西门子6ES7241-1AA22-0XA0质量**

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AB PLC的双CPU冗余控制实现 

       严敏、杨阳、郭胜军、于进、沈庆良、严海、魏良余、褚洪峰（上海船舶运输科学研究所，200135）

摘要：本文介绍了在熔盐炉自动系统中，采用Allen-Bradley ControlLogix双CPU的PLC控制器，以软件方式实现CPU冗余控制。这是一种花钱少、效果好的提高系统可靠性的有效手段。

关键词：CPU冗余，ControlLogix，编程

      PLC是现代工业的三大支柱之一，是可靠性高、应用非常广泛的工业控制产品。在中大型模块化的PLC产品中，CPU模块（*处理器）是PLC的中心。一些重大的工业生产线往往要求连续运行不能停顿，而可靠性再高的PLC也不能保证故障为零，因此，双CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。下面以熔盐炉自控系统为实例详述双CPU冗余控制的实现方法。

一、熔盐炉自动系统综述

熔盐炉自控系统是一水硬铝管道化溶出生产线上的重要环节，控制熔盐的加热和循环，用熔盐的热量去循环加热铝矿石浆。铝矿石浆的加热至关重要，影响较终产品—氧化铝的质量和产量，因此，熔盐的温度控制和循环控制非常重要。

由于熔盐炉系统在管道化工程中的重要性，同时考虑到熔盐是一种活跃的化学品，在不同的温度下有不同的形态，低温下凝固，高温下不稳定会发生化学反应，从而腐蚀管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作简便和自动化管理是系统设计的关键，因此考虑用一套双CPU冗余的PLC、两套工控机、高质量的传感器、变送器和执行机构来控制两台1200万大卡的熔盐炉、一台盐泵、一组盐阀、一个熔盐槽和其他相关设备，实现熔盐的加热和循环过程自动化、计算机操作、监控和管理的自动化控制。该系统如图1所示。



    控制器PLC、工控机(包括显示器)、通讯网络和电源及关键测试点等系统中的重要部件均采用冗余结构，两套工控机和大屏幕显示器组成的两套监控操作管理台并行运行；两条冗余的ControlNet高速通讯网络同时传送数据；两套直流电源同时向控制器PLC、变送器和开关量输入模块供电，关键测试点同时设置两个传感器测试数据。

冗余设计使系统关键部件的可靠性提高了一倍，而使系统的整体可靠性大大的提高。

二、双CPU的PLC控制器

       PLC控制器是系统控制的中心，采集系统的全部工况信号，实时控制相关的设备动作；同时监视生产过程参数和设备运行状态，当危险工况出现时，及时发出声光报警，当极限工况出现时，联锁保护设备，**生产过程安全。为此，我们选择了以产品可靠性高著称的罗克韦尔自动化公司的新一代控制平台：A-B ControlLogix系列，同时考虑采用双CPU模块冗余，进一步提高系统可靠性，避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。

三、两种双CPU冗余方式的比较

      ControlLogix提供有两种CPU冗余解决方法，一种为纯硬件冗余，另一种为软件冗余。

硬件冗余的方法，是将两个CPU模块插在不同的两个机架上，每个机架上除了CPU模块，还要有通讯模块CNBR、热备模块SRM和两个热备模块间的连接光缆，如图2所示。



 

     软件冗余，是将两个CPU模块插在同一个框架上，利用背板通讯，进行冗余控制，如图3所示。



 

    从以上可以看出，纯硬件冗余的方式硬件投入较多，成本开支较大大。而软件冗余，只需增加一块CPU模块，成本增加很少，因为一般像CPU这种PLC的心脏，厂家都会配有备件，用备件来实现冗余控制，既提高了系统的可靠性和可维护性（可做到在线维护，不影响生产线运行），又不会显著增加成本开支。

