PLC软冗余系统时间和性能分析

王俭

摘要：本文给出了PLC软冗余系统的原理及软硬件组成。分析了PLC软冗余系统在主CPU、电源、接口模块和数据总线等可能发生的各种故障及引发的软件中断，给出了主备切换过程，给出了系统相应的主备切换时间极限值的估算公式。分析了PLC软冗余系统的数据同步过程，得出了数据同步时间的估算公式。因此给出了软冗余系统的使用条件。

关键词：可编程控制器冗余主备切换

0引言

在工业自动化系统中大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，随着技术的发展又组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。目前冗余的分类方式很多，而采用PLC冗余方式的有两种，即软冗余和硬亢余。西门子公司在软、硬冗余两方面均给出了解决方案。而基于硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7—300或S7—400的软冗余是一种成本低又能提高可靠性的方案。目前，软冗余系统已经在冶金、交通、电力、化工、污水处理等工业控制工程中得到了较广泛的应用[1-6]。但是对于软冗余的性能仍没有进行系统的研究。本文针对西门子PLC介绍了软冗余系统的实现原理，分析了主备切换时间和数据同步时间，为控制系统设计提供参考依据。

1软冗余实现原理

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通信的IM153—2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。这些故障包括：主机架上的电源、背板总线等故障；CPU故障；Profibus现场总线网络故障；ET200M站的通信接口模块IMl53故障。

PLC软冗余系统要实现软冗余功能，需要从程序中调用冗余软件包的功能模块，这主要包括：初始化冗余系统运行参数的FCl00模块；故障诊断、主备切换的FCl02模块；发送／接收数据的FBl03模块；调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。

在PLC每个循环执行周期中，主系统先调用FBl01接收并分析备系统状态，然后执行冗余程序，最后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。而备系统首先调用FBl01接收并分析主系统状态，跳过冗余程序，然后将备系统状态发送到主系统。需注意的是，实现冗余功能的最重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态，然后再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行，将导致接收到对方故障信息后，对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。

2主备站切换时间分析

主备切换时间是指主站系统发生故障后被检测、然后切换到备站系统接替主站工作所需要的时间。

2.1主CPU或主机架电源、背板总线故障分析当前两种故障发生时，ET200M站的主通信接口模块IMl53与主CPU失去连接，自动在主备通信接口模块IM153之间实现切换。同时备CPU在向主CPU发送备站状态时将检测到同步线数据传输错误，继而主动切换成主CPU。

由于故障需要被检测到才可以主备切换，而当主CPU故障发生时备CPU刚调用FB101执行完发送功能，那么备CPU要在下一个周期调用发送功能时才能检测到与诸CPU通信连接故障，并且还要等待调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t最长。

t=Tcy-2TFB101(1)

式中t为主备切换时间；Tcy为PLC循环扫描周期；TFB101为冗余功能块FBl01执行时间。

2.2Profibus或ET200M主站故障分析当Profibus或ET200M主站发生故障时，发生故障的ET200M从站的备IMl53将检测到主IMl53故障，自动将自己切换为主IMl53。主CPU将因为与故障IMl53失去连接而引发OB86(故障诊断)中断，并在中断中调用诊断模块FCl02完成所有从站的切换，并将自己置为备用。然后，主CPU将故障信息发送到备CPU。备CPU收到故障信息后将自己切换成主CPU。这时的切换时间为

t=TR+tE+tS+tD(2)

