ControlLogix冗余控制系統(tǒng)的原理及性能優(yōu)化

1、冗余控制系統(tǒng)的原理及性能優(yōu)化馮立王良勇錢曉龍 (東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院沈陽(yáng) 110004摘要 本文以 Con tro l L ogix 為例 , 介紹了可編程控制器冗余系統(tǒng)的冗余原理 , 對(duì)影響冗余性能的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析 , 通過(guò) 減少掃描周期和切換時(shí)間來(lái)對(duì)其冗余性能進(jìn)行優(yōu)化 , 為類似冗余系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供的參考方法 。關(guān)鍵詞 Con tro l L ogix 冗余控制器切換The Theory and Opti m iza tion of Redundancy Con trol SystemFeng L i W ang L iangyong Q ian X iao long (Ins

2、titu te of Inf or m a tion S ci . &E ng . , N ortheasten U n iv . , S heny ang 110004, Ch ina Abstract T h is article introduces the theo ry and op ti m izati on of redundancy contro l system based on Contro l 2 L ogix , and the key p roblem s of the perfo rm ance are discussed . A t the sam e t

3、i m e , it p resented a w ay to i m p rove the perfo rm ance of redundancy system via m ini m izing scan cycle and s w itchover ti m e , w h ich is useful fo r users to realize on the si m ilar system .Key words Contro l L ogix R edundancy Contro ller Sw itchover1引言隨著制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇 , 制造商更加追求生產(chǎn)設(shè) 備的可靠性 , 尤其

4、是那些控制關(guān)鍵性生產(chǎn)工序的設(shè)備 , 往往需要采用冗余配置。 目前 , 多數(shù)的基于可編程控制 器的冗余系統(tǒng)采用了兩套 CPU 處理器模塊 , 一個(gè)處理 器模塊作為主處理器 , 另外一個(gè)作為從處理器。 正常情 況下 , 由主處理器執(zhí)行程序 , 控制 I O 設(shè)備 , 從處理器 不斷監(jiān)測(cè)主處理器狀態(tài)。 如果主處理器出現(xiàn)故障 , 從處 理器立即接管對(duì) I O 的控制 , 繼續(xù)執(zhí)行程序 , 從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)系統(tǒng)的冗余控制。很多廠商都能夠提供可編程控制器冗余系統(tǒng)解決 方案 , 用戶在使用過(guò)程中往往對(duì)其冗余原理理解不深 , 造成系統(tǒng)冗余性能下降。 本文以羅克韋爾自動(dòng)化 A llen B radley 品牌 Co

5、ntro l L ogix 控制器為例 , 介紹其冗余系 統(tǒng)的構(gòu)建和性能優(yōu)化問(wèn)題。2冗余系統(tǒng)構(gòu)建Contro l L ogix 系統(tǒng)采用了基于 “ 生產(chǎn)者 消費(fèi)者” 的通訊模式 , 為用戶提供了高性能、 高可靠性、 配置靈 活的分布式控制解決方案。 Contro l L ogix 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 離散、 過(guò)程、 運(yùn)動(dòng)三種不同控制類型的集成 , 能夠支持 以太網(wǎng)、 Contro l N et 控制網(wǎng)和 D eviceN et 設(shè)備網(wǎng) , 并可 實(shí)現(xiàn)信息在三層網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫傳遞。因而 , Contro l 2 L ogix 被廣泛地應(yīng)用于各種控制系統(tǒng) 1 。圖 1冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建 Contro l L

6、 ogix 冗余系統(tǒng)的核心部件是處理 器和 1757 SRM 冗余模塊。目前 , 有 1756 L 55系列 處理器模塊支持冗余功能 , 其內(nèi)存容量從 750kB 到 715M B 不等。 1757 SRM 冗余模塊是實(shí)現(xiàn)冗余功能 的關(guān)鍵。 如圖 1所示 , 在冗余系統(tǒng)中 , 處理器模塊和 1757 SRM 冗余模塊處于同一機(jī)架內(nèi)。 為了避免受到 外 界 電 磁 干 擾 , 提 高 數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 度 , 兩 個(gè) 機(jī) 架 的 1757 SRM 模塊通過(guò)光纖交換同步數(shù)據(jù)。所有的 I O模塊通過(guò) Contro l N et 控制網(wǎng)與主、 從控制器機(jī)架內(nèi)的1756 CNB (R 控制網(wǎng)通訊模塊相