单纯从可靠性方面分析，纯硬件的冗余较之软件冗余并无优势。因为增加了较多的部件、模块，这些部件和模块的故障，也会影响系统的可靠性。例如，当两个热备模块之间的连接光缆出现故障，同样会使冗余控制失效。而软件冗余，只增加了一块CPU模块，而两个CPU模块的同时故障率几乎为零。

纯硬件冗余的优点之一，就是不需要软件进行专门的编程，CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。而软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程解决的。因此，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大。

    综合考虑以上因素，本熔盐炉自动系统采用软件方式实现PLC的双CPU冗余控制。两块CPU模块同时在系统中运行，一块运行于主控模式，另一块运行于热备份模式。当其中任一块CPU发生故障时另一块CPU立即监视到并发出报警，自动将正常的CPU投入主控模式。CPU的无扰动切换，使系统一直受控，确保了安全，同时，使管道化生产线一直处于正常运行的良好工况中。

四、软件实现
      CPU冗余控制的软件实现编程主要从下面两方面考虑：

1、控制权的裁决和转移

    块CPU同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权，而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接，但输出被禁止。

两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现对方故障，立即发出报警，通过ControlNet网，传送给上位工控机，在操作管理台上显示报警。如果是主控CPU模块故障，热备CPU模块自动获得主控制权。控制权的裁决和转移的软件框图如图4所示。



2、两块CPU模块的控制

    由于热备CPU随时准备着，一旦主CPU故障，就立即获取主控制权而成为主控CPU，因此，主CPU必须将自己的信息随时传递给热备CPU，而热备CPU必须跟踪主CPU的变化，与主CPU保持同步，这样，在两块CPU模块进行控制权的转移时，实现无扰动切换

本文介绍了使用Allen-Bradley公司的PLC-5处理器结合SAMI STAR变频器，通过PID调节实现恒压供水；为了保证恒压供水，设置了压力保护功能，并进行了PID恒压控制与远程直接调频之间的无缝转换处理；在节能和供水质量方面取得了较好的效果。

 

    1. 概述

    变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其*特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。

    成都市自来水公司六厂日产水量60万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自1996年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得我厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，我厂使用一台泵同时向郫县供水和提供我厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如环节中的水射器）能正常工作，我厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用变频调速控制是保压力恒定较为有效的方法。根据我们对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大（见后图5），如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的性。

    2. 控制系统构成

    整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行。控制系统构成如图1所示。


图1 控制系统构成图

    PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器，变频泵选用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为0~1.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将到的压力信号转换为4~20mA的电流信号，送到PLC子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出4~20mA的电流控制变频泵的运行。

    3. 控制原理及功能实现

    3.1 PLC控制系统简介

    我厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话。RSView工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。控制界面如图2。


图2 变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）

    3.2 恒压供水的控制原理

    SAMI STAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。LOCAL操作方式下，通过LOCAL START/STOP开关启停变频器，通过f REF LOCAL bbbbb0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTE START/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过f REF REMOTE bbbbb0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0~50Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE bbbbb0、4~20mA信号输入）；X11-15/16（输出4~20mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出4~20mA变频泵运行电流信号）。变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。
为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络**地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图3：


图3 闭环控制原理图


图4 PID流程图

    PLC的PID运算调节通过该型处理器**PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。PID程序段流程如图4。PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD尽量设置得较小；SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。

    3.3 相关控制功能实现

    为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站））；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过RSView设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。

    同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。

    4. 运行效果分析

    4.1 有效保证郫县供水和我厂自用水压力稳定，提高我厂供水性

    图5为数据库采集的2001年某日我厂恒压变频泵出水压力、频率变化以及郫县供水和自用水流量、管网压力数据关系图。


图5 变频恒压控制频率、压力、供水量关系图

    从图中数据可看出郫县小时供水量变化很大，如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节我厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然我厂自用水秒变化不大，但由于我厂自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，我厂自用水压力基本恒定不变。这样保证了我厂加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的工艺流程，从而保我厂出厂水水质，提高我厂供水的性。

