冗余控制系统
双重冗余PLC控制系统的可靠性与可用性研究
０ 引言
随着现代工业 自动化 的迅速 发展 ， 矿企业对 生 工
硬件冗余是指通 过热备或冷备系统硬件实现冗余控制 所需要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。 Ｐ Ｃ控制器是面 向工业现场过程控 制而专 门设计 Ｌ 的， 应用于可靠性要求较 高的控 制系统 中， 可以满足大
产设备及控制系统 的可靠 性要求 也越来越 高 ， 如何 提
高系统的可靠性逐渐成为人们共 同关注的课 题。在 工
程设计中 ， 采用控制 器 （ Ｐ 冗 余控 制技术 是提高控 Ｃ Ｕ） 制系统可靠性 的有效方法 和主要措施 。Ｃ Ｕ冗余控制 Ｐ 使得系统在运行 时不受局部 单一故 障 的影 响 ， 可实 现 在线维护 ； 同时 ， 故障部件离线 修理时也不影 响系统正
双重冗余 Ｐ Ｃ控制 系统的可靠性与可 用性研 究 Ｌ
刘 冲 。 等
双 重 冗 余 Ｐ Ｃ控 制 系 统 的 可靠 性 与可 用 性研 究 Ｌ
Ｒ ｓ ａ ｃ ｎ Ｒｅｉｂｉ ｙ ａ ｄ Ａｖ ｉ ｂｌｙ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ｔＰ Ｃ Ｃｏｎ ｒ ｙ ｔ ｍ ｅ ｅ ｒｈ ｏ ｌ ｌ ｎ ａｌ ｉｔ ｆＤｕ ｌＲ ｄｕ ｄ ｎ Ｌ ａ ｉ ｔ ａ ｉ ｔｏｌ ｓｅ Ｓ
Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ： Ｐ ｇａ ｏ ｒ ｒ ｍｍａ ｌ ｏ ｉ ｏ ｔｏｌｒ Ｎｕ ｌａ ｗｅ ｌｎ Ｒｅ ｕｎ ａ ｔｃ ｎｒｌ Ｒｅｉ ｉｉ Ａｖ ｉａ ｌｔ ｂ ｅｌｇｃ ｃ ｎｒ ｌ ｅ ｃｅ ｒｐｏ ｒｐａ ｔ ｄ ｄ ｎ ｏ ｔｏ ｌａ ｌｔ ｂ ｙ ａｌｂｉ ｙ ｉ
ｈｉｈ ｒｒｌ ｂｌｔ ｎ ｖ ｉａ ｉｔ ｎ ｅｓｔｅｒ ｑ ｉｅ ｎｓｏ ｉｈｙ ｒ ｌ ｂｌ ｎ ｕ ｔ ａ ｏ ｔ １ ｇ ｅ ｅｉ ｉｉ ａ ｄ ａ ａｌｂｌｙ ａ ｄ ｍｅ ｔ ｈ ｅ ｕｒ ｍｅ ｔ ｆｈｇ ｌ ｅｉ ｅｉ ｄ ｓｒ ｌｃ ｎｒ ． ａ ｙ ｉ ａ ｉ ｏ
大屏幕显示系统双主机冗余控制设计与应用
现故障时立即启用备用计算机继续故障，
主 机在工 作 中出现致 命 问题 不能恢 复时 ， 自 障、大屏幕显示控制故障。
动切换由另外一台主机接管，保证两个主机
不在 同时 出现故 障时不影 响系统 正常工作 。
目前 ，控 制 系 统冗 余 通 常 采 用 并联 结 业 以太网中 。Ｈ Ｉ Ｍ 计算机通过工业 以太 网 故 障 时 停 止 发 送 心 跳 数 据 ， 此 时 对 方 计 构 ，如图１ 所示。并联结构的热备冗余是使 与Ｐ Ｃ Ｌ 通讯读取数据 ，大屏幕显示 系统通 算 机 无 法 正 常 接 收 到 心 跳 数 据 时 ， 系 统
若干同样单元并联运行，只有当组成系统的 过本地Ｄ Ｅ Ｄ 获取大屏幕显示数据 ，然后 通 进 行冗 余切换 ，并开 始 由切换后 计算机
并联 单元 全部失 效时系 统才会停 止工作 。 过 工业 以太 网将 数 据 发送 给 大 屏 幕 。 发送心跳数据。 软件 冗 余 工作 机 制 为 两 台 计算 机 同时
【 关键词】冗余；大屏幕显示控制系统
１ 引言 ．
备旁 比较醒 目的位置 ，显示 重要 过程数
两 台Ｈ Ｉ Ｍ 系统 分 别 以Ｄ Ｅ Ｄ 数据 接 口发送
在 工 程 应 用 中 ，室 内外 大屏 幕 显 示 屏 据 ， 指 导 操 作 员 进 行 机 旁 设 备 操 作 。 因 实 时 数据 给 大 屏 幕 显 示系 统 ， 同时 发送 运 基本 由计算机来完成数据接收与显示控制工 此 该 系 统 稳 定 运 行 ，显 得 尤 为 重 要 。 行状 态 信 号供大 屏 幕 显示 系统 自动 判 断Ｈ Ｉ Ｍ
２２ 无 线 传 感 器 网 络 的特 点 ． ２ ２ １ 传 感 器 节 点 体 积 小 ， 成 本 ．．
S7-400冗余系统
2007，页码 10