7、連接。 以往的冗余系統(tǒng)通常需要用戶編制復(fù)雜的程序?qū)?處理器狀態(tài)進(jìn)行判斷 , 在兩個(gè)處理器之間傳輸同步數(shù) 據(jù)并實(shí)現(xiàn) I O 控制權(quán)的切換 , 兩個(gè)處理器中的程序也 各不相同 , 這使得冗余系統(tǒng)本身的建立和維護(hù)工作非 常繁瑣。通過(guò) 1757 SRM 冗余模塊 , 不需要任何編程就 可以實(shí)現(xiàn)冗余功能 , 還可以方便地使主、 從處理器內(nèi)的 程序保持一致 , 用戶對(duì)主處理器程序的修改可自動(dòng)同 步到從處理器。 主、 從處理器所處機(jī)架內(nèi)的 1756CNB (R 控制網(wǎng)通訊模塊地址各不一樣。當(dāng)主處理器出現(xiàn)故障后 , 從處理器接管控制系統(tǒng) , 相對(duì)應(yīng)的控制網(wǎng) 通訊模塊之間相互交換地址 , 從而不影響其他控制器

8、和上位機(jī)與該冗余系統(tǒng)的通訊。3系統(tǒng)冗余原理及過(guò)程可編程控制器一個(gè)工作周期內(nèi)的主要任務(wù)有 :內(nèi) 務(wù)整理、 掃描輸入映像表、 執(zhí)行程序、 更新輸出映像表。Contro l L ogix 控制器在冗余系統(tǒng)中 , 主處理器執(zhí)行完程序之后 , 將所有輸出指令的結(jié)果傳送給從控制器 2。 由于 Contro l L ogix 系統(tǒng)所有的 I O 設(shè)備都在控制網(wǎng) 內(nèi) , 按照其自有的 “ 生產(chǎn)者 消費(fèi)者” 通訊模式 , 從處理 器作為一個(gè) “ 消費(fèi)者” 可以與主處理器具有一樣的地 位 , 獲取 I O 的輸入信息。 這樣 , 確保了主、 從控制器內(nèi) 輸入、輸出映像表的一致。 圖 2正常情況下主處理器程序執(zhí)行過(guò)

9、程如圖 2所示 , 在正常情況下 , 程序執(zhí)行到位置 1時(shí) , 主處理器將具有較高優(yōu)先權(quán)任務(wù)和前一段普通任 務(wù)的執(zhí)行結(jié)果分先后傳送給從處理器 , 然后程序返回 到位置 2, 繼續(xù)執(zhí)行剩下的普通任務(wù)。位置 3時(shí) , 所有 任務(wù)已經(jīng)完成 , 主處理器將執(zhí)行結(jié)果傳送給從處理器。 如果在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí) , 主處理器出現(xiàn)故障 , 如圖 3所 示。這時(shí) , 從處理器便會(huì)接替主處理器 , 重新執(zhí)行出現(xiàn) 故障時(shí)的那段任務(wù)。 可見(jiàn) , 這時(shí)從處理器使用的輸出映 像表數(shù)據(jù)來(lái)自于主處理器上一個(gè)工作周期的執(zhí)行結(jié)果。圖 3主 、 從處理器之間的切換過(guò)程可見(jiàn) , 在冗余系統(tǒng)的切換過(guò)程中 , 沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的 丟失和突變 ,