式中TR为OB86中断响应时间；tE为OB86执行时间；tS为故障状态发送时间；tD为故障状态数据接收完毕到备站切换成主站的时间间隔。

因为OB86中只调用FCl02诊断模块，所以tE由FCl02的执行时间决定。经过数据测量可以知道FCl02执行时间主要集中在调用系统功能SFC58向ET200M写数据(控制从站切换)的操作上，SFC58的调用次数等于ET200M从站个数，因此可以近似得出

tE=TE×ET200M的个数

式中TE为SFC58调用一次的时间，测量得出TE一般为3ms。

故障状态发送时间tS与主CPU的OB86中断产生的时刻有很大关系。如果主CPU在调用FB101执行发送功能之前产生OB86中断，则在发送数据时主CPU直接把故障状态发送给备站，在这种情况下TS最短。但是若主CPU调用FBl01执行完发送功能时恰好产生OB86中断，则主CPU要把先前数据发送完毕才能发送故障状态到备站。并且若先前数据发送完毕在主CPU执行完发送功能之后，则要等到下个周期调用发送功能时才能发送主站的故障状态。这时，故障状态发送时间tS最长

tS=2Tt+Tcy-TFB101(3)

其中Tt为发送一次数据所用的时间。

数据接收完毕到备站切换成主站的时间间隔tD与备站接收完故障状态的时刻有关。若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之后，则备CPU要等到下个周期调用接收功能时才能获得主站的状态，并在调用发送功能时切换成主CPU。此时tD最大

tD=Tcy(4)

由以上分析可知，主备切换时间最长为

t=TR+tE+tS+tD=TR+tE+(2Tt+Tcy-TFB101)+Tcy

=TR+tE+2Tt+2Tcy-TFB101

=TR+TE×ET200M的个数+2Tt+2Tcy-TFB101(5)

以上所涉及的时间中，tE、Tt和Tcy所占比重最大，其余时间经测量均约为1ms。如果要减小主备切换时间，必须减小tE、Tt和Tcy。要减小tE就要减少ET200M从站数量，即在满足要求的情况下减少I/0数量。减少Tt最好的方法是选择主站与备站之间较快的数据同步通信方式。如Profibus总线方式比西门子PLC自带的MPI方式能在较短的时间内发送更多个字节数据。但前一种方式需要另外配置通信模块。Tcy为PLC循环扫描周期，与用户程序长度有关。典型的中等规模的PLC控制系统，经计算主备切换时间的极限值范围约为150-500ms。

3使用条件

由以上分析可知，可以使用软冗余的工业现场要求一次最短控制时间T不能特别短[10-13]，最短控制时间T太短能够造成软冗余的切换时间不能满足要求。最短控制时间T满足：

T≥max{TR+TE×ET200M的个数+2Tt+2Tcy-TFB101，Tcy-2TFB101}(8)

因此在实际中不能满足式（8）条件的工业现场就需要减少ET200

M从站个数，即将工业现场分成几个冗余控制系统，这需要考虑实际的场合进行合理的分解。在一次软冗余最大切换时间与最短控制时间之差为较小的正数时，可以考虑减少数据同步时间的方法以便能够满足条件，即将一次软冗余最大切换时间与最短控制时间的差变为负数。

4结论

在控制系统出现故障时，以往只能停机或手动进行修理，这样就要求系统的运行较慢才可以实现，本文利用PLC软冗余系统，一旦特定故障发生时，系统通过软件的快速反应实现主备切换机制，使备站接替主站保持系统继续运行，避免系统停止运行后的修理和调节。本系统在主备切换完成后，备用系统以与原系统同步数据执行控制任务，在系统实时性要求不严格的情况下实现系统的正常运行。本软冗余系统主备切换的功能，既能够提高系统的可靠性、又可以降低成本。本系统由于在主备切换过程中系统需要一定的切换时间，使得系统暂时失去了控制功能，故软冗余系统对于实时性要求非常高的控制场合，即切换时间大于控制命令时间的控制系统不适合。

参考文献：

[1]徐竟天，李树刚，张乃禄，朱晖，冯劲.基于S7-300软冗余的钻机自动送钻控制系统设计[J].石油机械.ISTICPKU-2009年9期．

[2]王困勇.马思乐.基于s7-300与WINCe的污水处理控制系统[J].中国仪器仪表.2007(4)：53-56．

[3]张筱萱.西门子S7-300PLC软冗余系统在重催气压机上的应用[J].兰州石化职业技术学院学报.-2002年3期．