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自动化与驱动集团
相对于竞争对手的优势
西门子自动化 创新之旅
高可用性系统 初始情况 解决方案 内容摘要
竞争对手的情况
当出现总线故障时，后备 CPU 可接管 全部控制功能 必须专门编制程序（有限制） 更换 CPU 之后必须重新编程 （手工复制）
目录
便于实现“故障安全”的控制器
高可用性系统
2007，页码 2
© 西门子股份公司 2007 - 保留进行变更的权利
Automation and Drives
SIMATIC S7- 400H 可实现最高级别的可用性
西门子自动化 创新之旅
高可用性系统 初始情况 解决方案 易于设计
易于设计
编程方法与非冗余式系统一样 可以使用所有 S7 编程语言 便于连接到过程控制系统 PCS7
高可用性系统
Байду номын сангаас
XX/2005, Seite 1
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自动化与驱动集团
用户要求以较少的花费与成本，达到最高级别的 可用性
西门子自动化 创新之旅
高可用性系统 初始情况 解决方案 内容摘要
您打算 …
避免因控制器故障而出现成本昂贵的停机时间 （生产效率） 避免设备停机后高昂的重新启动成本（数据损失） 在设备或者机器停机时保护您的设备与工件（投 资保护） 无需监视或者维护人员即可运行
目录
仅配置所需要的性能
高可用性系统
2007，页码 8
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冗余设计在PLC控制系统中的应用
机床 电器 ２０ ． ０７３
计 算机 ・ Ｌ Ｐ Ｃ应 用——冗余设计 在 Ｐ Ｃ控制 系统 中的应用 Ｌ
冗余 设 计在 Ｐ Ｃ控 制 系统 中 的应 用 Ｌ
赵 中敏 （ 淮海 工学 院东 港学 院 ，２ ０ ９ ２ ２６ ）
摘要 ： 在实施工业生产 自动化的过程 中， 容错 技术 是一种满足连续生产要求 ， 高控 制系统可 靠性和可用 性的有 提 效 手段 。本文 以容错技术 中的关键设计 技术——冗余 设计在 Ｐ Ｃ控制系统 中的应用为例 ， Ｌ 简单介 绍 了几种冗 余控制 的类 型和实现方式 ， 并对 Ｐ Ｃ控 制系统中常有 的处理器冗余 、 Ｌ 通信冗 余 、 ０冗 余和 电源冗余等类 型的冗余 ， Ｉ ／ 从原 理 、 实现方式等方 面进行 了分 析和 比较 。 关键词 ：Ｌ Ｐ Ｃ系统 ； 可靠性 ； 容错技术 ； 冗余设 计
１ 容错技术
容错技术能够 自动 、 时 地监 测并 诊断 出系统 的 适 故障 ， 然后 采取相应 的故障控制或 处理方法 ， 自动修 复
０ 引言
Ｐ Ｃ系统要正常地 发挥 其功能 ， Ｌ 首先必 须稳定 、 可 靠地 工作 。可靠 性是 系 统和 产 品 的主要属 性 之一 ， 是 考虑 到时间因素 的产 品质量 ， 于提高系统 的有效性 、 对
的 固有故 障 ， 如元器 件生产过程 中造成 的故障 ， 对其 需 拆卸、 更换 、 或改正 ； 类故障是后 天 的永 久性 、 另一 瞬间
ＺＨＡ０ ｏ ｇ ｍｉ Ｚｈ ｎ — ｎ
（ ｏｇ ａｇＣ ｌ ｇ ，Ｈ ａ ａ ｓ ｔｔ ｏ ｅｈ ｏｏｙ ２ ２ ６ ） Ｄ ｎ ｇｎ ｏ ｅｅ ｕ ｉ ｉ ｎｔｕｅ ｆ ｃ ｎ ｌ ， ２ ０ ９ ｌ ｈ Ｉ ｉ Ｔ ｇ
一种热冗余控制方法
一种热冗余控制方法热冗余控制（Hot Redundancy Control）是一种常用于提高系统可靠性的技术手段，通过备份冗余组件来保证系统在故障发生时能够快速切换并继续正常运行。
下面我将详细介绍热冗余控制的原理和一种实现方法。
热冗余控制的原理是在系统中引入冗余组件，当主组件发生故障时，自动启用备份组件来继续提供服务，以此来提高系统的可用性。
热冗余控制一般可分为硬件冗余和软件冗余两种形式。
硬件冗余通过备份多个硬件设备来防止单点故障，常见的实现方式包括：冗余电源、冗余网络、冗余存储、冗余通信等。
软件冗余则是通过复制软件组件并保持状态同步来实现，一旦主软件组件发生故障，备份软件组件可以立即接管工作。