凹版预印所采用的油墨主要以醇溶性油墨或水性纸张**油墨。预印后的卷筒纸箱面纸在上瓦楞纸生产线要进行涂胶、复合、压平和烘干等工序，所以在所用的油墨时要求比较严格，否则，纸箱面纸上的图案、花纹会被拉花或拖墨。针对这些，秦华公司与油墨生产商撮商研制生产纸凹预印**油墨，其价格与普通油墨基本一样。

    纸凹预印机通常分为放料部、纸张预处理系统、印刷部、干燥部和收料部等五个大的工位。就其与瓦楞纸生产线的配套而言，预印机的型号可分为：1300型、1650型、1800型、2000型、2200型和2500型。印刷色数在5～8色(可增减或加涂布等工序)。目前国产凹版预印设备的速度在120～200米/分钟，印刷的纸张普遍采用120～350克/平方米的卷筒涂布铜纸、涂布白板纸和涂布牛卡纸等，套印精度为±0.2mm。这里以西安秦华公司生产的QHZH-61650型纸张凹版预印机为例来谈谈凹版预印机各工位的装置及工作情况。

    首先是完整的放卷换卷系统。大家都清楚，预印设备完整的放卷换卷系统是提高工作效率，节约原材料的一个重要的环节。秦华公司生产的61650型硕印机的换卷系统为高速全自动搭接头式换卷，整个设备放卷系统的完整工作包括卷料上机支承与无轴自动夹紧，自动翻转定位，卷径预速同步驱动，胶带位置检测与压头裁切，浮辊定位系统和牵引等。其特点是地面升降机装卸纸卷，收放卷无轴液压对中夹紧，翻转预驱动及接头裁切均按设定程序自动完成。对接式接头系统产生的废料非常小，可忽略不计。平滑的对接式接头对各印刷流程几乎没有什么影响。在高速印刷不降速度的状态下，接头卸换卷也只是产生极少的废品。浮辊检测闭环控制系统能稳定、平衡、补偿收放换卷产生的张力波动和冲击。收放卷牵引在整个换料接头中阻止和隔断收放卷张力波动，不影响印刷。收放卷的牵引驱动采用数字式矢量控制系统，通过PLC和人机介面进行完整的闭环控制，使放卷做恒张力态工作运行，收卷做锥度张力态工作地运行。

    凹版预印对纸张的预处理系统是纸凹预印机通常设置的一个工艺过程。它一般包括三个目的：一是控制纸张的印态水分(含水份量在5～7%)，使纸张在后续各印刷工艺状态下，纸幅不变或微变，从而达到印刷、套印精确的目的。二是纸面尘埃和异物，使纸面清洁，使其在后续印刷过程中不出现露印和堵塞印版现象。三是改善纸张纸面在印刷状态中与油墨的亲合能力，使纸张在印刷中着墨饱满、牢固。

    纸凹预印机在预处理纸张时，控制纸张水份通常采用热风式风罩加热或在纸张正、反两面设置热缸加热控制两种方法。前者工艺效，但对纸面微观光泽度有较轻影响，后者工艺效率低，但对纸面微观光泽能较好的保持。纸面除尘的工艺通常采用软质毛刷刷尘或负压吸尘的方法。对于纸张来说，同质地的纸张不同的厚度、克重或不同质地纸张相同的克重或厚度，以及同样的产品不相同的生产厂家，纸张在预处理过程中所设定的参数也不相同，根据具体情况而定。

    纸凹预印的印刷部

    它是整个设备的核心工位。印刷部通常包括压印辊系统、传动箱系统、印版支承调节系统、供墨系统、刮系统和对版套印补偿系统。以秦华QHZH-61650纸张预印机为例，它的压印辊系统由压印胶辊、背压钢辊，直线滑动导轨和回位自锁式气动系统组成，这样能很好的保证油墨印态良好的转移、印幅压力线上压力均匀稳定平衡、压印辊升降灵活准确以及停机时压印辊抬起回位自锁等。