施耐德PLC冗余热备控制系统

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1、第 4章 施 耐 德 PLC冗 余 热 备 控 制系 统4.14.24.34.44.5 PLC冗余热备控制系统概述PLC冗余热备控制系统原理PLC冗余热备控制系统结构PLC冗余热备控制系统的功能和特点PLC冗余热备控制系统优化 4.1 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 概 述在冗余热备控制系统中，整个PLC控制系统（或系统最重要部分如控制器）由2套配置完全相同的PLC主机、电源、冗余处理模块组成。2个控制器模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主控制器，另一块是备用控制器，后者的输出是禁止的。当主控制器出现故障时，系统立刻投入备用控制器，这一切换过程是由冗余热备控制处理单元（Redun

2、dancy Process Unit，RPU）控制的，I/O系统的切换也是由RPU实现的。 4.1 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 概 述Schneider冗余热备控制系统在其PLC产品中所占的比例如图4-1所示。 4.1 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 概 述Quantum的CPU大约22%用于冗余热备系统。冗余热备控制系统的应用对象如图4-2所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理在Unity冗余热备系统中，采用67160系列的高性能CPU。该CPU采用双处理器结构，数据同步与程序处理同时进行，数据交换和冗余热备切换不影响扫描周期。该CPU集成有100Mb高

3、速光纤口，可通过光纤直接连接2个CPU模块，进行热备数据交换，并具有抗干扰能力强，传输速度快等特点。热备控制系统的示意图如图4-3所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理每次扫描时，所有强制位都是从主控制器传输到备用控制器，如图4-4所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理系统自动调整待传输的数据量。在Unity Pro中，选择“PLC” “状态RAM查看器”，查看有关存储器消耗情况，如图4-5所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理网络扫描（主Copro与备用Copro之间的通信）在2个控制器之间交换数据，且与应用程序并行运行，如图

4、4-6所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理【例4.1】 热备系统性能计算1。独立Premium PLC中的应用程序执行时间为80ms，数据库为100Kb，如图4-7所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理【例4.2】 热备系统性能计算2。独立Premium PLC中的应用程序执行时间为80ms，数据库为300Kb，如图4-8所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理当热备CPU是空时，程序第一时间自动下载到热备PLC中，且热备CPU中没有配置，无需另加编程工具，无需任何手动操作，如图4-9所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制

5、 系 统 原 理标准程序可以在线更改运行PLC程序，可以使用面板或命令寄存器，把程序从运行PLC传送到热备PLC，如图4-10所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理钥匙开关，用于程序保护和键盘授权操作，如图4-11所示。 4.2 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 原 理典型热备结构如图4-12所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构 1冗余控制系统和热备控制系统所谓“冗余”系统，是指整个PLC控制系统由2套完全相同的系统组成，其中一套在系统正常工作时并不需要，如图4-13所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构“冗余”系统在结构

6、上既可以采用2套完整的PLC控制系统，又可以将一个机架分为2个区域，并安装2套模块（包括CPU、I/O等）。2个CPU之间用光缆连接，并通过PLC的切换指令实现工作系统与备用系统之间的切换，如图4-14所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构在热备用（hot）系统中，2台CPU通过通信接口直接连接在一起，均处于通电状态，如图4-15所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构软件冗余系统中PLC内部的运行过程如图4-16所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构 2冗余热备控制系统的结构Schneider冗余热备控制系统的结构主要包括4种：

7、（1）标准S908结构标准S908结构主要用于过程控制，如图4-17所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构（2）以太网结构以太网结构主要用于基础设施的控制，如图4-18所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构（3）混合结构混合结构主要用于大型综合系统的控制，如图4-19所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构（4）透明就绪结构透明就绪结构主要用于IP地址自动切换，如图4-20所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构（1）时间关键性应用：远程I/O架构（RIO）此I/O系统的可用性可通过使用冗余电缆系统加强。在光纤

8、环网上，这些I/O站点的顺序可通过光纤收发器进行更改，如图4-21所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构（2）非时间关键性应用：混合架构考虑到在PLC模块和分布式设备之间连接采用的Ethernet网络拓扑元素，交换机要优于集线器。采用的网络拓扑类型是总线型或环型，采用铜电缆或光纤，应视具体情况而定，如图4-22所示。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构 3热备地址交换在热备系统架构中，Modbus、Modbus Plus和Ethernet都可以进行地址交换。默认的交换地址为：（1）Modbus：主机和从机地址相差128。例如，主机Modbus地址为1，那

9、么，从机对应的Modbus地址为129。（2）Modbus Plus：主机和从机地址相差32。例如，主机地址为1，那么从机地址为33，但Modbus Plus地址范围是164，如果主机地址加上32大于64，那么从机地址计算公式为主机地址减32。例如，主机地址为52，那么从机地址为20。（3）Ethernet：主机和从机地址相差1，而且，IP地址不能大于253。 4.3 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 结 构 4热备状态寄存器热备状态寄存器中的位如图4-23所示。 4.4 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 的 功 能 和 特点 1冗余热备控制系统的功能Schneider PLC冗余热备

10、控制系统具有以下功能： 应用程序内存空间 系统寄存器 功能块 配置 前面板上的微型端子 应用数据的周期性传送 程序差异监控 确保PLC内存内容的一致性 通信端口地址的自动交换 通信期间的自动交换机制 4.4 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 的 功 能 和 特点 2冗余热备控制系统的特点Schneider PLC冗余热备控制系统具有以下特点： 采用先进的同步机制； 系统切换时间小于100ms，通常低于2030ms； 性能更强，得益于高端CPU的内部结构，集成工作内存； 人性化设计，易于使用，内置键盘，程序自动传送，不需要单独的冗余软件选件包。 4.5 PLC冗 余 热 备 控 制 系 统 优 化冗余系统的控制器相对非冗余系统的控制器在一个工作周期内增加相关任务：将所有输出指令的结果交叉下载给从控制器，因而增加了程序扫描周期，并且因为冗余系统数据交换量的不同，所增加的扫描周期时间也会不同，如图4-24所示。