馬曉寧

（天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

傳統(tǒng)的礦業(yè)設(shè)備控制多使用繼電器-接觸器來(lái)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的控制，而這種控制方法可靠性差，故障率高，并且使用環(huán)境受限嚴(yán)重。而近年來(lái)不斷發(fā)展的PLC控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。所以如今礦業(yè)設(shè)備的控制多使用PLC控制技術(shù)。隨著安全生產(chǎn)的要求，對(duì)礦業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制的可靠性要求也越來(lái)越高，礦井重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)如提升、通風(fēng)及分選系統(tǒng)等，如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，引起停產(chǎn)或設(shè)備損壞將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐芍卮蟮陌踩鹿?，因此，僅僅通過(guò)提高PLC控制系統(tǒng)的自身可靠性滿(mǎn)足不了要求，采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)來(lái)有效地解決上述問(wèn)題[2]。

1 PLC冗余系統(tǒng)介紹

所謂冗余系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中有多余的部分，沒(méi)有它，系統(tǒng)照樣工作，但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，這種多余的部分能立即替代故障部分而使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行[3]。

2 不同公司PLC雙機(jī)熱備產(chǎn)品分析比較

目前，工控行業(yè)廣泛使用的主流工控設(shè)備有AB公司的ControlLogix 5000系列；OMRON公司的CS1D系列；SIEMENS公司的SIMATIC S7系列以及SCHNEIDE公司的Quantum系列PLC產(chǎn)品等，以下對(duì)這四家公司雙機(jī)熱備PLC產(chǎn)品進(jìn)行介紹[4]。

2.1 OMRON （歐姆龍）

表1 雙機(jī)熱備配置表

CS1D-PA207R 電源 2 CS1D-ETN21（ETN21D） 以太網(wǎng)模塊 1～2 CS1D-CLK21-V1 CLK通訊模塊 1～2

（1）I/O配置。由于CS1D是單機(jī)架雙機(jī)熱備，除了可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式I/O結(jié)構(gòu)來(lái)采集數(shù)據(jù)，還可以直接對(duì)CPU機(jī)架進(jìn)行擴(kuò)展，增加模塊的使用數(shù)量。CS1D單機(jī)架雙機(jī)熱備最多可以有7個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，擴(kuò)展總線(xiàn)長(zhǎng)度最多為50m，最多可插入68個(gè)I/O模塊。CS1D的I/O模塊全部支持帶電插拔，支持狀態(tài)預(yù)留。

（2）雙機(jī)熱備的切換條件。由于CS1D是單機(jī)架熱備系統(tǒng)，因此主從控制器的切換條件是：①主控制器故障；②軟件控制。

（3）控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CS1D在控制層采用Controller Link網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)CLK），用于主站PLC與各分站PLC之間的通信。CLK網(wǎng)絡(luò)采用N∶N令牌總線(xiàn)或光纖環(huán)網(wǎng)，從而應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障能力較強(qiáng)。CLK網(wǎng)絡(luò)通信速率恒定為2Mb/s，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為62個(gè)，采用光纖通信時(shí)最大距離為30km。選用數(shù)據(jù)鏈接表方式實(shí)現(xiàn)PLC之間的通信簡(jiǎn)單易行。在CS1D機(jī)架上可以組成CLK冗余通信，兩塊CLK通訊模塊一主一備，一旦主通訊模塊故障或拔出，備用模塊立刻工作。

（4）特點(diǎn)。①CPU的數(shù)據(jù)交換通過(guò)機(jī)架底板電路。②通常將I/O模塊直接配置在CPU機(jī)架或者擴(kuò)展機(jī)架上，I/O交換速度快。

2.2 SCHNEIDE （施耐德）

表2 雙機(jī)熱備配置表

（1）I/O配置說(shuō)明。Quantum雙機(jī)熱備不允許在CPU機(jī)架上安裝I/O模塊。本地I/O不在冗余系統(tǒng)處理范圍中。Quantum的I/O模塊均可以帶電插拔，可以預(yù)置狀態(tài)。

對(duì)于RI/O配置的規(guī)定：從站+從站擴(kuò)展，輸入64字及輸出64字限制。

對(duì)于一個(gè)機(jī)架的模塊配置正常與否，只要考慮模擬量輸入/輸出或熱電阻/熱電偶模塊的數(shù)量即可。

（2）控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Schneider有多種協(xié)議可在控制層和設(shè)備層中應(yīng)用，如：Modbus、Modbus Plus、S908等，但對(duì)于Quantum雙機(jī)熱備系統(tǒng)中，設(shè)備層只能使用RI/O S908協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布I/O。

專(zhuān)用的S908總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，速率1.5Mbps，最多可以連接31個(gè)從站。使用RG-6電纜，總線(xiàn)電阻75?，如果從站距離主站太遠(yuǎn)，可以使用RG-11或半剛性電纜，也可以使用光電轉(zhuǎn)換器。因其使用了專(zhuān)用協(xié)議，不具備開(kāi)放性。

（3）特點(diǎn)。①采用先進(jìn)的同步機(jī)制；②系統(tǒng)切換時(shí)間小于100ms，通常低于20ms～30ms；③性能更強(qiáng)，得益于高端CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，集成工作內(nèi)存；④人性化設(shè)計(jì)，易于使用，內(nèi)置鍵盤(pán)，程序自動(dòng)傳送，不需要單獨(dú)的冗余軟件選件包。

