PLC软冗余在通风机监控系统中的应用.pdf

第 4 O卷 第 1期 2 0 1 4年 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 0 No ． 1 J a n ．2 0 1 4 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 1 0 0 9 3 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 5 王前进 ， 马小平 ， 张守 田． P L C软冗余在通风机监控系统 中的应用E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 4 ， 4 0 I 9 3 9 6 ． P L C软冗余在通风机监控系统中的应用 王前 进 ， 马 小平 ， 张 守田 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对现 有 的通风 机监 控 系统 采用单 个 P L C控 制整 个 系统运 转 而 存在 安 全 隐患 的 问题 ， 提 出 了采 用 2个 P LC组成 软 冗余 系统 的方案 一 个 PLC作 为 主站 ， 控 制 整 个通 风 机 监控 系统 ， 执 行 不 需要 进行 数 据 同步的 非 冗余 程序 和 完成控 制 功 能 、 报 警 、 模 拟 量 的 冗余 程序 ； 另 一 个 P L C作 为 备 站 ， 只 执行 非 冗余 程 序 。 P L C软 冗余 系统 的应 用提 高 了通 风机 监控 系统 的 可靠性 ， 满足 了安 全 生产 需要 。 关 键 词 通 风机 ；监控 ；软 冗余 ；主站 ；备站 ； P L C； MC GS 中 图分 类 号 TD 4 4 1 ／ 6 7 文 献标 志码 B 网络 出版 时间 2 0 1 3 1 2 3 1 0 9 5 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ i ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 5 ． h t ml Ap pl i c a t i o n o f PLC s o f t r e d u nd a nc y i n mo n i t o r i n g a nd c o n t r o l s y s t e m f o r v e nt i l a t o r WANG Qi a n j i n， MA Xi a o p i n g， ZHANG S h o u t i a n S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of s a f e t y pr o bl e m e xi s t e d i n mon i t o r i ng a nd c o nt r o l s ys t e m f o r ve n t i l a t or t ha t u s e s a s i ngl e PLC t o c ont r ol o pe r a t i o n，a s c he me o f s o f t wa r e r e d un da n c y c o mpo s e d by t wo PLCs wa s p r o p os e d i n t he p a pe r．On e PLC i s us e d a s m a s t e r s t a t i o n，c o nt r ol s t he ve nt i l a t o r c o nt r o l s y s t e m ，a nd c a r r i e s o ut n on r e du nd a nt p r o g r a m wh i c h do e s no t n e e d da t a s yn c h r o n i z a t i o n p r oc e s s a nd c o mpl e t e s r e du nd a nc y pr o gr a m o f c on t r ol f un c t i on s， a l a r m ， a n a l og； a nd t h e o t he r PLC i s us e d a s r e s e r v e s t a t i on t o pe r f o r m o nl y n on r e du nd a n c y pr o gr a m ． Th e a pp l i c a t i o n of