CN104898620B - 一种基于以太网的冗余控制***及控制方法 - Google Patents

一种基于以太网的冗余控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于以太网的冗余控制***及控制方法,包括上位***、控制***和执行***；上位***包括两台工控机，每台工控机上装有组态软件，两台工控机通过标准网卡组成局域网，控制***包括两套PLC***，PLC***包括供电模块、冗余CPU和用于冗余CPU通讯的以太网通讯模块，两套PLC***中的冗余CPU之间采用光纤连接，每台工控机通过交换机连接两套PLC***，工控机通过交换机跟以太网通讯模块通讯，执行***包括：若干I/O模块和若干执行单元，每套PLC***通过Profibus‑DP总线分别与若干I/O模块连接，若干I/O模块分别与若干执行单元连接，这种冗余控制***及控制方法通过双工控机在线实时监控，两套PLC***并行工作，使***运行的安全性、可靠性、稳定性大大提高。

Description

一种基于以太网的冗余控制***及控制方法
技术领域：
本发明属于工业自动化控制及现场控制技术领域，具体涉及一种基于以太网的冗余控制***及控制方法。
背景技术：
某些过程控制***，如化学、石油、造纸、冶金、核电站等工业部门的某些***，要求控制装置有极高的可靠性，尤其是某些复杂的大型生产***，如汽车装配生产线，只要***中一个地方出问题，就会造成整个***停产，仅仅通过提高控制***硬件及软件的可靠性来满足上述工业部门对可靠性的要求是不可能的，因为可编程序控制器(ProgrammableLogic Controller,简称PLC)本身的可靠性的提高有一定的限度，并且可靠性的提高会使成本急剧增加。
采用普通控制技术，PLC***使用单CPU，所有控制程序存储于其中。一旦***出现故障或者程序执行错误，整个设备会出现误动作或立刻停止，造成后果可能会非常严重。
采用单一的上位计算机***，一旦电脑中病毒或故障，***也会无法操作运行。
使用单一***，一旦出现问题，就会造成整个***停产，对于企业来说造成的后果损失相当严重，自动化程度的安全性、可靠性是所有设备厂家都追求的新技术。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于以太网的冗余控制***及控制方法，解决了单一***故障造成的一系列问题，自动化***的安全性、可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于以太网的冗余控制***，包括上位***、控制***和执行***；
上位***包括两台工控机，每台工控机上装有组态软件，两台工控机通过标准网卡组成局域网，通过局域网两台工控机之间实现数据及时更新、及时交换；一台工控机发生故障，不会影响另外一台继续工作；
控制***包括两套均装有软件的PLC***，PLC***包括供电模块、冗余CPU和用于冗余CPU通讯的以太网通讯模块，两套PLC***中的冗余CPU之间采用光纤连接，实现数据共享，当一块冗余CPU发生故障，故障冗余CPU中的冗余处理单元自动切换到另外一块冗余CPU，另外一块冗余CPU开始工作，每台工控机通过交换机连接两套PLC***，工控机通过交换机跟以太网通讯模块通讯，分别对两套PLC***进行访问，实现数据共享、交换，任一一套PLC***或工控机出现故障，不影响另外一套***继续工作；
执行***包括：若干I/O模块和若干执行单元，每套PLC***通过Profibus-DP总线分别与若干I/O模块连接，若干I/O模块分别与若干执行单元连接。
上述两套PLC***中的冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，当主冗余CPU故障时，马上投入备用冗余CPU。
上述两台工控机中，一台为工程师站，另一台为操作员站，工程师站不但能在其上操作，还能编辑修改画面；操作员站只允许对其进行操作。
上述工控机中的PCI插槽内安装有西门子公司的CP1613工业专用网卡，所述交换机为工业交换机，所述PLC***采用西门子公司的414H冗余***，所述以太网通讯模块为西门子公司的CP443-1IE以太网通讯模块。
上述执行单元包括：循环水泵、曝气风机、电磁阀、气动阀、电动阀、液位传感器、流量传感器和压力传感器。
上述PLC***中的软件采用西门子公司为S7-400系列PLC***开发的STEP7-V5.5软件。
上述工控机的组态软件采用西门子公司的WINCC7.0。
