摘要：介紹羅克韋爾自動化集成過程控制系統(tǒng)冗余設(shè)計方法和應(yīng)用實例 1冗余技術(shù)是集成過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 所謂“冗余”，是指“一個具有相同設(shè)備功能的備用系統(tǒng)”，當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)故障時，冗余設(shè)備是可以立即使用的替代設(shè)備。 冗余設(shè)計的目的是確保下述五種故障發(fā)生時系統(tǒng)保持穩(wěn)定可靠的運行。 第1種故障：CPU故障 第2種故障：控制層網(wǎng)絡(luò)故障 第3種故障：信息層網(wǎng)絡(luò)故障 第4種故障：主機硬件故障 第5種故障：軟件故障 羅克韋爾自動化的集成過程控制系統(tǒng)是一套全面集成的過程控制解決方案。集成架構(gòu)作為一種技術(shù)框架,將車間現(xiàn)場不同的應(yīng)用項目通過統(tǒng)一的控制、可視化和通信平臺集成在一起。這樣一來，所有的數(shù)據(jù)都能夠在整個企業(yè)內(nèi)進(jìn)行無逢的傳遞。 冗余設(shè)計是集成過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 2 冗余設(shè)計 冗余設(shè)計包括硬件和軟件兩部分。 2．1 硬件冗余（圖1） [align=center] 圖1 硬件冗余[/align] 2．1．1控制站冗余 兩個互為冗余的控制站配置必須完全相同（圖1中的主/從機架），冗余功能是依靠雙槽冗余模塊1757-SRM實現(xiàn)。當(dāng)主控制器失效時，從控制器在100ms內(nèi)接替主控制器，主從控制器的同步對用戶來說是完全透明的，冗余模塊之間通過2根1米長的光纜（62.5/25μm多模光纖，SC連接）連接起來。 冗余功能的主要特性如下： ※同步透明性：控制器的同步不會引起任何可能的控制中斷。 ※切換透明性：主從控制器切換時，除了觸發(fā)相應(yīng)的報警或事件，不會對操作產(chǎn)生其他的影響，切換的時間可以忽略。 ※可靠的存儲：當(dāng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸時，只有主機架和從機架都收到相同的信息時，系統(tǒng)才確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸成功。 ※切換時數(shù)據(jù)連貫性：進(jìn)行冗余切換時，輸出保持不變，保證過程不發(fā)生擾動。 ※完全不要用戶編程，程序下載到主控制器。 冗余設(shè)計規(guī)則： ①一個冗余系統(tǒng)至少具有2個遠(yuǎn)程機架（2個節(jié)點） ②所有I/O模塊必須放在遠(yuǎn)程機架，冗余機架上不能有I/O模塊 ③每個冗余機架最多插2個1756-ENBT和3個1756-CNBR ④主/從1756-CNBR模塊地址開關(guān)撥到同一地址，從機架地址在上電后自動分配 冗余功能的設(shè)置（圖2）： 1757-SRM：Auto-Synchronization 自動同步設(shè)置為Always（保持） Controller Properties：Redundancy 屬性設(shè)置為Enabled（允許） [align=center] 圖2 冗余設(shè)置[/align] 2．1．2電源冗余 圖1中，每一個I/O遠(yuǎn)程機架配置一組1756-PAR2冗余電源（每組冗余電源由兩個1756-PA75R電源模塊，兩根1756-CPR電纜和一個1756-PSCA適配器構(gòu)成）。它們分別由兩路不同的系統(tǒng)供電，當(dāng)任一路供電系統(tǒng)故障時，另一路仍保持供電，因此可以確保I/O機架供電不間斷。 2．1．3 控制層網(wǎng)絡(luò)冗余 [align=center] 圖3 冗余通道[/align] 集成過程控制系統(tǒng)的控制層是ControlNet,它是羅克韋爾自動化NetLinx開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三層（EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet）網(wǎng)絡(luò)之一,滿足IEC61158國際工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。圖1中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個冗余的網(wǎng)絡(luò)通道：A通道和B通道（圖3），使控制信息實現(xiàn)冗余。傳送速率達(dá)5Mbps,傳送介質(zhì)是75Ω阻抗的1786-RG6同軸電纜，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。注意：A、B通道不能交叉；冗余鏈路兩邊的介質(zhì)必須相同。 2．1．4 信息層網(wǎng)絡(luò)冗余 集成過程控制系統(tǒng)的信息層是EtherNet/IP,圖1中1756-ENBT是EtherNet/IP通信模塊，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機將信息傳送到上層監(jiān)控管理中心。冗余功能通過光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)。 2．1．5 服務(wù)器冗余 采用主/從服務(wù)器結(jié)構(gòu)。