCl02模块；发送／接收数据的FBl03模块；调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。 在PLC每个循环执行周期中，主系统先调用FBl01接收并分析备系统状态，然后执行冗余程序，最后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。而备系统首先调用FBl01接收并分析主系统状态，跳过冗余程序，然后将备系统状态发送到主系统。需注意的是，实现冗余功能的最重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态，然后再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行，将导致接收到对方故障信息后，对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。 2 主备站切换时间分析 主备切换时间是指主站系统发生故障后被检测、然后切换到备站系统接替主站工作所需要的时间。 2.1 主CPU或主机架电源、背板总线故障分析 当前两种故障发生时，ET200M站的主通信接口模块IMl53与主CPU失去连接，自动在主备通信接口模块IM153之间实现切换。同时备CPU在向主CPU发送备站状态时将检测到同步线数据传输错误，继而主动切换成主CPU。 由于故障需要被检测到才可以主备切换，而当主CPU故障发生时备CPU刚调用FB101执行完发送功能，那么备CPU要在下一个周期调用发送功能时才能检测到与诸CPU通信连接故障，并且还要等待调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t最长。 t=Tcy-2TFB101 (1) 式中t为主备切换时间；Tcy为PLC循环扫描周期；TFB101 为冗余功能块FBl01执行时间。 2.2 Profibus或ET200M主站故障分析 当Profibus或ET200M主站发生故障时，发生故障的ET200M从站的备IMl53将检测到主IMl53故障，自动将自己切换为主IMl53。主CPU将因为与故障IMl53失去连接而引发OB86(故障诊断)中断，并在中断中调用诊断模块FCl02完成所有从站的切换，并将自己置为备用。然后，主CPU将故障信息发送到备CPU。备CPU收到故障信息后将自己切换成主CPU。这时的切换时间为 t=TR+tE +tS+tD (2) 式中TR为OB86中断响应时间；tE为OB86执行时间；tS为故障状态发送时间；tD为故障状态数据接收完