一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，包括：
(1)工控机将控制程序下载到每套PLC***中的冗余CPU中；
(2)***正常工作时，两套PLC***并行工作，两块冗余CPU运行相同的控制程序，通过I/O模块启动与之连接的执行单元，两块冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输入I/O口和输入映像寄存器被主冗余CPU同步刷新，两台工控机在线实时监控、采集、操作，两台工控机并行工作，数据同步更新，任何一台参数、数据进行更改，另外一台也进行相应的修改；
(3)***发生故障时，当一套PLC***故障时，通过冗余CPU内的冗余处理单元自动切换到另一套PLC***中的冗余CPU中，当主冗余CPU故障失效时，冗余处理单元接到主冗余CPU的故障信息后，在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用冗余CPU，备用冗余CPU的输出开启，备用冗余CPU控制***工作，主冗余CPU的输出被禁止，当一台工控机故障时，不会影响局域网中的另外一台工控机继续工作；
(4)控制***故障恢复后，故障恢复的主冗余CPU发信号到备用冗余CPU内的冗余处理单元，冗余处理单元接收到主冗余CPU故障恢复的信号后，在1～3个扫描周期内将控制功能切换到主冗余CPU中，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输出被禁止。
上述1～3个扫描周期为5～15ms。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、主要通过两套PLC***和两台工控机组成的冗余控制***，两块冗余CPU之间采用光纤连接，实现数据共享，当一块冗余CPU故障时，通过冗余处理单元可以自动切换到另外一块冗余CPU工作，两台工控机通过标准网卡组成局域网，两台工控机采用以太网通过交换机和以太网通讯模块分别对两套PLC***进行访问，实现数据共享、交换，任何一套PLC***或者任何一台工控机出现故障，不会影响另外一台继续工作，这种冗余控制***解决了单一***故障停机造成的一系列问题，自动化***的安全性、可靠性高，同时实现了现场执行机构的远程实时监控。
2、两套PLC***并行工作，两块冗余CPU运行相同的控制程序，通过I/O模块启动执行单元，两块冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常情况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输入I/O口和输入映像寄存器被主冗余CPU同步地刷新，两台工控机在线实时监控、采集、操作，两台工控机并行工作，数据同步更新，任何一台参数、数据进行更改，另外一台也进行相应的修改，通过冗余处理单元进行主冗余CPU和备用冗余CPU之间的快速切换，使用这种冗余控制方法，出现故障程序切换运行迅速，不会影响整个***运行，可以大大避免了设备意外停机故障，同时，操作安全、可靠性大大增强，为企业带来了巨大收益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、工控机；2、PLC***；3、I/O模块；4、执行单元；5、Profibus-DP总线；6、交换机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于以太网的冗余控制***，包括上位***、控制***和执行***；
上位***包括两台工控机1，每台工控机1上装有组态软件，两台工控机1通过标准网卡组成局域网，通过局域网两台工控机1之间实现数据及时更新、及时交换；一台工控机1发生故障，不会影响另外一台继续工作；
控制***包括两套均装有软件的PLC***2，PLC***2包括供电模块、冗余CPU和用于冗余CPU通讯的以太网通讯模块，两套PLC***2中的冗余CPU之间采用光纤连接，实现数据共享，当一块冗余CPU发生故障，故障冗余CPU中的冗余处理单元自动切换到另外一块冗余CPU，另外一块冗余CPU开始工作，每台工控机1通过交换机6连接两套PLC***2，工控机1通过交换机6跟以太网通讯模块通讯，分别对两套PLC***2进行访问，实现数据共享、交换，任一一套PLC***2或工控机1出现故障，不影响另外一套***继续工作；
执行***包括：若干I/O模块3和若干执行单元4，每套PLC***2通过Profibus-DP总线5分别与若干I/O模块3连接，若干I/O模块3分别与若干执行单元4连接。
