冗余控制系统
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DCS冗余控制系统方案
目录
冗余控制系统概述
冗余系统关键技术
冗余控制的主要原理
冗余控制系统的优势
冗余控制百度文库统概述
•
• •
在重要工业现场以及关键设备中，高可靠性已成为考核系统和设备的重要 指标。这种情况下，容错技术成为了满足连续性生产要求，提高控制系统的 可靠性和可用性的关键也是首选手段 冗余就是容错技术常见也是现行的最稳定可靠的方式 冗余系统（redundant system）是指为增加系统的可靠性，而采取两套或两 套以上相同、相对独立配置的设计连接组成的系统。通过提供系统运行所需 的所有关键组件的冗余的方法，达到容错能力的系统或者系统的结构，当系 统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故 障时间。
故障隔离技术
• 5）故障隔离技术 冗余设计时，必须考虑工作、备用部件之间的故障应该做到尽可能互 不影响或影响的概率相当小（0.01%），即可认为故障是隔离的。这 样可以保证：处于备用状态的部件发生故障时，不会影响冗余工作部 件或其他关联部件的正常运行，保证冗余的有效性。
冗余控制主要原理
PLC冗余
主控器
热备
两个完全相同的plc，内部装有相同的系统，相同组态软件相同组态信 息。并且两个plc之间通过光纤等方式保持通信
冗余控制主要原理
几 种 冗 余 系 统 方 式
冗余控制主要原理
硬冗余的切换电路原理
冗余控制主要原理
系统运行过程中两个CPU同时启 动和运行，但是在正常运行时只 有主CPU发出控制命令，而备用 CPU检测主CPU状态和记录主 CPU发出的命令，当主CPU发生 故障时能够延续当时的实际状态 接替主CPU发出执行命令。与主 CPU通信模块处于激活状态时主 CPU能访问I／0模块。当系统发生 特定故障时，系统可以实现主备 切换，备站接替主站继续运行。
网络系统冗余
• 3) 网络系统冗余。 • 采用冗余网卡和冗余网络接口。正常工作时，冗余的两条数据高速 通路同时并行运行，自动分摊网络流量，并考虑了负载均衡的冗余设 计，使系统网络通信带宽提高。当其中一路故障（网卡损坏或出现线 路故障）时，另一路自动地承担全部通信负载，保证通信的正常进行。
冷却系统冗余
故障仲裁及切换技术
• •
3） 故障仲裁技术和切换技术 精确及时地发现故障后，还需要及时确定故障的部位、分析故障的 严重性，依赖前文提到的冗余控制电路，对工作、备用故障状态进行 分析、比较和仲裁，以判定是否需要进行工作/备用之间的状态切换。 控制权切换到冗余备用部件还必须保证快速、安全、无扰动。当处于 工作状态的部件出现故障（断电、复位、软件故障、硬件故障等）或 者工作部件的故障较备用部件严重时，备用部件必须快速地无扰动地 接替工作部件的所有控制任务，对现场控制不造成任何影响。同时要 求切换时间应为毫秒级，甚至是微秒级，这样就不会因为该部件的故 障而造成外部控制对象的失控或检测信息失效等等。另外，还需要尽 快通过网络通讯或就地LED显示进行报警，通知用户出现故障的部件 和故障情况，以便进行及时维护。
热拔插技术
• 4）热插拔技术 为了保证容错系统具有高可靠性，必须尽量减少系统的平均修复时间 MTBR。要做到这一点，在设计上应努力提高单元的独立性、可修复 性、故障可维护性。实现故障部件的在线维护和更换也是冗余技术的 重要组成部分，它是实现控制系统故障部件快速修复技术的关键。部 件的热插拔功能可以在不中断系统正常控制功能的情况下增加或更换 组件，使系统平稳地运行。
冗余控制系统关键技术
信息同步技术 故障检测技术 故障仲裁及切换技术 热拔插技术 故障隔离技术
信息同步技术
它是工作、备用部件之间实现无扰动（Bumpless）切换技术的前提， 只有按控制实时性要求进行高速有效的信息同步，保证工作、备用部 件步调一致地工作，才能实现冗余部件之间的无扰动切换。 在热备用工作方式下，其中一块处于工作状态（工作卡），实现系统 的数据采集、运算、控制输出、网络通讯等功能；而另一块处于备用 状态（备用卡），它实时跟踪工作卡的内部控制状态（即状态同步）。 工作/备用卡件之间的正/负逻辑是互斥的，即一个为工作卡，另一个 必定是备用卡；而且它们之间有冗余控制电路（又称工作/备用控制 电路）和信息通讯电路，以协调两块卡件同时而且有序地运行，保证 对外输入输出特性的同一性，即对于用户使用而言，可以认为只有一 个部件。一般在设计中，工作、备用部件之间通过高速的冗余通讯通 道（串行或并行）实现运行状态互检和控制状态的同步（如组态信息、 输出阀位、控制参数等）。
冗余控制主要原理
双 处 理 器 在 冗 余 系 统 的 切 换
电源系统冗余
• •
