0 引言

    可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）^[1-2]在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域有著及其重要的作用，特別是在控制工藝流程比較復(fù)雜、被控參數(shù)較多的過程控制系統(tǒng)中，以通用PLC為核心搭建控制系統(tǒng)比專用控制器方式具有更強(qiáng)的靈活性、適用性和擴(kuò)展性^[3-4]。核心控制單元PLC的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，因此為了提高控制系統(tǒng)的健壯性，首先要提高PLC的健壯性，而在提升PLC本身健壯性的同時(shí)，引入PLC雙機(jī)冗余機(jī)制可以極大地改善控制系統(tǒng)的整體可用性^[5-6]。相比于單純提升PLC本身健壯性的方式，PLC雙機(jī)冗余方式可以達(dá)到主PLC異常故障、備PLC接管控制邏輯、控制系統(tǒng)無擾運(yùn)行的目標(biāo)，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)最大限度地消除異常故障的影響，大幅提升控制系統(tǒng)的可用性。

    目前在控制系統(tǒng)中PLC雙機(jī)冗余技術(shù)主要有兩種，即基于PLC站間通信的軟冗余技術(shù)^[7-8]和基于專用冗余通信模塊的硬冗余技術(shù)^[9-10]。前者需要用戶編寫帶有冗余功能的控制邏輯，并全程參與冗余的故障診斷判決和狀態(tài)切換，對(duì)用戶的要求較高，且由于沒有專用的冗余通信通道，冗余的數(shù)據(jù)同步和狀態(tài)切換帶有很大的滯后性。基于專用冗余通信模塊的硬冗余技術(shù)具有專用的冗余通信通道，可以有效地提升數(shù)據(jù)同步和狀態(tài)切換的實(shí)時(shí)性，但是其成本較高，且不易于維護(hù)，只能應(yīng)用到一些投入成本較高、對(duì)可靠性極為敏感的控制系統(tǒng)之中，這極大地限制了這種冗余技術(shù)的應(yīng)用和普及。

    為了克服PLC軟冗余方式中用戶工程與冗余技術(shù)的緊耦合和冗余處理遲滯問題，以及硬冗余技術(shù)中構(gòu)建成本高、維護(hù)困難的問題，需要開發(fā)一種擺脫專用冗余通信模塊限制的PLC雙機(jī)冗余技術(shù)，無需用戶參與冗余數(shù)據(jù)同步、故障診斷判決和狀態(tài)切換，靈活地實(shí)現(xiàn)高可靠、高健壯性的PLC雙機(jī)冗余功能，降低PLC雙機(jī)冗余控制系統(tǒng)的構(gòu)建成本。

    本文利用MAC（Medium/Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）控制器作為冗余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步收發(fā)器，構(gòu)成PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了與用戶控制邏輯無關(guān)的故障診斷判決和主備機(jī)切換機(jī)制，以及無需用戶參與的冗余狀態(tài)機(jī)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制，可有效提升PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的易用性，且能極大地提升冗余系統(tǒng)的運(yùn)行性能。下面將從總體方案設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)所提出的PLC雙機(jī)冗余方法及系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 總體方案

    PLC雙機(jī)冗余的雙方為冗余主機(jī)和冗余備機(jī)，冗余雙方內(nèi)部均包含MAC控制器芯片作為冗余通信的收發(fā)器，PLC雙機(jī)冗余的雙方搭載獨(dú)立于用戶控制邏輯的故障診斷判決和主備機(jī)切換機(jī)制，圖1為PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的組成框圖。

    整個(gè)PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)包含兩個(gè)完全一樣的PLC控制器，以及多個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象連接的從站模塊，由此構(gòu)成了PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。其中冗余控制器由主控單元、基于MAC的冗余通信單元以及現(xiàn)場(chǎng)總線主站組成，主控單元與現(xiàn)場(chǎng)總線主站之間通過雙口RAM連接，而作為冗余通信單元核心的MAC控制器直接掛到主控單元CPU的總線上。冗余控制器都帶有兩個(gè)獨(dú)立的MAC，分別為MAC0和MAC1，其MAC地址不一樣，所有控制器的MAC0都共用一個(gè)MAC地址，所有控制器的MAC1也都共用一個(gè)MAC地址。組成PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的兩個(gè)控制器在物理上通過交叉方式構(gòu)成冗余連接，即冗余控制器A的MAC0接冗余控制器B的MAC1，冗余控制器A的MAC1接冗余控制器B的MAC0，如圖1所示。冗余連接通信的方向永遠(yuǎn)是從MAC0到MAC1，比如冗余控制器A向冗余控制器B發(fā)送請(qǐng)求要經(jīng)過冗余控制器A的MAC0到冗余控制器B的MAC1，冗余控制器B在MAC1上接到來自于冗余控制器A的請(qǐng)求后，會(huì)通過自身的MAC0向冗余控制器A的MAC1發(fā)送響應(yīng)。從站模塊通常包含I/O模塊以及其他用于特定功能控制的功能模塊，主要用于連接傳感器、電動(dòng)機(jī)、電磁閥、繼電器等現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

    PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)中冗余控制器的硬件平臺(tái)如圖2所示。冗余控制器包括處理器、MAC控制器、PHY（Physical Layer）芯片、現(xiàn)場(chǎng)總線主站、存儲(chǔ)器外設(shè)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源變換模塊等部件。

    所選用的MAC控制器主要用于冗余控制器之間進(jìn)行冗余同步通信的數(shù)據(jù)收發(fā)器，PHY主要用于通信電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。現(xiàn)場(chǎng)總線主站用于現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議棧支持、控制器與從站之間的通信連接以及實(shí)際的I/O變量刷新操作。

    該冗余控制器以處理器為核心，在處理器上運(yùn)行業(yè)務(wù)處理程序、用戶控制邏輯、冗余同步通信以及冗余故障診斷判決和狀態(tài)切換程序。該處理器通過現(xiàn)場(chǎng)總線主站采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入信號(hào)，然后執(zhí)行用戶控制邏輯，最后將控制邏輯執(zhí)行結(jié)果的控制輸出信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線主站發(fā)送到被控設(shè)備，同時(shí)處于冗余主機(jī)工作模式的處理器還會(huì)實(shí)時(shí)地將用戶控制邏輯運(yùn)行結(jié)果的過程數(shù)據(jù)通過由MAC控制器控制的冗余通信連接同步到冗余備機(jī)，而工作于冗余備機(jī)工作模式的處理器會(huì)將冗余主機(jī)同步過來的過程數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，同時(shí)時(shí)刻監(jiān)視著冗余主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備升為冗余主機(jī)并接管整個(gè)控制系統(tǒng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體方案

    冗余PLC控制器可以工作于冗余主機(jī)和冗余備機(jī)兩種工作模式，兩種模式執(zhí)行的功能和所承擔(dān)的任務(wù)不同，其系統(tǒng)流程如圖3所示。冗余主機(jī)工作模式下，控制器的執(zhí)行功能主要包含初始化、通信處理、狀態(tài)切換、I/O輸出、I/O輸入、運(yùn)行用戶控制邏輯、同步過程數(shù)據(jù)幾個(gè)步驟。冗余備機(jī)工作模式下，控制器的執(zhí)行功能主要包含初始化、通信處理、狀態(tài)切換、獲取同步數(shù)據(jù)。相比于冗余主機(jī)，冗余備機(jī)不運(yùn)行用戶控制邏輯，也不刷新I/O數(shù)據(jù)，其所有用戶控制邏輯的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)都直接來自于冗余主機(jī)的數(shù)據(jù)同步操作。冗余備機(jī)通過冗余通信連接時(shí)刻監(jiān)視著冗余主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到冗余主機(jī)發(fā)生異常故障時(shí)，升為冗余主機(jī)，同時(shí)接管整個(gè)控制系統(tǒng)，并無擾地繼續(xù)執(zhí)行用戶控制邏輯。

3.2 冗余通信

    在PLC雙機(jī)冗余控制系統(tǒng)中，冗余主機(jī)和冗余備機(jī)具有不同的工作方式，其冗余通信方式也不盡相同，冗余通信流程如圖4所示。

    冗余主機(jī)采用的冗余通信流程如下：

    (1)控制器對(duì)冗余通信進(jìn)行初始化，并與PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的另一個(gè)控制器建立冗余連接，轉(zhuǎn)(2)；

    (2)控制器向與其建立冗余連接的控制器同步冗余配置，冗余配置主要為用于區(qū)分兩個(gè)控制器的CPU選項(xiàng)，通過控制器背板的撥碼開關(guān)設(shè)置，有CPU0和CPU1兩種模式，轉(zhuǎn)(3)；

    (3)判斷PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的兩個(gè)控制器的冗余配置是否沖突，即是否同為CPU0或同為CPU1，如果不沖突轉(zhuǎn)(4)，否則轉(zhuǎn)(9)；

    (4)判斷控制器配置為主機(jī)，默認(rèn)設(shè)為CPU0選項(xiàng)的控制器以冗余主機(jī)工作模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)(5)；