上述两套PLC***2中的冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，当主冗余CPU故障时，马上投入备用冗余CPU。
上述两台工控机1中，一台为工程师站，另一台为操作员站，工程师站不但能在其上操作，还能编辑修改画面；操作员站只允许对其进行操作。
上述工控机1中的PCI插槽内安装有西门子公司的CP1613工业专用网卡，所述交换机为工业交换机，所述PLC***2采用西门子公司的414H冗余***，所述以太网通讯模块为西门子公司的CP443-1IE以太网通讯模块。
上述执行单元4包括：循环水泵、曝气风机、电磁阀、气动阀、电动阀、液位传感器、流量传感器和压力传感器。
上述PLC***2中的软件采用西门子公司为S7-400系列PLC***2开发的STEP7-V5.5软件。
上述工控机1的组态软件采用西门子公司的WINCC7.0。
一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，包括：
(1)工控机1将控制程序下载到每套PLC***2中的冗余CPU中；
(2)***正常工作时，两套PLC***2并行工作，两块冗余CPU运行相同的控制程序，通过I/O模块3启动与之连接的执行单元4，两块冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输入I/O口和输入映像寄存器被主冗余CPU同步刷新，两台工控机1在线实时监控、采集、操作，两台工控机1并行工作，数据同步更新，任何一台参数、数据进行更改，另外一台也进行相应的修改；
(3)***发生故障时，当一套PLC***2故障时，通过冗余CPU内的冗余处理单元自动切换到另一套PLC***2中的冗余CPU中，当主冗余CPU故障失效时，冗余处理单元接到主冗余CPU的故障信息后，在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用冗余CPU，备用冗余CPU的输出开启，备用冗余CPU控制***工作，主冗余CPU的输出被禁止，当一台工控机1故障时，不会影响局域网中的另外一台工控机1继续工作；
(4)控制***故障恢复后，故障恢复的主冗余CPU发信号到备用冗余CPU内的冗余处理单元，冗余处理单元接收到主冗余CPU故障恢复的信号后，在1～3个扫描周期内将控制功能切换到主冗余CPU中，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输出被禁止。
上述1～3个扫描周期为5～15ms。
整个冗余控制***以PLC***2为控制核心，工业计算机(简称工控机)作为上位机，对整个***进行监控、操作。
采用DELL工作站作为上位***的工控机1，安装正版Windows XP完全版，采用西门子公司WINCC自主开发HMI，工控机1安装CP1613网卡采用以太网通信方式与PLC***2相连；两台工控机1之间采用普通网卡通过局域网相连，实现数据交互。
WINCC(即WINDOWS CONTROL CENTER视窗控制中心)，WINCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件，WINCC是一个功能强大的全面开放的监控***，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用，在任何情况下WINCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。
两台工控机1上都装有组态软件，组态软件是指数据采集与过程控制的专用软件，监控***即组态画面(HMI)，工控机1的组态画面包含常规的监控功能：如控制画面、图形显示、实时数据显示、报警信息、设备状态、水池液位、参数设定等；还包括设备的维护保养计划与设备的预防性维护提醒及维护保养记录、生产工艺流程设定与管理、各种生产数据库，以实现各种生产数据管理、资料查询、报表及打印输出功能。
两台工控机1并行工作，数据同步更新，任何一台参数、数据进行修改，另外一台也进行相应的修改；运行中若有一台计算机故障，不会影响另外一台继续工作。
在组态软件WINCC7.0里预先编辑好组态画面，然后在工控机中建立数据库，数据库采用专门用于400H冗余CPU连接的专用数据库，定义组态画面中的所有变量，在PLC***2硬件组态里建立网络连接后，下载组态画面中的所有变量到PLC***2中的冗余CPU中去。
使用“下载”功能将工控机1的硬件和网络组态下载到工控机1配置的编辑器中，随后工控机1的应用程序和网卡进入正常的工作状态，WINCC7.0和PLC***2可以正常通讯。