2) 电源系统冗余。 电源是整个控制系统得以正常工作的动力源泉，一旦电源单元发生 故障，往往会使整个控制系统的工作中断，造成严重后果。要使控制 系统能够安全、可靠、长期、稳定地运行，首先稳定的供电必须得到 保证。可热插拔的冗余电源，正常工作时，两台电源各输出一半功率， 从而使每一台电源都工作在轻负载状态，有利于电源稳定工作。当其 中一台发生故障，短时由另一台接替其工作，并报警。设计为可热插 拔的冗余电源，这样系统维护时可以在不影响系统正常运行的情况下 更换故障的电源。
• 4)冷却系统冗余。 • 利用控制柜内可自动切换的冗余风扇，对风扇和机柜内温度进行实 时监测，发现工作风扇故障或柜内温度过高时都会自动报警，并自动 启动备用风扇。
信息冗余
• •
5) 信息冗余。 除了硬件部件的冗余，还采用了信息冗余技术，这也是提高系统可 靠性的一个重要手段。信息冗余技术是指在通信过程中或存放组态信 息（重要信息）时，利用增加的多余信息位提供检错甚至纠错的能力。
冗余控制系统概述
• 冗余控制原理 • 冗余控制一般采用硬件冗余或者软件冗余。其中，硬件冗余是 指通过热设备或者冷设备实现冗余所需的数据同步和主从切换；软件 冗余是指通过程序实现数据同步和主从切换
冗余控制系统概述
冗余系统的功能 • 系统的核对统一性检查 • 系统的切换功能 • 运行模式的变更 • 热备传送功能 • 在线程序写入的冗余跟踪功能 • 从控制系统向待机系统的存储复制功能 • 在线更换模块
冗余控制的优点
优点
一、以现有的系统为依托，不需要任 何时间或科研投入，可以立即实现； 二、配置、安装、使用简单，无需额 外的培训、设计等； 三、使用冗余系统，理论上来讲，系 统的故障率可以接近为零。
冗余控制的优点
冗余系统能够： 1. 平滑的主从切换 2. 自动事件同步 3. 集成的错误识别和错误定位功能 4. 操作期间可对系统进行修改 5. 类似标准CPU的在线编程 6. 下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU 中。 7. CPU修复后自动再进入。
故障检测技术
• 2）故障检测技术 为了保证系统在出现故障时及时将冗余部分投入工作，必须有高精确 的在线故障检测技术，实现故障发现、故障定位、故障隔离和故障报 警。故障检测包括电源、微处理器、数据通讯链路、数据总线及I/O状 态等。其中故障诊断包括故障自诊断和故障互检（工作、备用卡件之 间的相互检查）
目录
冗余控制系统概述
冗余系统关键技术
冗余控制的主要原理
冗余控制系统的优势
冗余控制百度文库统概述
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在重要工业现场以及关键设备中，高可靠性已成为考核系统和设备的重要 指标。这种情况下，容错技术成为了满足连续性生产要求，提高控制系统的 可靠性和可用性的关键也是首选手段 冗余就是容错技术常见也是现行的最稳定可靠的方式 冗余系统（redundant system）是指为增加系统的可靠性，而采取两套或两 套以上相同、相对独立配置的设计连接组成的系统。通过提供系统运行所需 的所有关键组件的冗余的方法，达到容错能力的系统或者系统的结构，当系 统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故 障时间。
故障隔离技术
• 5）故障隔离技术 冗余设计时，必须考虑工作、备用部件之间的故障应该做到尽可能互 不影响或影响的概率相当小（0.01%），即可认为故障是隔离的。这 样可以保证：处于备用状态的部件发生故障时，不会影响冗余工作部 件或其他关联部件的正常运行，保证冗余的有效性。
冗余控制主要原理
PLC冗余
主控器
热备
两个完全相同的plc，内部装有相同的系统，相同组态软件相同组态信 息。并且两个plc之间通过光纤等方式保持通信
冗余控制主要原理
几 种 冗 余 系 统 方 式
冗余控制主要原理
硬冗余的切换电路原理
冗余控制主要原理
系统运行过程中两个CPU同时启 动和运行，但是在正常运行时只 有主CPU发出控制命令，而备用 CPU检测主CPU状态和记录主 CPU发出的命令，当主CPU发生 故障时能够延续当时的实际状态 接替主CPU发出执行命令。与主 CPU通信模块处于激活状态时主 CPU能访问I／0模块。当系统发生 特定故障时，系统可以实现主备 切换，备站接替主站继续运行。
网络系统冗余
• 3) 网络系统冗余。 • 采用冗余网卡和冗余网络接口。正常工作时，冗余的两条数据高速 通路同时并行运行，自动分摊网络流量，并考虑了负载均衡的冗余设 计，使系统网络通信带宽提高。当其中一路故障（网卡损坏或出现线 路故障）时，另一路自动地承担全部通信负载，保证通信的正常进行。
冷却系统冗余
故障仲裁及切换技术
