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1、冗余控制系统的原理及性能优化。摘要 本文以 ControlLogix 为例，介绍了可编程控制器冗余系统的冗余原理，对影响冗余性能的关键问题进行了分析，通过减少扫描周期和切换时间来对其冗余性能进行优化，为类似冗余系统的性能优化提供的参考方法。关键词 ControlLogix 冗余 控制器 切换The Theory and Optimization of Redundancy Control System Feng Li Wang Liangyong Qian Xiaolong(Institute of Information Sci. & Eng.,Northeasten Univ.,Sheny
2、ang 11004,China )Abstract This article introduces the theory and optimization of redundancy control system based on ControlLogix, and the key problems of the performance are discussed. At the same time, it presented a way to improve the performance of redundancy system via minimizing scan cycle andt
3、chover time, which is useful for users to realize on the similar system. Keywords ControlLogix Redundancy Controller tchover1 引言随着制造业竞争的加剧，制造商更加追求生产设备的可靠性，尤其是那些控制关键性生产工序的设备，往往需要采用冗余配置。目前，多数的基于可编程控制器的冗余系统采用了两套 CPU 处理器模块，一个处理器模块作为主处理器，另外一个作为从处理器。正常情况下，由主处理器执行程序，控制 I/O 设备，从处理器不断监测主处理器状态。如果主处理器出现故障，从处理器
4、立即接管对 I/O 的控制，继续执行程序，从而实现对系统的冗余控制。很多厂商都能够提供可编程控制器冗余系统解决方案，用户在使用过程中往往对其冗余原理理解不深，造成系统冗余性能下降。本文以罗克韦尔自动化 Allen Bradley 品牌 ControlLogix 控制器为例，介绍其冗余系统的构建和性能优化问题。2 冗余系统构建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
5、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。 1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 冗余模块是实现冗余功能的关键。如图 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
6、制器机架内的 1756-CNB(R)控制网通讯模块相连接。图 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
7、其它控制器和上位机与该冗余系统的通讯。3 系统冗余原理及过程可编程控制器一个工作周期内的主要任务有：内务整理、扫描输入映像表、执行程序、更新输出映像表。ControlLogix 控制器在冗余系统中，主处理器执行完程序之后，将所有输出指令的结果传送给从控制器2 。由于 ControlLogix 系统所有的 I/O 设备都在控制网内，按照其自有的“生产者/消费者”通讯模式，从处理器作为一个“消费者”可以与主处理器具有一样的地位，获取 I/O 的输入信息。这样，确保了主、从控制器内输入、输出映像表的一致。如图 2 所示，在正常情况下，程序执行到位置 1 时，主处理器将具有较高优先权任图 2 正常情况
8、下主处理器程序执行过程务和前一段普通任务的执行结果分先后传送给从处理器，然后程序返回到位置 2，继续执行剩下的普通任务。位置 3 时，所有任务已经完成，主处理器将执行结果传送给从处理器。如果在执行某个任务时，主处理器图 3 主、从处理器之间的切换过程出现故障，如图 3 所示。这时，从处理器便会接替主处理器，重新执行出现故障时的那段任务。可见，这时从处理器使用的输出映像表数据来自于主处理器上一个工作周期的执行结果。可见，在冗余系统的切换过程中，没有出现数据的丢失和突变，处理器内部无需执行繁杂的判断决策程序，实现了系统的无扰切换。4 系统冗余性能优化针对系统冗余性能的优化，不仅限于减少系统的切换时