通过使用基于以太网的冗余控制***，操作安全、可靠性大大增强。
使用基于以太网的冗余控制方法，出现故障时，程序切换运行迅速，不会影响整个***的运行，可以大大避免了设备意外停机故障，为企业带来了巨大收益。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种根据基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，包括：
(1)工控机将控制程序下载到每套PLC***中的冗余CPU中；冗余控制***包括上位***、控制***和执行***；上位***包括两台工控机，每台工控机上装有组态软件，两台工控机通过标准网卡组成局域网，通过局域网两台工控机之间实现数据及时更新、及时交换；一台工控机发生故障，不会影响另外一台继续工作；控制***包括两套均装有软件的PLC***，PLC***包括供电模块、冗余CPU和用于冗余CPU通讯的以太网通讯模块，两套PLC***中的冗余CPU之间采用光纤连接，实现数据共享，当一块冗余CPU发生故障，故障冗余CPU中的冗余处理单元自动切换到另外一块冗余CPU，另外一块冗余CPU开始工作，每台工控机通过交换机连接两套PLC***，工控机通过交换机跟以太网通讯模块通讯，分别对两套PLC***进行访问，实现数据共享、交换，任一一套PLC***或工控机出现故障，不影响另外一套***继续工作；执行***包括：若干I/O模块和若干执行单元，每套PLC***通过Profibus-DP总线分别与若干I/O模块连接，若干I/O模块分别与若干执行单元连接；所述两套PLC***中的冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，当主冗余CPU故障时，马上投入备用冗余CPU；所述两台工控机中，一台为工程师站，另一台为操作员站，工程师站不但能在其上操作，还能编辑修改画面；操作员站只允许对其进行操作；
(2)***正常工作时，两套PLC***并行工作，两块冗余CPU运行相同的控制程序，通过I/O模块启动与之连接的执行单元，两块冗余CPU其中一块是主冗余CPU，另一块是备用冗余CPU，正常状况下，备用冗余CPU的输出是被禁止的，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输入I/O口和输入映像寄存器被主冗余CPU同步刷新，两台工控机在线实时监控、采集、操作，两台工控机并行工作，数据同步更新，任何一台参数、数据进行更改，另外一台也进行相应的修改；
(3)***发生故障时，当一套PLC***故障时，通过冗余CPU内的冗余处理单元自动切换到另一套PLC***中的冗余CPU中，当主冗余CPU故障失效时，冗余处理单元接到主冗余CPU的故障信息后，在1-3个扫描周期内将控制功能切换到备用冗余CPU，备用冗余CPU的输出开启，备用冗余CPU控制***工作，主冗余CPU的输出被禁止，当一台工控机故障时，不会影响局域网中的另外一台工控机继续工作；
(4)控制***故障恢复后，故障恢复的主冗余CPU发信号到备用冗余CPU内的冗余处理单元，冗余处理单元接收到主冗余CPU故障恢复的信号后，在1-3个扫描周期内将控制功能切换到主冗余CPU中，主冗余CPU控制***工作，备用冗余CPU的输出被禁止。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，所述1-3个扫描周期为5-15ms。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，所述工控机中的PCI插槽内安装有西门子公司的CP1613工业专用网卡，所述交换机为工业交换机，所述PLC***采用西门子公司的414H冗余***，所述以太网通讯模块为西门子公司的CP443-1IE以太网通讯模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，所述执行单元包括：循环水泵、曝气风机、电磁阀、气动阀、电动阀、液位传感器、流量传感器和压力传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，所述***中的软件采用西门子公司为S7-400系列PLC***开发的STEP7-V5.5软件。
6.根据权利要求1所述的一种基于以太网的冗余控制***的控制方法，其特征在于，所述工控机的组态软件采用西门子公司的WINCC7.0。
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