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1、基于现场总线的冗余控制系统设计学院：电气信息工程学院专业：自动化11-02姓名：李立凡学号：541101010221第一章 概述所谓冗余系统，就是一个具有相同设备功能的备用设备系统。当主设备出现故障时，冗余设备是可以立刻使用的替代设备。设备在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护和联锁，防止事故的产生和避免事故扩大。从而保证正常启停和安全运行，具有极其重要的意义。通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异常时，及时发出报警信号，必要时自动启动或者切除某些设备或者系统，维持原负荷运行或减负荷运行直至安全退出运行。因此可以说，冗余系统是工业控制系统中不可或缺的组成部分
2、。冗余系统是通过发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，通过部分的冗余实现系统的高可靠性。冗余控制系统能给很多的工业生产中能提供一个更高的可靠性。因此，了解和掌握冗余控制系统的控制方法并设计相应的显示单元很有意义，且有利于了解相关控制的原理和方法。实验过程中需熟悉冗余系统的控制原理及方案、PLC软件编程、I/O分配、控制对象的调试、单片机显示系统的设计方法等多个任务。冗余的实现方式是同时采用两台控制器ControlLogix5550，其中一台为主机，另一台作为系统的备份，为副机，正常情况下由主机控制整个系统，副机保持与主机通讯，监控主机的运行状态。当副机监视到主机的运行故障
3、的时候，立即运行切换程序，将控制权转到副机，而当主机的故障恢复之后，则控制权重新交还给主机。第二章 方案论证世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展1。在石
4、油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，产品小巧美观，同时系统也更加稳定；2、单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；3、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝
5、贵时间；4、在线仿真变的容易。现场总线发展它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统
6、一的现场总线国际标准 二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。第三章 系统设计
7、1 整体结构从控制器需要与主控制器相同的工程以便接替其控制。同时，也需要最新的标签数据。交叉加载：主控制器中的部分或全部内容传送到从控制器。可以更新标签值，在线编辑或工程的其它信息。交叉加载最初发生在两控制器同步的时刻，然后在控制器执行其逻辑过程中反复运行。同步：从控制器做好一旦主机架发生故障，立即接替其控制的准备。在同步期间，1757-SRM模块检查在冗余机架上的对等方模块是否兼容。SRM模块也提供将主控制器内容交叉加载到从控制器的路径。同步发生在用户打开从机架的电源后。它也发生在其它时刻。取消资格：表示从控制器与主控制器同步失败。如果从控制器的资格被取消，它无法控制机器和过程。用户可以手动
8、选择取消从控制器的资格。 ControlLogix系统采用了基于“生产者/消费者”的通讯模式，为用户提供了高性能、高可靠性、配置灵活的分布式控制解决方案。ControlLogix系统实现了离散、过程、运动三种不同控制类型的集成，能够支持以太网、ControlNet控制网和DeviceNet设备网，并可实现信息在三层网络之间的无缝传递。因而，ControlLogix被广泛地应用于各种控制系统。构建ControlLogix冗余系统的核心部件是处理器和1757-SRM冗余模块。目前，有1756-L55系列处理器模块支持冗余功能，其内存容量从750KB到7.5MB不等。1757-SRM冗余模块是实现冗
9、余功能的关键。如图3.1所示，在冗余系统中，处理器模块和1757-SRM冗余模块处于同一机架内。为了避免受到外界电磁干扰，提高数据传输速度，两个机架的1757-SRM模块通过光纤交换同步数据。所有的I/O模块通过ControlNet控制网与主、从控制器机架内的1756-CNB(R)控制网通讯模块相连接。图3.1冗余系统结构以往的冗余系统通常需要用户编制复杂的程序对处理器状态进行判断，在两个处理器之间传输同步数据并实现I/O控制权的切换，两个处理器中的程序也各不相同，这使得冗余系统本身的建立和维护工作非常繁琐。通过1757-SRM冗余模块，不需要任何编程就可以实现冗余功能，还可以方便地使主、从处
10、理器内的程序保持一致，用户对主处理器程序的修改可自动同步到从处理器。主、从处理器所处机架内的1756-CNB(R)控制网通讯模块地址各不一样。当主处理器出现故障后，从处理器接管控制系统，相对应的控制网通讯模块之间相互交换地址，从而不影响其它控制器和上位机与该冗余系统的通讯。2 硬件结构设计2.1 硬件结构设计硬件设计采取双机架冗余系统2，系统结构如图3.2所示，尽管系统增加机架和CNB模块的数量，但由于CPU分别插在两个分离的机架上，使其适用于系统掉电或通讯模块出现故障的情况，弥补了单机架结构的不足。图3.2 双机架冗余系统在系统运行中,如果出现下列情况,单机架系统存在着不足：(1)机架断电：
11、由于两个CPU都插在同一个背版上,导致机架断电时,两个CPU也同时断电,都无法正常工作,也都无法对输出模块进行控制(2)通讯模块出现故障：由于一个机架上的两块CPU都必须和本地的CNB模块相连,导致CNB模块出现故障后,两块CPU同时无法与ControlNet相连,也就造成了通讯的彻底瘫痪。所以双机架结构的应用就避免了当上述情况发生时,整个冗余系统的运行不畅此外,应用双机架系统还可以为真正的硬件冗余系统作好铺垫2.2 I/O配置如果使用双机架，输入模块和输出模块分开放置。这样的放置，减少了在切换过程中梯形图的数量。因为一个控制器一次只能拥有一个输出模块，梯形图将禁止或不禁止它和输出模块的连接。
12、如果把输出模块放置在所有权机架上，在远程机架上可以禁止或不禁止与通讯模块的连接，从而禁止或不禁止整个机架。如果把输入模块和输出模块放置在同一机架上，我们只有进入梯形图来禁止或不禁止在机架上的每个输出模块。2.3 电缆如果一个电力系统包含继电器和被控制控制的输出模块的连接，在切换输出模块控制权的时候将会重置，继电器将会掉电，请求手动重新运行。 （1）电力系统必须保证在发生切换时继电器不会被重置。 （2）在任何情况下，都能够在仅有一台控制器运行的情况下启动系统3显示单元设计（1）光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管
13、导通，反之关断。以透射式为例，如图3.3所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图3.4所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 图3.3 光电传感器的原理图 图3.4 遮光叶片 （2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路
14、的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。（4）显示电路采用静态显示方法，由于静态显示易于制作和调试，原理也较简单，所需元易于购买。（5）电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上升沿到来时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清零间隔要充分小，否则就影响电路
15、的计数准确度。鉴于此，对锁存集成必须采用边沿触发形式的集成，并且计数器应该与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿触发工作。另外大多的译码器都带有锁存功能3，但是他的锁存方式基本上都是电平触发，若设计成电平触发的话，势必会增加电路的复杂度，还不如直接采用边沿琐存的单集成，所以不使用译码器中的锁存电路。时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。第四章 硬件、软件设计1 冗余硬件设计1.1 PLC简介“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进