2.3 AB （羅克韋爾）

表3 雙機(jī)熱備配置表

（1）I/O配置說(shuō)明。ControlLogix雙機(jī)熱備不允許在CPU機(jī)架上安裝I/O模塊。本地I/O不在冗余系統(tǒng)處理范圍中。對(duì)于模塊的I/O配置沒(méi)有特殊的規(guī)則限制，僅需要考慮機(jī)架電源模塊對(duì)I/O模塊的供電負(fù)荷。ControlLogix的I/O模塊支持帶電插拔，支持預(yù)置狀態(tài)。

（2）雙機(jī)熱備的切換條件。當(dāng)主機(jī)架上的任一組件發(fā)生故障，控制權(quán)切換至從控制器：①主機(jī)架掉電；②控制器產(chǎn)生主要故障；③主機(jī)架上任一模塊被拔掉，安裝或出錯(cuò)；④折斷或斷開(kāi)ControlNet分接頭；⑤折斷或斷開(kāi)以太網(wǎng)電纜；⑥主控制發(fā)出切換命令；⑦RsLinx軟件發(fā)出命令。

（3）控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雙機(jī)熱備系統(tǒng)在控制層使用ControlNet協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備系統(tǒng)與其他獨(dú)立PLC進(jìn)行控制數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，在設(shè)備層也可以使用ControlNet協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O采集。單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最大支持99個(gè)站點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有最小距離限制。通訊總線(xiàn)可選擇環(huán)網(wǎng)，介質(zhì)可冗余，支持本質(zhì)安全。ControlNet網(wǎng)絡(luò)速率為5M。ControlNet是開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，任何符合ControlNet規(guī)范的從站理論上都可做ControlLogix的RI/O。

（4）特點(diǎn)。①雙機(jī)架完全獨(dú)立，每個(gè)機(jī)架上的CPU、通訊等模塊均可以熱插拔；②I/O跟CPU不能放在同一個(gè)機(jī)架上；③電源冗余需要另外設(shè)置軟硬件；④主站和從站上模塊的位置必須要對(duì)應(yīng)，不能有不同；⑤作冗余網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候只能用ControlNet。

2.4 SIEMENS （西門(mén)子）

表4 雙機(jī)熱備典型配置表

（1）I/O配置說(shuō)明。S7-400H雙機(jī)熱備允許在CPU機(jī)架上，以及另一側(cè)CPU機(jī)架上安裝I/O模塊。對(duì)于模塊的I/O配置沒(méi)有特殊規(guī)則限制，僅需要考慮機(jī)架電源模塊對(duì)I/O模塊的供電負(fù)荷。ET200M需要特殊有源底板才能支持帶電插拔。S7-400H的I/O支持冗余：當(dāng)只能由其中一個(gè)冗余處理單元訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)輸入/輸出模塊時(shí)，稱(chēng)單向I/O模塊。當(dāng)過(guò)程信號(hào)只有一個(gè)輸入/輸出模塊時(shí)就稱(chēng)為單通道I/O。相對(duì)的，當(dāng)有一個(gè)以上輸入/輸出模塊可用于單個(gè)信號(hào)處理時(shí)，稱(chēng)冗余I/O。它可以單向或雙向連接。當(dāng)一個(gè)輸入/輸出模塊可以由容錯(cuò)系統(tǒng)上的所有冗余中央處理單元訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，稱(chēng)雙向I/O。

（2）雙機(jī)熱備的切換條件。當(dāng)主機(jī)架上發(fā)生下列故障，控制權(quán)切換至從控制器：①主機(jī)架掉電；②主機(jī)架電源模塊故障；③控制器故障；④主機(jī)架上同步子模塊被拔掉或出錯(cuò)；⑤主機(jī)架上同步子模塊的光纖被拔掉；⑥主機(jī)架上的PROFIBUS-DP模塊故障；⑦如果使用擴(kuò)展機(jī)架，IM460和IM461模塊故障或拔出；⑧軟件發(fā)出切換命令。

（3）控制層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在控制層、設(shè)備層都可使用Profibus DP來(lái)進(jìn)行PLC間的數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程RI/O采集。從站可以使用S7-300的I/O，加ET200的Profibus DP從站通訊模塊，同時(shí)可以使用兼容廠(chǎng)家的模塊。Profibus在100m內(nèi)是可以實(shí)現(xiàn)12M速度，可以做9次中繼。每個(gè)ET200從站可以接8個(gè)I/O模塊。

（4）特點(diǎn)。①數(shù)據(jù)跟蹤大小無(wú)限制，雙環(huán)系統(tǒng)同步光纖實(shí)現(xiàn)了傳送速度快和較長(zhǎng)的距離；②使用已經(jīng)完善的Profibus DP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，大量的標(biāo)準(zhǔn)部件可使用；③熱備的兩部分是完全獨(dú)立?？梢苑殖?個(gè)機(jī)架，也可以放在一個(gè)機(jī)架上，但每個(gè)機(jī)架在電氣回路上是完全獨(dú)立的。④可以對(duì)任何一個(gè)機(jī)架的任何模塊熱插拔。

3 結(jié)語(yǔ)

礦業(yè)生產(chǎn)包括開(kāi)采、掘進(jìn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、安全、排水、供電、洗選等多個(gè)環(huán)節(jié)。目前對(duì)固體礦業(yè)安全性要求越來(lái)越嚴(yán)格，這就要求重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)必須具備極高的可靠性，所以在重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用PLC冗余控制，進(jìn)行安全生產(chǎn)是非常合適的選擇。