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時，從服務(wù)器自動轉(zhuǎn)為主服務(wù)器，提供與控制器/RTU的通信、數(shù)據(jù)采集等功能，并為其他操作站提供服務(wù)。主服務(wù)器定時將數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)信息傳送到從服務(wù)器，以確保主/從服務(wù)器之間的完全同步。 2．2 軟件冗余 一個分布式HMI系統(tǒng)包括Server（服務(wù)器）組件和Client（客戶機）組件。Client組件提供了系統(tǒng)操作員使用的接口，一般是動態(tài)更新的圖形顯示。這些圖形顯示描述了系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并且允許操作員監(jiān)視和控制其操作。圖形顯示中的動態(tài)信息，包括動態(tài)圖形、報警匯總、更新標(biāo)簽值以及實時和歷史趨勢，都是由HMI系統(tǒng)中的Server組件提供。 為使操作員能夠維護(hù)和控制整個系統(tǒng)，Server組件必須提供連續(xù)的信息。 為此，在系統(tǒng)中安裝了RSView Supervisory Edition人機界面軟件（簡稱RSViewSE）。該軟件可以提供三種類型的Server,每種類型均可通過標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)選項配置冗余： FactoryTalk Directory Server（目錄服務(wù)） RSView SE Server（HMI服務(wù)） Date Server（數(shù)據(jù)服務(wù)） 軟件冗余功能可以概括為：“在正確的時候，把正確的信息分配給正確的人”。 “正確的時候”是指：系統(tǒng)運行時，如果與主計算機的連接中斷，F(xiàn)actoryTalk會在30秒內(nèi)自動將所有Clients切換到從計算機，當(dāng)與主計算機的連接恢復(fù)時，系統(tǒng)會自動切換回主計算機—無須用戶編程、客戶端組態(tài)，也無須操作員介入，以確保在“正確的時間“及時將信息傳送給客戶。實現(xiàn)了信息傳送的實時性。 “正確的信息”是指：FactoryTalk Directory為所有信息提供可查詢的映射，信息源還是存儲在整個分布式系統(tǒng)中。這樣既有數(shù)據(jù)集中管理的好處，又避免了整個系統(tǒng)使用單一數(shù)據(jù)庫的風(fēng)險。保證用戶得到“正確的信息”。 “正確的人”是指：RSViewSE利用Windows安全管理工具，管理用戶權(quán)限，包括：確保唯一密碼，自動退出系統(tǒng)，一段時間后改變密碼等。RSViewSE為用戶提供項目級的安全保障，對RSViewSE的命令、宏、數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽、畫面等分別設(shè)置安全級別。從而實現(xiàn)將信息傳送給“正確的人”。 3 應(yīng)用實例 [align=center] 圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[/align] 圖4所示為開曼鋁業(yè)（三門峽）氧化鋁集成過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。它是一個分布式控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)下設(shè)原料磨、石灰消化、溶出、沉降、種子過濾、蒸發(fā)、成品過濾、焙燒八個過程控制子系統(tǒng)（車間），每個車間均有一臺工程師站EWS和2-3臺操作員站OPS。車間內(nèi)部工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等信息的傳輸由ControlNet控制網(wǎng)實現(xiàn)。整個氧化鋁廠的主要生產(chǎn)操作由這八套子系統(tǒng)完成。 控制系統(tǒng)的信息層采用EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)，通過光纖將上述八個車間的信息傳送到全廠生產(chǎn)信息調(diào)度中心，該中心設(shè)有兩臺服務(wù)器SERVER1、SERVER2和兩臺操作站OPS1、OPS2，對全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理。 整個控制系統(tǒng)共配置有35個CPU模塊，650多個I/O模塊，100多個通信模塊，這些模塊分別安裝在近90個機架上，用于控制4000多點模擬量和9000多點開關(guān)量。 這個龐大的自動控制工程，如果因故障停止運行，每天經(jīng)濟損失高達(dá)100多萬元人民幣，如何保證氧化鋁生產(chǎn)長期連續(xù)穩(wěn)定運行，是擺在每一個設(shè)計、調(diào)試人員面前必須解決的基本課題。 為此，開曼鋁業(yè)氧化鋁控制系統(tǒng)采用下列冗余設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求。 3．1每個車間的控制系統(tǒng)均采用圖1所示的冗余結(jié)構(gòu)模式。 3．2 信息層網(wǎng)絡(luò)故障借助交換機冗余和雙光纖環(huán)網(wǎng)兩個途徑解決。 交換機冗余： 圖4中，每個車間的現(xiàn)場信息是通過兩個冗余以太網(wǎng)交換機獲取，例如溶出車間，左邊的交換機接收來自一期、二期和二期擴建主機架上的1756-ENBT模塊信息，右邊的交換機接收來自一期、二期和二期擴建副機架上的1756-ENBT模塊信息，這樣做的好處是現(xiàn)場信息具有冗余功能。 