9、间，而且由于冗余器件的介入，系统可靠性得到提高，但一些相关的性能却有所降低。在第 3 节中已经谈到，冗余系统的处理器相对于非冗余系统的处理器在一个工作周期内多了一项任务：将所有输出指令的结果传送给从控制器，因而增加了程序扫描周期。因冗余系统数据交换量不同，所增加的扫描周期时间也有所不同。因此，对于系统冗余性能的优化主要有两个方面：降低冗余系统对程序扫描周期的影响和减少系统切换时间。4.1 降低冗余系统对程序扫描周期的影响由第 3 节的分析所知，在不该变原有程序结构的情况下，只有减少主、从处理器之间的数据交换量才能减少冗余系统对程序扫描周期的影响。ControlLogix 主处理器每次向从处理器
10、发送的同步数据包大小固定，均为 256 字节。因此，可以通过充分利用每个数据包来达到减少数据包交换次数的目的。ControlLogix 控制器采用基于标记的寻址方式，数据结构比较灵活，用户在程序中可以使用数组或者自定义结构数据。这样，数据的传输可以大大被压缩，而且由于用户可以将某一控制对象一系列相关数据集成在一个自定义结构数据中，使得原来分散的数据可以被集中起来进行传输，充分利用了每个数据包，从而在传送相同信息时，所使用的数据包较分散的数据传输所使用的数据包少，节省了数据传输时间，减少了程序扫描周期。由于在 ControlLogix 主处理器中所有指令的执行结果都要同时被写入从处理器，因此减少
11、一些不必要和无意义的指令执行也有助于减少程序扫描周期。如 OTL、OTU（输出锁定/解锁）以及其它一些指令常常在梯级条件为“真”的情况下反复执行，还有比如 ADD（加法）指令，虽然两个相加的数都没变，结果也没变，但是主处理器每次执行这个指令时都会将结果写入从处理器。因此，可以通过比避免那些无意义的数据更新来减少程序扫描周期。4.2 减少系统切换时间在 ControlLogix 冗余系统中，系统切换时间受到 ControlNet 控制网 NUT（网络更新时间）的制约。当用户完成了对 ControlNet 控制网的配置之后，NUT 时间便被确定下来，从而就可以估算系统的切换时间，如表 1 所示。错
12、误原因类型 NUT 时间 冗余系统切换时间(ms)模块掉电 6ms 607ms 5NUT+Max 2NUT, 30CNB 模块与其它模块出现通讯故障 14NUT+ Max 2NUT, 30+50表 1 冗余系统切换时间估算为了确保在系统切换时不至于造成输出数据的突变，对 NUT 有一定的限制。通常情况下，如果冗余系统机架中只有一个或者多个同一网络内的控制网通讯模块，其 NUT 不得大于 90ms；如果有多个在不同网络内的控制网通讯模块，其最小 NUT 网络和最大 NUT 网络之间要满足一定的约束关系，如表 2 所示。最小 NUT 网络的 NUT 值(ms) 2 7 14 90最大 NUT 网络
13、的 NUT 值必须小于或等于以下值(ms) 15 15 39 90表 2 不同网络之间 NUT 的约束关系由于在切换过程中，主、从处理器框架内的控制网通讯模块之间要交换对 I/O 的控制权。由于在切换过程中，通讯模块自身的处理器占用率有 8%左右的攀升，为了确保该通讯模块有足够的处理能力完成切换，应确保该模块在正常工作时的处理器占用率低于 75%。为了做到这一点，可以采用以下几点减少通讯模块的处理器占用率：1、在控制系统允许的情况下，适当增加 NUT 值；2、增加通讯连接的 RPI（请求数据包间隔）值；3、减少通过该模块的通讯连接（如采用机架优化方式） ；4、减少 MSG（信息传输）指令的使用
14、数目；5、通过增加额外的通讯模块来分担网络负荷。5 针对冗余系统的监控在典型的 ControlLogix 系统中，常使用 RSView32 监控软件配合 1784-PCIC 控制网计算机适配卡接入网络，构成上位机监控系统。在冗余系统中，虽然有两套控制系统，但在监控系统中只需要对正在运行的主系统进行监控。在切换时，对应的控制网通讯模块相互交换地址，所以不需要重新调整监控系统的通讯通道。也就是说，如果不作特殊的处理，上位机无法判断系统是否因故障进行了控制器切换。为了在上位机监控系统中反映主、从控制器的状态，可以在处理器程序中加入 GSV 指令，获取冗余系统状态（如从控制器的状态，是否能够进行切换，
15、数据交换量等）信息，大大方便了用户操作，并能在系统发生切换后及时提醒用户排除从处理器的故障。6 结 论通过对 ControlLogix 冗余系统原理的介绍，针对影响冗余性能的关键问题进行分析，从减少程序扫描周期和系统切换时间上入手，对冗余系统的性能进行调整，这将有利于用户了更好地进行系统配置，适应自己的具体应用项目需要。同时，用户还可以使用 ControlLogix 系统的其它冗余设备，如冗余电源、控制网冗余通讯介质来构建更为可靠的控制系统。在采用其它控制的冗余系统中，也可以采用类似的方法对其冗余性能进行分析，从而实现最佳的冗余效果。参考文献1 黄海龙，可编程序控制器系统M，杭州：浙江大学，19992 Rockwell Automation ，Control-Logix Redundancy SystemM ， 20013 刘力群，生产者 /消费者通讯模式在 ControlLogix 系统中的应用J，自动化技术应用，2001：5455
