冗余应用

冗余技术在分布式控制系统中的应用研究

张锐1 潘泽友1,2

（1.西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621000；

2.中国工程物理研究院计算机应用研究所 四川绵阳 621900）

【摘要】 以某酒厂稻谷加工DCS控制系统为例，介绍了冗余技术在分布式控制系统中的应用，并从PLC冗余、通信冗余和软件编程三方面进行了详细的论述。

【关键词】 冗余系统；分布式控制系统

【中图分类号】 TP202.1 【文献标识码】 B

A Study on Application of DCS by Using Redundant Technology

Zhang Rui1 Pan Ze-You1,2

（1．School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan, 621000；2．China Academy Engineering Physics, Mianyang Sichuan, 621900）【Abstract】According to DCS about paddy process in some winery, the application of DCS by using redundant technology is introduced. The PLC redundancies、communications redundancies and program are analyzed in detail.

【Key words】Redundancy system；DCS

引言

在现代工业的各个领域，出于对高可靠性和安全性的考虑，及停车成本高或系统维护导致停产损失大的考虑，大都采用冗余结构来构建控制系统。

1．冗余DCS系统

某酒厂的稻谷加工DCS控制系统主要分为六个工艺段：进料、初清、清理、砻谷、碾米、出料等工段。所涉及的电气、仪表输入输出点数为6400点，控制点数为576点，由一个中央控制室集中控制。整套DCS系统以西门子公司冗余组件为核心，由2台S7-400控制器、2台OSM交换机、9台ET200M IO站、一台操作员站和一台工程师站构成。系统全部采用S7-400的高性能卡件，实现了供电模块、CPU、通讯介质、接口模块和客户机冗余。

图1 冗余系统结构图

2．PLC冗余

2.1 PLC冗余的实现原理

两个CPU414-4H是冗余系统的核心组件，以双通道结构进行操作，冗余的实现方式为“硬

冗余”，冗余的切换方式为“热冗余”。冗余状态下主备CPU 具有相同的用户程序，并通过西门子专利的“事件驱动的同步”方法同步执行程序。一旦可能导致主备站的内部单元状态不同的事件发生时，例如对I/O 直接访问的事件，将由操作系统自动同步它们的数据。

冗余系统在正常状态下，主备CPU 同时参与程序处理和数据运算，不同之处是备CPU 不输出控制信号。如果发生主站故障将进行无扰动主备CPU 切换，从中断点处由备CPU 接替生产过程的控制，并处于单机工作状态。CPU 无切换时间，系统切换时间主要取决于Profibus-DP 的切换时间，该段时间内输出保持切换前的输出状态，切换期间无信息或报警/中断丢失。对于其它公司的同类产品，一般CPU 切换时间达到毫秒级，只要切换时间小于I/O 延迟时间和报警/中断检测时间，便可以保证在切换期间无信号丢失。

2.2 PLC 冗余的可靠性论证

下面运用可靠性理论对系统的冗余设计进行可靠性分析，可靠性指标如下：

平均故障时间：指系统相邻故障期间的正常工作时间的平均值，用MTBF 表示。 失效率：指能工作到某个时间的系统，在连续单位时间内发生故障的比例，即瞬时故障率，用)(t λ表示。

可靠度：指系统无故障正常工作状态的概率，用)(t R 表示，即)()(t X P t R >=，它是规定时间t 的函数，规定时间越长)(t R 越小。可靠度具有如下性质：

①1)0(=R ；②0)(lim =∞

→t R t ；③1)(0≤≤t R ；④)(t R 是时间t 的单调递减函数 根据可靠性指标，对主控制器系统进行可靠性分析。设X 是主控制器系统能正常使用的期限，即从开始使用到第一次故障为止的时间间隔。则X 是随机变量，设它的分布函数为)(t F m ，分布密度函数为)(t f m ，可靠度为)(t R m ，则有：)(1)(t F t R m m −=。

考虑到电子产品和控制设备的失效分布大致都服从指数分布，即X 服从参数为λ的指数分布，则有：)0()(>=−t e t f t m λλ (2.1) )0(1)(>−=−t e t F t m λ (2.2)

t m m e t F t R λ−=−=)(1)( (2.3)

设m λ为主控制器的失效率，根据定义)()()(t R t f t m m m =

λ，结合式（2.1）（2.2）（2.3）可以得到λλλλ=−==−)

(1)()()(t F e t R t f t m t

m m m （2.4） 根据定义∫∫∞∞→∞

−=

=0

0)(lim )()(t tR dt t R dt t tf MTBF t m m m ，根据可靠度)(t R 性质②，得到∫∞=0)(dt t R MTBF m m 。结合式(2.3)(2.4)得到m m m dt t R MTBF λ1)(0=

=∫∞

（2.5）。

以上为主控制器单独工作时对系统的可靠性分析，下面对主备控制器组成冗余系统的可靠性进行分析。设)(t R 为冗余控制器系统可靠度，MTBF 为冗余控制器系统平均故障时间。下标为s 的参数，定义为备控制器相对于主控制器相同类型的参数指标。

由于主备控制器为同种类型产品，并且工作负担基本一致，则有：

m s λλ= (2.6) )()(t R t R m s = (2.7) m s MTBF MTBF = (2.8)

由于主备控制器为并联结构，并且可以看作为相互独立的概率事件，结合式(2.3)(2.7)则有：t t s m e e t R t R t R λλ22))(1())(1(1)(−−−=−⋅−−= (2.9)