PLC s of t wa r e r e d un da n c y s y s t e m i m pr o v e s r e l i a bi l i t y o f mon i t o r i ng a nd c o n t r ol s y s t e m f o r v e n t i l a t or ，a nd me e t s n e e ds o f s a f e t y pr o du c t i on． Ke y wo r d sv e nt i l a t o r； mon i t o r i ng a nd c o nt r o l ； s of t r e dun d a nc y； m a s t e r s t a t i on； r e s e r v e s t a t i on； PLCM CGS 0 引言 通风 机监 控 系统是 矿井 安全 生产 不可 缺少 的设 备 ， 肩负着抽取井下污浊气体 、 向井下输送新鲜空气 的使命 。现有的某矿通风机监控系统采用传统 的控 制方 法 ， 即单个 P L C控 制整 个 系统 的运 转 。 由于 现 场 引 入 的信 号 较 多 ， 当 系统 发 生 故 障 时 ， 单 个 P L C 控制系统会转为死机状态 ， 不利于矿井的安全生产 与矿井工作人员 的生命安全l 1 ] 。为此 ， 笔者对该通 风 机监 控 系统进 行 了改 造 ， 提 出 了采用 2 个 S 7 3 0 0 P L C组 成 双 P L C软 冗 余 系 统 的方 案。该 2个 P L C， 一 个 作 为 主 站 ， 对 远 程 I ／ O 站 具 有 控 制 权 ， 另一 个作 为备 站 ， 当主站 发生 故 障时 ， 立 刻转 交控 制 权 ， 备 站作 为 当前 C P U 继 续履 行监 控任务 。 1通风 机监控 系统 通风 机监 控系 统是基 于上 位机 组态 软件 组态 王 6 ． 5 3版本 、 工 业 以太 网和 S 7 3 0 0系列 P L C的 自动 控制 系统 ， 可 实现 对 2台通 风 机 和 4个 百 叶 窗式 风 门 的 自动 控制 ， 系 统通 信 网络 结 构 如 图 1所 示 。该 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 7 ； 修 回日期 2 0 1 3 1 0 2 1 。 基金项 目 高等学校博士学科点专项科研基金项 目 2 0 1 2 0 0 9 5 1 2 0 0 2 3 ； 江苏省博士后基金项 目 1 i 0 1 1 0 7 C 。 作者简介 王前进 1 9 8 7 一 ， 男 。 江苏徐州人 ， 硕士研 究生 ， 主要研究方 向为控制理论与控制工程 ， E ma i l 7 9 4 3 1 8 5 5 8 q q ． c o rn。 9 4 工矿 自动化 2 0 1 4年第 4 0卷 系统 采用 一主 、 一 备 的组成 结构 ， 以硬件 和软 件结合 的方式实现在故障发生时主备系统 的切换。相对传 统 的倒 机 方式 ， 实 现 了瓦斯 不 超 限 及风 量 的平 稳过 渡 ， 并提高了系统 的可靠性 。 O 图 1 通 风机 监 控 系统 通 信 l网络 结 构 2 P L C软冗余 系统 的软 、 硬 件 配置 P L C软冗余系统是一种性价 比较好 的冗余方 式 ， 具有 相 当高的安 全系数 ， 满 足工业 现场生 产 的需 要 。所需 的配 置如下 1 1套 S T E P 7编程 软 件 V5 ． 5 加 软 冗 余 软 件包 V1 ． x 。 2 2套 C P U3 1 5 2 P N／ D P V3 ． 1 中央处 理器 模块 。 3 2套 C P 3 4 2 5通 信 模 块 ， 实 现冗 余 数 据 同 步传 输 。 4 1套 E T2 0 0 M 从站 ， 包 括 2台 I M1 5 3 2接 口模 块和 若干个 I ／ O模块 。 5 4套 电源模块 ， 2套 为 2个 P L C供 电 ， 另 外 2套 为 2个 I M1 5 3 2单独供 电 。 6 5条 通 信 链 路 ， 用 于上 位 机 编 程 和控 制 的 MP I链 路 ；主 站 与 E T 2 0 0 从 站Ma s t e r L i n e P r o f i b u s链 路 ； 备 站 与 E T2 0 0从 站 S l a v e L i n e P r o f i b u s 链 路 ； 主 站 与 备 站 之 间 进 行 数 据 同 步 的 sy nc hr o ni z a t i 0 n L i n e P r o f i b u s 链路 ； 主站与备站之 间通 过工 业交换 机 的 E t h e r n e t 链路 ； 7 除 此 之 外 还 配 备 了有 源 总 线 模 块 的 D I N 导 轨 、 工 控 机 、 P r o f i b u s电 缆 、 P r o f i b u s总 线 连 接 器 等 。 