10、 處理器內(nèi)部無(wú)須執(zhí)行繁雜的判斷決策程 序 , 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)擾切換。4系統(tǒng)冗余性能優(yōu)化針對(duì)系統(tǒng)冗余性能的優(yōu)化 , 不僅限于減少系統(tǒng)的 切換時(shí)間 , 而且由于冗余器件的介入 , 系統(tǒng)可靠性得到 提高 , 但一些相關(guān)的性能卻有所降低。 在第 3節(jié)中已經(jīng) 談到 , 冗余系統(tǒng)的處理器相對(duì)于非冗余系統(tǒng)的處理器 在一個(gè)工作周期內(nèi)多了一項(xiàng)任務(wù) :將所有輸出指令的 結(jié)果傳送給從控制器 , 因而增加了程序掃描周期。 因冗 余系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換量不同 , 所增加的掃描周期時(shí)間也有 所不同。 因此 , 對(duì)于系統(tǒng)冗余性能的優(yōu)化主要有兩個(gè)方 面 :降低冗余系統(tǒng)對(duì)程序掃描周期的影響和減少系統(tǒng) 切換時(shí)間。411降低冗余系統(tǒng)對(duì)程序

11、掃描周期的影響由第 3節(jié)的分析所知 , 在不該變?cè)谐绦蚪Y(jié)構(gòu)的 情況下 , 只有減少主、 從處理器之間的數(shù)據(jù)交換量才能 減少冗余系統(tǒng)對(duì)程序掃描周期的影響。 Contro l L ogix 主處理器每次向從處理器發(fā)送的同步數(shù)據(jù)包大小固 定 , 均為 256字節(jié)。因此 , 可以通過(guò)充分利用每個(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)達(dá)到減少數(shù)據(jù)包交換次數(shù)的目的。 Contro l L ogix 控制器采用基于標(biāo)記的尋址方式 , 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較靈活 , 用戶在程序中可以使用數(shù)組或者自定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。這 樣 , 數(shù)據(jù)的傳輸可以大大被壓縮 , 而且由于用戶可以將 某一控制對(duì)象一系列相關(guān)數(shù)據(jù)集成在一個(gè)自定義結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)中 , 使得原來(lái)分散的數(shù)

12、據(jù)可以被集中起來(lái)進(jìn)行傳 輸 , 充分利用了每個(gè)數(shù)據(jù)包 , 從而在傳送相同信息時(shí) , 所使用的數(shù)據(jù)包較分散的數(shù)據(jù)傳輸所使用的數(shù)據(jù)包 少 , 節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 , 減少了程序掃描周期。由于在 Contro l L ogix 主處理器中所有指令的執(zhí) 行結(jié)果都要同時(shí)被寫入從處理器 , 因此減少一些不必要和無(wú)意義的指令執(zhí)行也有助于減少程序掃描周期。 如 O TL 、 O TU (輸出鎖定 解鎖 以及其他一些指令常 常 在梯級(jí)條件為 “ 真” 的情況下反復(fù)執(zhí)行 , 還有比如 ADD (加法 指令 , 雖然兩個(gè)相加的數(shù)都沒(méi)變 , 結(jié)果也 沒(méi)變 , 但是主處理器每次執(zhí)行這個(gè)指令時(shí)都會(huì)將結(jié)果 寫入從處理器。

13、因此 , 可以通過(guò)比避免那些無(wú)意義的數(shù) 據(jù)更新來(lái)減少程序掃描周期。412減少系統(tǒng)切換時(shí)間在 Contro l L ogix 冗余系統(tǒng)中 , 系統(tǒng)切換時(shí)間受到 Contro l N et 控制網(wǎng) NU T (網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間 的制約。 當(dāng)用 戶完成了對(duì) Contro l N et 控制網(wǎng)的配置之后 , NU T 時(shí) 間便被確定下來(lái) , 從而就可以估算系統(tǒng)的切換時(shí)間 , 如 表 1所示。表 1冗余系統(tǒng)切換時(shí)間估算錯(cuò)誤原 因類型 NU T時(shí)間冗余系統(tǒng)切換時(shí)間 (m s 模塊 掉電 6m s 60 7m s5NU T +M ax 2NU T , 30CNB 模塊與其他 模塊出現(xiàn)通訊故障14NU T +M