一种常见的热冗余控制方法是双机热备（Hot Standby）方式。
该方法通过在主系统和备份系统之间建立心跳连接，实时监测主系统的健康状态。
当主系统发生故障时，备份系统立即接管工作。
具体的实施步骤如下：首先，在系统架构的设计阶段，需要将系统模块进行分离，确保主备组件可以独立运行。
同时，通过使用专用硬件设备（如交换机、路由器等）来提供可靠的网络通信环境，以保证主备系统之间的数据同步和故障监测。
其次，在软件层面上，需要设计合理的决策算法来实现主备切换。
例如，可以使用心跳检测机制来监测主系统的状态，当主系统失去响应时，备份系统会立即接管工作。
此外，还需要设计数据同步机制，保证在主备切换时，备份系统可以准确恢复到主系统的状态。
第三步，需要实现检测和切换的自动化。
在系统监控模块中，设置心跳检测机制，定期向主系统发送请求，并根据响应时间来判断主系统是否正常工作。
当主系统故障时，自动触发切换操作，备份系统接管工作，继续提供服务。
最后，在应用层面上，需要设计适应主备切换的应用程序。
例如，在数据库系统中，可以使用数据库复制技术来实现数据同步，并在主备切换时，通过配置故障检测和切换策略来确保数据的一致性和完整性。
总结起来，热冗余控制是一种常用的提高系统可靠性的方法，通过引入冗余组件来保证系统在主组件发生故障时能够快速切换并继续运行。
谈谈西门子S7-400冗余控制的优势
谈谈西门子 S7-400冗余控制的优势摘要：在本篇文章中，主要对西门子S7-400冗余PCL控制系统整体结构进行了简单的论述，提出了西门子S7-400冗余控制的基本优势以及总结了PLC系统维修方式，经过相关探究表明，科学合理的使用相关方式有利于将故障彻底排除，从根本上提升操作技能。
关键词：西门子S7-400；冗余控制优势当前阶段，西门子S7-400冗余控制系统因为优势极高而在工业领域内得到了普遍的应用，其功能特别强大，冗余设计和程序设计有着繁琐性特征，对于相关技能提出了十分严格的要求，在出现故障以后无法快速的定位和将故障彻底排除。
在本篇文章中简单论述了S7-400冗余控制系统整体结构，总结了该项系统的操作方式，将故障有效解决。
1、PLC的概念基于计算机和数字通信技术的创新和改进，计算机控制在所有工业领域内得到了普遍的应用。
当代社会明确要求制造行业快速对市场需求加以反应，生产出小批量和多品种以及质量较高的成本，为了与该项需求相符合，生产设备和自动生产线的控制系统应当体现出可靠性和灵活性的特征，可编程序控制器正是在这一要求的基础上形成的，以微处理器微为主的通用工业控制装置，可编程序控制器被简单称之为PLC，具备应用面积广、功能强大、使用便利等一系列特征。
可编程序控制器和有关设备都应当使工业控制系统形成十分统一的整体，正弦扩充功能的基本原则加以设计。
在发展领域中，PLC被广泛应用到了工业部门中，伴随着性能价格比的提升，应用范围随之拓展和延伸，比如PLC使用专门的指令或者运动控制模块，有效的控制直线运动或者圆周运动的位置，能够实现单独和多轴联动的位置控制，将运动控制和顺序控制功能全面结合到一起。
PLC运动控制功能被广泛用到了各项机械中，比如金属切削机床、金属成型机械等。
2、S7-400的组成结构以及特征体现S7-400是一项有着中高档性能的PLC，主要是采取模块化无风扇设计，适合应用可靠性要求非常高的复杂控制系统，机架用于对模块加以固定，提供模块工作电压和实现局部接地，通过信号总线把不同模块相互连接到一起，将S7-400的模块插座焊接到机架的总线连接板中。
PLC冗余的分类及区别
在工业系统中，对关键的、危险的或停止（故障）后对人员安全或设备损伤有重大隐患的控制部分经常使用冗余控制器或冗余系统。
下面就让艾驰商城小编对PLC冗余的分类及区别来一一为大家做介绍吧。
PLC冗余可以分为软件冗余和硬件冗余两种。
硬件冗余实现方式下对硬件型号有所要求，连接方式也不同，但对软件并无特殊要求。
总是一个为master，另一个为slave。
slave从master拷贝所有数据备用。
系统监测到master异常时，自动无间隙实现slave的投入。
软件冗余投资不会太大，通过软件设计实现数据的读取、备用，监测到异常时自动切换。