P L C软冗余 系统 由 2套 P L C控制系统组 成。 一 套 为 主站 ， 一套 为备 站 。 上 电运 行 时 ， 主 、 备 站 自 动调用 诊断程 序 ， 相 互 交 换各 自的状 态信 息 。根 据 以太 网通信模 块 C P 3 4 2 5显 示 的指示 灯 可 以判 断 出哪组 P L C 系 统 为 主 站 ， 可 以人 为切 断 主 站 P L C 的 电源 。若 主站 P L C的运行 模 式 改为 S TO P， 或 者 系统组件出现问题 ， 例如 2套 P L C系统通信错误 、 由于 长时 间没有 维 护修 理 而 导致 的线 头脱 落 、 通 风 机掉 电 、 风 门没 有 关 闭 等 ， P L C软 冗 余 系统 会 自动 切换 到备 站 中去 。这 时 ， 原先 的备 站变为 主站 ， 主站 变为备站。系统运行过程 中， 即使没有任何组件 出 错 ， 也 可人 为通过 设定 控制字 ， 完成 主 、 备 站 的切 换 。 3 P L C软冗余 系统 工作原 理 P L C软 冗 余 系 统 正 常 工 作 时 ， A、 B两 套 P I C 控制系统 电源 、 P L C、 通信、 I M1 5 3 2模块 独立运 行 ， 由主站 P L C控制 整 个 通 风 机监 控 系统 ， 执 行 不 需要进行数据同步的非冗余程序和完成控制功能 、 报警、 模拟量的冗余程序 ， 而备站 P L C只执行非冗 余程序。若 A为主站， 则 B为备站 。A、 B两个控制 站相互 交换 信息 ， A站 向 B站发 出询 问 ， B站将 自己 的状态信息复制到 A站 ， A站分析从 B站获取的信 息 ， 并将冗余备份 的数据复制到 B站中。B站 P L C 通过 P r o f i b u s总线 检 测 A 站 P L C 状态 ， 随 时 准 备 接替 A站 P L C继续工作l_ 3 ] 。工作原理如图 2所示 。 开始 网络通信 ● Y 也 址一致 图 2 P L C软冗余 系统工作原理 主、 备站的切换时间 一 故障诊断检测 时问 同步数据 传输 时 间 DP从 站 切 换 时 间 。数 据 同 步所 需要 的时 间取决 于 同步 数据 量 的大小 和同步 所 采用 的 网络 方 式 ， 系 统采 用 的 是 P r o f i b u s方 式 ， 满 足 系统所传 输 的数据量 和速 度要 求 】 。 圊 一 2 0 1 4年 第 1 期 王前进 等 P L C软 冗余 在 通风机 监控 系统 中的应 用 9 5 4 P L C软 冗余 系统 设计 4 ． 1 软 冗余 程序 设计 软件 安 装完 毕 后 ， 首 先 进 行 硬件 的组 态 。组 态 步骤 如下 1 软冗余的程序由程序和硬件组态 2部分组 成 ， 根据 以上 所需 的硬 件配 置 、 正确 的 网络连 接方 式 以及 实 际的组 态地 址 ， 获得 系统 的 网络组 态结 构 。 P L C软冗余系统的网络结构如图 3所示。 Et h e me t I n d u s t r i a l E t h e me t MP I 1 M PI M a s t e r Li n e P r o fib u s S l a v e L i n e P r o fib u s S y n c h r o n i z e Li n e P r o fib u s l l s l M 、 1 n n I r 一 l- | _ I 田 I _ l mly l 图 3冗 余 系统 l网络结 构 2 由 于 P L C软 冗 余 系 统 没 有非 冗 余 数 据 需 要传输 ， 所 以 OB 3 5 定 时中断组织块 作为冗余程 序 的主程序 。OB 3 5调用 F B I O 1将系统 中的冗余数 据 复制 到备 用 系 统 中 ； 0B 8 6调 用 F C 1 0 2完 成 模 块 诊 断 和 E T2 0 0 M 切 换 功 能 ； OB 1 0 0调 用 F C 1 0 0进 行软冗余数据区的初始化[ 5 ] 。其他相关的组织块在 此 不作 赘述 ， 需 要 的 组 织 块 只需 插 入 即可 。通 过 调 用 组织 块实 现冗 余功 能 的结构 如 图 4 所 示 。 