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3） 故障仲裁技术和切换技术 精确及时地发现故障后，还需要及时确定故障的部位、分析故障的 严重性，依赖前文提到的冗余控制电路，对工作、备用故障状态进行 分析、比较和仲裁，以判定是否需要进行工作/备用之间的状态切换。 控制权切换到冗余备用部件还必须保证快速、安全、无扰动。当处于 工作状态的部件出现故障（断电、复位、软件故障、硬件故障等）或 者工作部件的故障较备用部件严重时，备用部件必须快速地无扰动地 接替工作部件的所有控制任务，对现场控制不造成任何影响。同时要 求切换时间应为毫秒级，甚至是微秒级，这样就不会因为该部件的故 障而造成外部控制对象的失控或检测信息失效等等。另外，还需要尽 快通过网络通讯或就地LED显示进行报警，通知用户出现故障的部件 和故障情况，以便进行及时维护。
热拔插技术
• 4）热插拔技术 为了保证容错系统具有高可靠性，必须尽量减少系统的平均修复时间 MTBR。要做到这一点，在设计上应努力提高单元的独立性、可修复 性、故障可维护性。实现故障部件的在线维护和更换也是冗余技术的 重要组成部分，它是实现控制系统故障部件快速修复技术的关键。部 件的热插拔功能可以在不中断系统正常控制功能的情况下增加或更换 组件，使系统平稳地运行。
冗余控制系统关键技术
信息同步技术 故障检测技术 故障仲裁及切换技术 热拔插技术 故障隔离技术
信息同步技术
它是工作、备用部件之间实现无扰动（Bumpless）切换技术的前提， 只有按控制实时性要求进行高速有效的信息同步，保证工作、备用部 件步调一致地工作，才能实现冗余部件之间的无扰动切换。 在热备用工作方式下，其中一块处于工作状态（工作卡），实现系统 的数据采集、运算、控制输出、网络通讯等功能；而另一块处于备用 状态（备用卡），它实时跟踪工作卡的内部控制状态（即状态同步）。 工作/备用卡件之间的正/负逻辑是互斥的，即一个为工作卡，另一个 必定是备用卡；而且它们之间有冗余控制电路（又称工作/备用控制 电路）和信息通讯电路，以协调两块卡件同时而且有序地运行，保证 对外输入输出特性的同一性，即对于用户使用而言，可以认为只有一 个部件。一般在设计中，工作、备用部件之间通过高速的冗余通讯通 道（串行或并行）实现运行状态互检和控制状态的同步（如组态信息、 输出阀位、控制参数等）。
冗余控制主要原理
双 处 理 器 在 冗 余 系 统 的 切 换
电源系统冗余
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2) 电源系统冗余。 电源是整个控制系统得以正常工作的动力源泉，一旦电源单元发生 故障，往往会使整个控制系统的工作中断，造成严重后果。要使控制 系统能够安全、可靠、长期、稳定地运行，首先稳定的供电必须得到 保证。可热插拔的冗余电源，正常工作时，两台电源各输出一半功率， 从而使每一台电源都工作在轻负载状态，有利于电源稳定工作。当其 中一台发生故障，短时由另一台接替其工作，并报警。设计为可热插 拔的冗余电源，这样系统维护时可以在不影响系统正常运行的情况下 更换故障的电源。
• 4)冷却系统冗余。 • 利用控制柜内可自动切换的冗余风扇，对风扇和机柜内温度进行实 时监测，发现工作风扇故障或柜内温度过高时都会自动报警，并自动 启动备用风扇。
信息冗余
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5) 信息冗余。 除了硬件部件的冗余，还采用了信息冗余技术，这也是提高系统可 靠性的一个重要手段。信息冗余技术是指在通信过程中或存放组态信 息（重要信息）时，利用增加的多余信息位提供检错甚至纠错的能力。
冗余控制系统概述
• 冗余控制原理 • 冗余控制一般采用硬件冗余或者软件冗余。其中，硬件冗余是 指通过热设备或者冷设备实现冗余所需的数据同步和主从切换；软件 冗余是指通过程序实现数据同步和主从切换
冗余控制系统概述
冗余系统的功能 • 系统的核对统一性检查 • 系统的切换功能 • 运行模式的变更 • 热备传送功能 • 在线程序写入的冗余跟踪功能 • 从控制系统向待机系统的存储复制功能 • 在线更换模块
冗余控制的优点
优点
一、以现有的系统为依托，不需要任 何时间或科研投入，可以立即实现； 二、配置、安装、使用简单，无需额 外的培训、设计等； 三、使用冗余系统，理论上来讲，系 统的故障率可以接近为零。
冗余控制的优点
冗余系统能够： 1. 平滑的主从切换 2. 自动事件同步 3. 集成的错误识别和错误定位功能 4. 操作期间可对系统进行修改 5. 类似标准CPU的在线编程 6. 下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU 中。 7. CPU修复后自动再进入。
故障检测技术
• 2）故障检测技术 为了保证系统在出现故障时及时将冗余部分投入工作，必须有高精确 的在线故障检测技术，实现故障发现、故障定位、故障隔离和故障报 警。故障检测包括电源、微处理器、数据通讯链路、数据总线及I/O状 态等。其中故障诊断包括故障自诊断和故障互检（工作、备用卡件之 间的相互检查）