    (5)刷新I/O數(shù)據(jù)并運(yùn)行用戶控制邏輯，轉(zhuǎn)(6)；

    (6)向冗余備機(jī)同步過程數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)主要包含用戶控制邏輯的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)和I/O變量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)(7)；

    (7)向冗余備機(jī)發(fā)送冗余心跳，轉(zhuǎn)(8)；

    (8)判斷是否接收到用戶結(jié)束控制器運(yùn)行操作，如果接收到結(jié)束運(yùn)行操作，轉(zhuǎn)(9)結(jié)束運(yùn)行控制器，否則轉(zhuǎn)(5)繼續(xù)運(yùn)行控制器；

    (9)結(jié)束運(yùn)行控制器。

    冗余備機(jī)采用的冗余通信流程如下：

    (1)控制器對(duì)冗余通信進(jìn)行初始化，并與PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的另一個(gè)控制器建立冗余連接，轉(zhuǎn)(2)；

    (2)控制器向與其建立冗余連接的控制器同步冗余配置，轉(zhuǎn)(3)；

    (3)判斷PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的兩個(gè)控制器的冗余配置是否沖突，如果不沖突轉(zhuǎn)(4)，否則轉(zhuǎn)(9)；

    (4)判斷控制器配置為主機(jī)，默認(rèn)設(shè)為CPU1選項(xiàng)的控制器以冗余備機(jī)工作模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)(5)；

    (5)通過冗余通信連接接收冗余主機(jī)同步過來的過程數(shù)據(jù)，并寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，轉(zhuǎn)(6)；

    (6)通過冗余通信連接獲取冗余主機(jī)發(fā)送過來的冗余心跳，轉(zhuǎn)(7)；

    (7)診斷主機(jī)是否發(fā)生異常故障，如果診斷出主機(jī)發(fā)生異常故障，控制器升為主機(jī)，并以最近接收到的有效過程數(shù)據(jù)為起點(diǎn)，繼續(xù)運(yùn)行用戶控制邏輯和執(zhí)行刷新I/O操作，否則轉(zhuǎn)(8)；

    (8)判斷是否接收到用戶結(jié)束控制器運(yùn)行操作，如果接收到結(jié)束運(yùn)行操作，轉(zhuǎn)(9)結(jié)束運(yùn)行控制器，否則轉(zhuǎn)(5)繼續(xù)運(yùn)行控制器；

    (9)結(jié)束運(yùn)行控制器。

3.3 冗余狀態(tài)機(jī)

    為了方便冗余方法及冗余系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所提出的冗余方法，其系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)如圖5所示。

    系統(tǒng)的冗余狀態(tài)機(jī)主要包含9個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)定義及條件跳轉(zhuǎn)關(guān)系如表1所示。

4 功能驗(yàn)證和測(cè)試

    為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，總共設(shè)計(jì)了538個(gè)測(cè)試用例來對(duì)整個(gè)冗余系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用例可以分為以下幾類：?jiǎn)螜C(jī)運(yùn)行模式測(cè)試（冗余狀態(tài)機(jī)）、雙機(jī)切換過程測(cè)試（冗余狀態(tài)機(jī)）、冗余同步數(shù)據(jù)測(cè)試（冗余通信）、雙機(jī)搶主測(cè)試等。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PLC雙機(jī)冗余方法及系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)發(fā)生異常故障時(shí)保證整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，滿足提高PLC控制系統(tǒng)可用性的需求。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于MAC的PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)。首先對(duì)雙機(jī)冗余系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，然后分別對(duì)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)解釋，最后通過多種測(cè)試用例對(duì)整個(gè)PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的雙機(jī)冗余系統(tǒng)避免了PLC硬冗余技術(shù)對(duì)于控制器具有獨(dú)立專用冗余通信模塊的苛刻要求，降低了冗余系統(tǒng)的構(gòu)建成本，也克服了PLC軟冗余技術(shù)中冗余異常判決機(jī)制依賴于用戶的弊端，提高了系統(tǒng)的易用性，降低了用戶學(xué)習(xí)、使用成本。本文所提出的PLC雙機(jī)冗余方法及系統(tǒng)直接使用MAC作為冗余通信的數(shù)據(jù)收發(fā)器，省略了上層以太網(wǎng)協(xié)議棧，提高了冗余通信的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)了冗余系統(tǒng)的靈活性，也保證了冗余系統(tǒng)的便利性。后續(xù)可繼續(xù)對(duì)冗余狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行優(yōu)化，以減小冗余主備切換時(shí)間，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

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作者信息：

趙德政，黃  兵，豐大軍，張曉莉，徐一鳳

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）