S F C2 2 S FC5 S F C4 7 Z I S F C S 0 l [ S F C 4 6 1 o B1 O O ● ． I S F C 5 1 F C1 O O 1 S F C 5 8 ● F C 1 O 2 l s F c 4 7 2 1 S F C 4 3 ● 2 1 S F C 5 9 U OB8 6 s 晒 ● F C1 O 2 ● OB3 5 - F B1 0 1 ● F B1 0 4 - 图 4通 过 调 用 组 织 块 实 现 冗 余 功 能 的结 构 3 对 OB I O 0组织块进行编程 ， 对软冗余系统 进行 初始 化 。F C I O 0主要 创 建 数 据 块 、 设 置 与 硬件 地址匹配 的组态地址信息和 同步 的数据信息 。F C 的参 数设 置如 下 CALL ” S W R START’ ’ AG KENNU NG 一 A M B LEN 一 4 DB W ORK NO 一 DB1 ’ I EC NO 一 1 1 1 DB S END NO 一 DB2 I EC LEN 一 1 DB RCV NO DB 3 DB NO 一 4 0 M PI LDR 一 2 DB NO LEN 一 0 LADDR 一 2 5 6 S LAVE NO 一 3 VERB I D 一 1 S LAVE L EN 一 1 DP M AS TER S YS I D 一 1 S LAVE DI S TANCE 一 1 DB COM NO 一 DB5 DB A B NO ； DB1 1 DP K0M M UN 1 DBl_ A B _ _ N0 一LEN 一 W 1 60 ADR K0M M UN 一 1 DB B A NO DB1 1 PAA FI RS T 一0 DB B A NO LEN 一 W 1 60 PAA LAST 一 1 RETURN VAL 一 M W 2 M B NO 一 2 0 EXT I NFO 一 M W 4 4 对 OB 3 5组 织 块 进 行 编 程 ， F B 1 0 1功 能块 分析主备系统的状态信息并将主系统中的冗余数据 复制 到备 用 系 统 当 中去 ， 实 现 了数 据 的 同步 传 输 。 O B 3 5的功能 如- F CALL ” S W R ZYK”． DB5 DB W 0RK NO 一 DB1 CALL POS I TI ON 一 TRU E RETURN VAL 一 M W 6 EXT I NF O 一 M W 8 A DB5 ． DB X9 ． 1 J COVER 0VER N0P 0 CALL ” S W R ZYK” 。 DB5 DB W ORK NO 一 DB1 CALL P0S I TI ON 一 TRUE RETURN VAL 一 MW 6 EXT I NFO M W 8 由于通风机控制的任务重 ， 设置的参数较多， 信 号 采集 较多 ， 故冗 余程 序非 常 复杂 。在此 不作赘 述 。 DB 5作 为 F B 1 0 1的背 景数 据块 ， 通过 读取 状 态 字 DB W8和控制字 DB W1 0 ， 获取系统信息或手动 切 换 主备系 统 。程 序 中 的 D B 5 ． D B X9 ． 1若 为 1 ， 表 示是备站， 则跳过冗余程序 ； 若为 0 ， 表示是主站 ， 则 执 行 主程序 。 当 c AL L P 0S I T 1 0NTR UE时 ， 主站从备站 接 收数 据 。数据 的接 收不 是 一 次 性完 成 的 ， 系统 调 用 F C 6功能 接 收 数 据 到 一 个 临 时 变 量 中 ， 再 调 用 S F C 2 O系统功 能把 数 据 拷 贝 到 存 放 接 收数 据 所 使 用 的 内部 数 据块[ 2 ] 。 当 c AL L P OS I T1 0 NF AL S E时， 主 站向备 站 发送数 据 ， 告知备 站 自己的状态 以及 冗余 的数 据 。 系统调用 F C 5发送数据 ， 先把数据发送到一个 中间 变量 中 ， 再 调 用 S F C 2 0把数 据拷 贝 到发 送 数据 所 使 用 的 内部 数据 块l_ 6 ] 。如 图 5 所 示 。 5 对 OB 8 6 组 织块 进行 编程 ， F C 1 0 2功 能 获 取从 站模 块 的状 态 、 信 息 、 执行 正 常 的主 备切 换 ， 完 成软冗余系统的诊断功能。程序如下 CALL ” SW R DI AG” DB W 0RK 1； 9 6 工矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 0卷 开始 丽 发送完 ； 琶 调用 F C 6发送数据 厂 莉蕊 调用 S F C 2 0 拷 贝数据 Y I 竺 垄 里 I 丽 I 坚 童 垦I 图 5 数据收发流程 OB86 一EVCLAS S 一 OB 8 6 一 E V CLAS S； OB86 一FLTI D 一 OB 8 6 一 F LT I D； RETURN VAL 一 M W 1 4； 最 后下 载硬件 和程序 到 P L C中 ， 完成 通 风机 监 控系统的冗余功能 。 