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。热备系统配置安装简单，还支持即插即备式的热备，所有的默认数据都进行交换，无需用户专门配置。热备CPU最远可相距2km，且距离的增加对热备系统的扫描周期无影响。CPU集成有LCD液晶显示器和键盘，不仅可以随时监视热备状态，还可以通过操作键盘进行热备手动切换。Modicon Quantum热备系统支持CPU模块、电源模块、底板、以太网通信、S908远程I/O通信、Modbus串口通信、Modbus Plus总线通信等多种冗余。    热备切换时，以太网地址自动切换，对上位机无任何扰动；Modbus plus地址自动切换，对分布式I/O无任何扰动；S908 RIO适配器控制权自动切换，对远程I/O无任何扰动；Modbus地址自动切换，对现场设备和仪表无任何扰动。    带有高速接口的标准热备控制器，不必使用分离的热备模块，不必通过机架低速传送数据。这就意味着全部程序传送、数据的高速传送对PLC的扫描时间影响很小。    100Mb使用内置的协处理器和光纤彼此连接，不用配置传送数据。可以选择非传送数据，且允许程序不同，此功能可用于特殊要求。具有默认配置和预配置功能，无需硬件配置、设定，无需加载特殊软件。基于MAC地址，默认指定的运行PLC无需用户选择运行CPU，系统即插即用。    热备控制系统的示意图如图4-3所示。
    图4-3    热备控制系统的示意图    自动化数据从运行CPU转送到热备CPU。每次开始扫描周期时传送数据。数据交换包括状态RAM区、非定位型变量、强迫置位。    数据传送和CPU的逻辑同步执行。协处理器之间传送的时间大大减少，而无需任何特殊配置。    在运行CPU和热备CPU之间数据交换基于原理：    数据每次扫描后，即从主控制器传输到备用控制器，传输数据主要包括：    ●位于状态RAM的定位变量；    ●所有非定位变量（最多512KB）；    ●DFB类型和EFB类型的所有实例；    ●SFC状态变量；    ●系统位和系统字。    注意，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。
    图4-4    热备系统数据交换示意图    图4-4中，状态RAM用于下列用途的存储区范围：    ●面向字的输入／输出，如模拟量模块；    ●面向位的输入／输出，如数字量模块；    ●应用程序的二进制变量和字变量。    系统为状态RAM分配了4种参考类型：%IW、%QW、%I、%Q。    系统创建数据库并将其从PLC的内部内存复制到协处理器(Copro)的共享内存的有限时间很短，此期间称为“系统开销”，是指应用程序数据复制到通信链路层所需的时间。热备系统增加了MAST任务扫描时间长度，相应增加了系统开销。    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。    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4-6所示。
    图4-5    状态RAM查看器
    图4-6    冗余系统开销示意图    从图4-6可以看出，输入信号在热备PLC中变化，且仅有第一段程序在热备PLC中执行，数据传送的内容包括状态RAM、非定位变量、DFB实例。    在大多数情况下，在Copros之间传输数据所需的时间不会影响MAST任务周期。但是，在处理大型或密集型应用程序时，其系统开销和传输时间会影响MAST任务持续时间。    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。
    图4-9    热备系统下载示意图    在线更改运行PLC或热备PLC程序时，会发生逻辑不一样的情况。可以在Unity Pro配置中，允许设置逻辑不一样，或用命令寄存器设置，但硬件必须相同。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。    所有热备操作或热备事件可通过诊断窗口跟踪：    ●使用运行的开关，拨至离线；    ●使用热备的开关，拨至离线；    ●使用热备的开关，拨至运行。    初始化操作：    ●系统（即运行模块失效）；    ●使用键盘；    ●使用命令寄存器。    热备CPU具有友好的操作界面。内置LCD屏和键盘，监视或操作热备功能：    ●监视CPU模式；    ●程序更新；    ●配置通信接口；    ●监视系统信息。
    图4-10    热备系统在线修改示意图    更新热备应用程序，无需动作。可以通过下列方法：    ●程序命令；    ●用HMI或SCADA命令。    钥匙开关，用于程序保护和键盘授权操作，如图4-11所示。
    图4-11    热备模块示意图    典型热备结构如图4-12所示。
    图4-12    典型热备结构示意图    Modicon Quantum Unity热备模块大约每10ms交换一次运行状况数据。如果主CPU出错，则备用CPU会收到通知，并担任主CPU角色。如果备用CPU出错，主CPU以独立模式继续运行。RIO主站处理器会周期性地验证彼此间的通信。    主CPU将选择下面两种方式向备用CPU发送运行状况消息：    ●如果在高速Copro链路上没有其他数据发送，每隔10ms发送一次；    ●如果不需要与RIO链路上的任何子站进行通信，每隔5ms发送一次。