有些场合，也有人按照冷冗余、暖冗余和热冗余来区分。
参考SIEMENS 硬件，有两个型号支持冗余：CPU414H 和CPU417H。
相比之下，后者速度更快、容量更大；但是价格要贵很多哦！SIEMENS上述PLC支持同一底板上两个PLC冗余或不同底板上两个PLC 的冗余，通过子卡配合光纤实现。
系统组态、调试、投入后，我试着手动“stop”正在运行的PLC-master，系统实现了无间隙切换。
效果很理想。
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基于DCS系统冗余技术实现
基于DCS系统的冗余技术实现摘要：冗余，也就是备份。
在工业控制或在航空、航天领域，为了提高设备运行的可靠性，一般都使用冗余的技术。
本文主要介绍冗余技术在dcs系统中的应用。
关键词：冗余dcs系统中图分类号： tl503.6 文献标识码： a 文章编号：0 前言dcs系统是石油、化工、电力、冶金等领域中广泛使用的一种控制系统，主要对现场的温度、压力、流量、液位等参数进行显示和控制，对于某些涉及安全环保、产品质量的工艺参数需在软、硬件发生故障时自动切换到备用软、硬件设备上，这种能在发生故障时自动切换到备用的软、硬件设备上，而不影响原有系统运行状态的技术，称为冗余技术。
dcs系统硬件冗余主要在以下几个方面实现：1 电源冗余电源冗余就是对dcs供电的交流电、直流电进行冗余，主要由以下4个层次：1.1系统电源冗余dcs的系统电源一般为220v的交流电，为了保证在市电断电情况下，能继续对现场的压力、温度等参数进行监控，故一般采用ups 对系统进行供电。
ups是一种独立于控制系统的设备，它一般由电池组、整流器、逆变器、高速电子切换开关等组成。
ups工作原理图如下：图1.1 ups工作原理图fig.1.1 ups principle figureups的基本原理：正常情况下由市电给dcs系统供电，给电池充电，而在市电故障时，在断电后很短的时间内（ms级），由电池组通过逆变器对系统供电，保证系统不掉电，能继续运行。
对某些要求更高可靠性的系统，采用多台ups并机均流方式，这样可以几台ups同时给控制系统提供220v电源，当一台ups出现故障后，并机控制程序自动将该台ups关机，其原负载由剩余的的ups按照比例平均分配。
1.2控制器电源控制器的电源一般为24v直流电源，它将ups送来的220v交流电经过转换成24v电源供控制器使用，而电源转换器为了保证运行安全，一般也采取冗余技术，即使用二个电源转换器，当一个发生故障时，另一个能正常使用。
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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
冗余控制系统概述
•
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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。
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。
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）
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。
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。
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
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
• 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。
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）。