4 ． 2 PLC软 冗余 系统组 态设计 首 先在 组 态 软 件 MC G S中创 建 MP I 连 接 ， 与 P L C软冗余系统进行连接 ， 并生成相应的变量。根 据 读取 D B 5中的状 态字 和控 制字 的 信息 ， 可 以判 断 出是 哪个 P L C作 为主站 ， 通信 是否成 功 。 5 系统 分析 5 ． 1 P L C软 冗余 系统 可靠性分 析 由于 在程 序 运行 的过 程 中 ， 时 刻 有冗 余数 据 传 输 ， P L C软冗余系统一旦发生故障， 后果严重 ， 所 以 减 少故 障发 生 的概 率是 非常重 要 的l 6 ] 。假设 一 个工 艺流程 ， 执行一个工步的时候进行了一次数据传输 ， 令 田 为同步时间内发生故障的概率。对不同工步时 间 、 不 同同步时 间 的几 种情 况进 行对 比 ， 结 果 如 图 6 所示 。 由 图 6可 知 ， 减 少 同 步 时 间 和 增 加 工 步 时 间 2种方法 可 以减 小 发 生 工 步混 乱 的概 率 ， 但 此 概 率 是不 可 以消除 的 ， 因为故 障是不 可能避 免 的。 5 ． 2 P I C软 冗余 系统存 在 的 问题 1 F B 1 0 1 背 景 数 据 块 D B 5所 生 成 的字 节 数 为 3 5 8 ， 若少于 3 5 8 ， 则会造成冗余失败。 2 由于使用的是工业交换机 ， 网线的脱 落会 造成 故 障 报 警 。故 障 诊 断 的 功 能 强 大 ， 需 去 除 OB 8 3的中断诊 断功 能 ， 增 强冗余 的实 用性 。 3 若冗余 的程序有所改动 ， 并没有生成相应 的 D B块 ， 直接 下载 即可 。若 已生 成相 应 的数 据 区 ， 则在 线删 除程 序 ， 重新 下 载 。 [[ 皿 0 2 0 40 60 8 0 l 00 工步NN／ s a 工步 时间 2 O S ， 同步时间 3 S [ 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 工步 t N／ s b 工步时间 2 0 S ， 同步时间 5 S [[[圈 0 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 工步时间／ s c 工 步 时间 5 0 S ， 1司步 时 I 5 S 图 6不同工步时间和同步时 间的情况对 比 4 若 主 、 备 站 切换 的 时 间 过 长 ， 一 旦 发 生 故 障 ， 备站得到的信息是主站故障之前 的信息， 备站有 可能 退到 主站 的那个 故 障步 执行 ， 有 可 能 发 生工 步 混乱 。 6 结语 P L C软 冗余 系统 由 2套 P L C控 制 系 统 组 成 ， 一 套 为主 站 ， 对 远 程 I ／ O 站 具 有 控 制 权 ； 一 套 为 备 站 ， 当主 站发生故 障时 ， 立 刻 转 交控 制 权 ， 备 站作 为 当前 P L C继续 履行监 控任 务 。主 、 备站 切 换 时间较 短 ， 满足 了安全 生产 的需要 。该 系统 通 过 MC GS组 态软件实 现了数据 的同步传输 。P L C软冗余 系统 已应 用在 某煤矿 通风 机监 控系统 中 ， 运 行稳 定可靠 ， 提 高 了系统 的安全性 。 参考 文献 [ 1 ] 李欣 ， 崔新雨． P L C软冗 余 系统 在 电气保 护 中 的应用 [ J ] ． 可编程 控制器与工厂 自动化 P L C F A ， 2 0 0 6 2 4 2 43 ． [ 2 ] 孟琳山 ， 马小平 ， 李全保． 矿井 主通风机 不停风倒 机控 制系统改进方案I - D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 2 ． 1- 3 ] 吕京梅． P L C软冗 余系统 的研究 与应用 [ D] ． 西安 西 安电子科 技大学， 2 0 0 8 ． E 4 ] 焦晓宇， 马小平 ， 邹孝付． 基 于 S 7 3 0 0 P L C的矿井通风 机不停 风 自动 倒机 系 统设 计 [ D] ． 徐 州 中 国矿业 大 学 ， 2 0 i l ． E 5 ] 吴新忠 ， 马小平 ， 任子晖 ， 等． 基于热备用的煤矿通风机 倒机关 键 技 术研 究 [ J ] ． 仪 器 仪表 学 报 ， 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