14、ax 2NU T , 30+50為了確保在系統(tǒng)切換時(shí)不至于造成輸出數(shù)據(jù)的突 變 , 對(duì) NU T 有一定的限制。通常情況下 , 如果冗余系 統(tǒng)機(jī)架中只有一個(gè)或者多個(gè)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的控制網(wǎng)通訊 模塊 , 其 NU T 不得大于 90m s ; 如果有多個(gè)在不同網(wǎng) 絡(luò)內(nèi)的控制網(wǎng)通訊模塊 , 其最小 NU T 網(wǎng)絡(luò)和最大 NU T 網(wǎng)絡(luò)之間要滿足一定的約束關(guān)系 , 如表 2所示。表 2不同網(wǎng)絡(luò)之間 NUT 的約束關(guān)系最小 NU T 網(wǎng)絡(luò)的NU T 值 (m s 2714 90最大 NU T 網(wǎng)絡(luò)的 NU T 值必須小于或等于以下值 (m s 151539 90由于在切換過(guò)程中 , 主、 從處理器框架內(nèi)的

15、控制網(wǎng) 通訊模塊之間要交換對(duì) I O 的控制權(quán)。由于在切換過(guò) 程中 , 通訊模塊自身的處理器占用率有 8%左右的攀 升 , 為了確保該通訊模塊有足夠的處理能力完成切換 , 應(yīng)確保該模塊在正常工作時(shí)的處理器占用率低于 75%。 為了做到這一點(diǎn) , 可以采用以下幾點(diǎn)減少通訊模 塊的處理器占用率 :(1 在控制系統(tǒng)允許的情況下 , 適 當(dāng)增加 NU T 值 ; (2 增加通訊連接的 R P I (請(qǐng)求數(shù)據(jù) 包間隔 值 ; (3 減少通過(guò)該模塊的通訊聯(lián)接 (如采用機(jī) 架優(yōu)化方式 ; (4 減少 M SG (信息傳輸 指令的使用數(shù) 目 ; (5 通過(guò)增加額外的通訊模塊來(lái)分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。5針對(duì)冗余系統(tǒng)的監(jiān)控

16、在 典 型 的 Contro l L ogix 系 統(tǒng) 中 , 常 使 用 R SV iew 32監(jiān)控軟件配合 1784 PC I C 控制網(wǎng)計(jì)算機(jī) 適配卡接入網(wǎng)絡(luò) , 構(gòu)成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 在冗余系統(tǒng) 中 , 雖然有兩套控制系統(tǒng) , 但在監(jiān)控系統(tǒng)中只需要對(duì)正 在運(yùn)行的主系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 在切換時(shí) , 對(duì)應(yīng)的控制網(wǎng)通 訊模塊相互交換地址 , 所以不需要重新調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng) 的通訊通道。也就是說(shuō) , 如果不作特殊的處理 , 上位機(jī) 無(wú)法判斷系統(tǒng)是否因故障進(jìn)行了控制器切換。為了在 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中反映主、 從控制器的狀態(tài) , 可以在處 理器程序中加入 GSV 指令 , 獲取冗余系統(tǒng)狀態(tài) (如從 控制器的狀態(tài) , 是否能夠進(jìn)行切換 , 數(shù)據(jù)交換量等 信 息 , 大大方便了用戶操作 , 并能在系統(tǒng)發(fā)生切換后及時(shí) 提醒用戶排除從處理器的故障。6結(jié)論通過(guò)對(duì) Contro l L ogix 冗余系統(tǒng)原理的介紹 , 針對(duì) 影響冗余性能的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析 , 從減少程序掃描 周期和系統(tǒng)切換時(shí)間上入手 , 對(duì)冗余系統(tǒng)的性能進(jìn)行 調(diào)整 , 這將有利于用戶更好地進(jìn)行系統(tǒng)配置 , 適應(yīng)自己 的具體應(yīng)用項(xiàng)目需要。 同時(shí) , 用戶還可以使用 Contro l 2 L ogix 系統(tǒng)的其他冗余設(shè)備 , 如冗