PLC冗余控制系统和热备控制系统的控制结构

    冗余控制系统和热备用系统是在大型控制系统中常用的2种控制结构。    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。2块CPU模块使用完全相同的用户程序进行工作，其中一块是主CPU，另一块是备份CPU。主CPU工作，而备份CPU的输出是被禁止的；当主系统发生故障时，备用系统可以立刻投入正常工作，并切换为主系统，以保证整个控制系统的连续、不间断运行。这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制，切换时间通常是1～3个扫描周期，I/O系统切换也是由RPU来实现的。
    图4-13    冗余系统示意图    “冗余”系统在结构上既可以采用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。
    图4-14    冗余CPU的容错    所有数据交换，无需用户配置，一个扫描周期能够完成所有数据交换，确保所有命令同步操作，允许在发生故障时可以快速平稳地切换到冗余CPU，并从中断点继续执行，不会丢失任何信号。这种偏重于性能的解决方案，适用于对时间要求极高的过程。2个PLC之间可以相隔2km。    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。
    图4-15    热备用系统示意图    当系统出现故障时，由主CPU通知备份CPU，使备份CPU投入运行，备用系统一直处于待机状态，所以称为“热备”状态。这一切换过程一般不会太快，但其结构比冗余系统简单。    可见，冗余和热备用是有区别的。真正的冗余2个控制器都接收信号，只是一个不往外输出信号，这样切换时间非常短，冗余基本上可以实现无扰动切换；而热备用有一个切换时间，只有当一个控制器出现问题时，另一个控制器才接收信号，切换时间比较长，热备用属于有扰动切换，输入／输出有间断。    以上介绍的是硬件实现方式，采用硬件方式切换不用编程。硬件冗余均采用光纤通信，通信速度快，系统稳定，切换时间短，但是成本也较高。    另外还有软件冗余方式，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成灵活，但程序处理需要一定时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式是非常经济有效的。    软件冗余系统中PLC内部的运行过程如图4-16所示。
    图4-16    软件冗余工作原理    在实际工程应用中，冗余控制方式和热备用控制方式之间没有明确的区别，是采用硬件冗余方式还是软件冗余方式，应以实际应用为主导，以高可用性为原则，详细分析需求的必要性，然后再确定。    Schneider的“冗余”系统必须使用冗余热备系列CPU模块实现。    Schneider PLC系统采用双机硬件的冗余热备机制，以避免生产停机的危险。它采用同步方式协调，既保证了同步的有效性，又不会增加CPU的运算负担。    冗余热备控制系统的组成主要包括：    ①2个系列CPU模块；    ②2套安装CPU模块的机架，或者是1个可分为2个区域的机架；    ③根据“冗余”系统的需要，配置其他模块。