雙光纖環(huán)網(wǎng)： 全廠設(shè)有兩條100M光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。 環(huán)網(wǎng)1：設(shè)有9個工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機，用于原料磨、石灰消化、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)、成品和焙燒等8個車間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和冗余服務(wù)器（ServerS、Server2）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 環(huán)網(wǎng)2：設(shè)有7個工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機，并在原料磨、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)和焙燒等6個主要車間各設(shè)一臺操作員站OPS3，可以監(jiān)視全廠其他車間的運行情況（只看不控）。 環(huán)網(wǎng)1和環(huán)網(wǎng)2是兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)，他們之間只有一個通信通道，即信息只有通過服務(wù)器才可以進(jìn)行交換。 3．3 服務(wù)器冗余： 當(dāng)主Server出現(xiàn)故障時，自動切換到從Server.當(dāng)主Server再次可用時，它自動重新繼續(xù)執(zhí)行HMI Server的任務(wù)。從而保證Server組件向Client提供連續(xù)的信息，提高系統(tǒng)可訪問性，確保用戶監(jiān)控到生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，為他們做出重要的決策提供信息支持。 以溶出車間為例：掛接在環(huán)網(wǎng)1上的工程師站EWS及操作員站OPS1、OPS2工作于單機模式，可以監(jiān)視和操作本車間一期、二期和二期擴建所有設(shè)備，掛接在環(huán)網(wǎng)2上的操作員站OPS3工作于分布模式，在調(diào)度中心冗余服務(wù)器上進(jìn)行操作權(quán)限設(shè)置，即可在溶出車間監(jiān)視全廠其他車間的運行工況（但不可對其他車間的設(shè)備進(jìn)行操作）。 4 結(jié)束語 ①實現(xiàn)冗余的另一種方法是雙CPU冗余[3]：在同一機架插2塊CPU，兩塊CPU同時在系統(tǒng)中運行，一塊運行于主控模式，另一塊運行于熱備份模式。當(dāng)其中任一塊CPU發(fā)生故障時另一塊CPU立即監(jiān)視到并發(fā)出報警，自動將正常的CPU投入主控模式。CPU的無擾切換，使系統(tǒng)一直受控，確保了安全。這就是軟件冗余，其優(yōu)點是系統(tǒng)成本低，缺點是需要用戶編程，可靠性和規(guī)范性較差。本文介紹的硬件冗余雖然成本較高，但不需要用戶編程，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶可以騰出足夠的精力去處理無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的工作。 ②1756/1757系統(tǒng)硬件模塊的平均無故障時間（MTBF）在150萬小時左右，并且獲得了TUV的SIL2的認(rèn)證。以每天24小時，每年365天計算，模塊在171年內(nèi)將不會失效，可靠性非常高，完全可以直接應(yīng)用于大部分工程項目中。只有當(dāng)系統(tǒng)一旦失效將會造成重大經(jīng)濟損失或產(chǎn)生人員傷亡的場合才采取相應(yīng)的冗余措施。 ③如果所有I/O模塊可以全部插入一個遠(yuǎn)程機架，則第2個遠(yuǎn)程機架可以用1794-ACNR15替代，這樣可以大大降低成本。 In the Rockwell automation integrated process control system redundant technology and application Summary: Introduces the Rockwell automation integrated process control system redundancy design method and application example 參考文獻(xiàn) [1]Allen-Bradley：ControlLogix 熱備冗余系統(tǒng)用戶手冊 [2]Rockwell Automation: 工業(yè)白皮書：RSView Supervisory Edition應(yīng)用系統(tǒng)中保證系統(tǒng)的有效性 [3]嚴(yán)敏：PLC的雙CPU冗余控制實現(xiàn)，羅克韋爾自動化“A-B世界杯”集成架構(gòu)產(chǎn)品應(yīng)用論文集，P.78 [4] Rockwell Automation: FLEX I/O 和FLEX EX選型指南 1794和1797系列 潘芝渭：男，1947，高級工程師，寧波捷創(chuàng)技術(shù)有限公司，從事自動控制新品研發(fā)和設(shè)計 地址：浙江省寧波市賀丞新村5幢10號304室 E-mail:293246@nbip.net