标签: 容错系统，冗余系统的实现方案

对于某些行业、某些对象在安全方面和工艺方面有特殊要求的过程控制的现 场总线，系统冗余的问题显得十分的必要。采用容错自动化系统的目的在于降低生产停机时间，无论停机原因是出错/故障还是实施维护。停产的成本越高，就越有必要使用容错系统。 由于能够避免停产，所以可以很快收回容错系统普遍较高的投资成本。PROFIBUS DP冗余技术主要有3种形式： 主站冗余，从站冗余，以及介质冗余，如图一所示： 软件冗余是一种冗余实现上低成本解决方案，但是他有一个条件，那就是必须要求主备系统对切换时间要求不高，所以对于很多应用领域，冗余质量的要求或可能需要冗余自动化系统的工厂区域范围，并不能说明一定需要一套专业的容错系统。 通常情况下，简单的软件机制就足以在出现问题时使出故障的控制任务在替代系统上继续运行。就是说在 S7-300 和 S7-400 标准系统上实施可选软件包“SIMATIC S7 软件冗余”，从而控制容许在出现故障时延迟数秒切换到替代系统的过程，例如，供水工程、水处理厂或运输流量控制过程。 下图描述了一个软冗余的实现图，我们可以看出他的系统结构： 1套STEP7编程软件（V5.x）加软冗余软件包(V1.x)； 2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统； 3条通讯链路，主系统与从站通讯链路（PROFIBUS 1）、备用系统与从站通讯链路（PROFIBUS 2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet） 来看看软冗余的工作原理：软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行，这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换 可以看出，系统是由两套独立的S7-300或S7-400 PLC系统组成，软冗余能够实现：主机架电源、背板总线等冗余；PLC处理器冗余；PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余）；ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。 总结来说，软冗余要求两套完全一样的系统，分为主备系统，如果您的实际现场中，本身具备两个完全一样的系统，并且要求主备系统的切换时间可以接受到秒级的话，这种软冗余的方案就是一个低成本的方案，因为只需要增加一个冗余软件包就可以了，但是大部分的的企业实际不具备这样的现场系统的。 主站冗余对于冗余实现来说是最困难的一步，profibus主站是整个profibus现场总线系统最关键的部分，主站的稳定性和可靠性是保证整个系统正常运行的关键， 西门子的硬冗余的代表就是S7400H，它是本身具有2个独立的profibus协议栈，同时还提供一个冗余数据进行处理的冗余处理模块，2个协议栈相对独立运行，分别接受2条总线的消息，并进行处理，然后提交给冗余处理模块，冗余处理模块按照一定的对2路冗余数据进行判决将有效数据提交给上层应用，对于上层应用程序而言，冗余链路是透明的，对下行数据，从上层应用可能程序传来的数据经过冗余模块处理之后分别传给2个profibus DP接口模块，经过进一步处理后发送给2路PROFIBUS 网络，冗余主站的2个profibus接口模块在正常工作是同时进行，可以对处于工作状态的冗余发来的状态信息进行诊断，通过冗余切换命令，可以在冗余从站出错的情况下主动向从站切换，听起来要比软冗余靠谱多了， 但是西门子的在硬冗余上面，有个非常大的损耗就是，要求从站均必须有两个DP 接口，才能组成一个环网，如图所示。这里涉及到从站冗余的概念，就是冗余 I/O，当系统包含两套输入/输出模块，而这些模块以冗余对的形式组态并运行时，它们即称为冗余I/O。 使用冗余I/O最大程度地提高了可用性，因为系统可以容许CPU或信号模块的故障。 如果需要冗余I/O，可使用“功能I/O冗余”函数块库中的块来实现， 但是在实际的工厂环境中很多DP slave 是不具备从站冗余的，这个时候，有的客户就会说，那我换成全部都是冗余的从站就好了，这样不就顺利实现这个功能了吗？是的，这样也是可以的，但是这样的成本就比较高了，因为原来的slave设备原本是可以用的，这样的成本就增加，不利于企业的效益。又或者说客户那边在设计的时候就没有考虑到这个从站冗余的情况，后期又需要实现主站冗余，那么应该如何补救？还有什么更加经济实用的方案可以解决呢？ 本文将描述的方案是基于德国COMSOFT公司的PRS冗余交换器实现的，它能够避免当前冗余理念中的所有缺点，且简单，快速，安全。在 PROFIBUS DP 主站冗余理念中， 两个完全相同（地址配置） 的 DP 主站是必不可少的， 但如何可靠、 安全、 迅速地 实现两个 DP 主站的线路切换， 是每一个冗余系统必须面对的问题和挑战。因为两个 DP 主站要预防同时被连接到总线上， 导致双地址冲突，系统瘫痪。 PRS是一款紧凑型24伏帽轨模块内含切换逻辑和智能双DP主站接口的DP从站。该设备可连接两个DP主站并连接到其它所有DP从站网络中。该交换机控制PROFIBUS协议和应用层上运作的DP主站的状态。假如某一个运作的主站有故障，该交换机就会物理切换到另一个待机的主站，整个切换过程并不影响DP从站的工作，即使PRS交换器本身出现故障而无法工作了，也不会影响原本主站的正常工作。 从图中可以看到，PRS可连接两个完全相同的主站（包括配置，地址等等可完全相同），而下面又接了许多的从站设备，而PRS本身也作为一个从站存在，它也有自己唯一的站地址 在这个方案中，PRS作为主站下来的第一个从站，而且主站跟PRS后面的所有从站通信都必须先经过PRS，并且后面连接的从站并不需要是冗余的从站，如果由于种种原因导致PRS出错或掉电，这时整个系统是不会受到影响的，它会保持原来已连接到网络中的主站继续工作。如图6.1所示，PRS已掉电，但原有的主站仍处于工作状态，整个网络也不会停机，两个主站的只要做好数据映射，比如说光纤连接两个主站，进行数据映射，或者有些PLC本身是具备这样的IF模块等。 总而言之，这套方案对于实现PROFIBUS主站冗余是非常快速且可靠的，其优点也是显而易见的：1、避免双主站地址冲突：2、两DP主站可以被相同配置；3、可与第一个标准的DP主站工作；4、通过PRS不会影响PROFIBUS数据通信，即使PRS出错 伴随着工业的智能化、自动化程度的提高，企业对系统的可靠性要求也越来越高。因此，不同程度的冗余要求是必要的，为保证在现场总线可靠、安全、持久的运行，PROFIBUS DP冗余交换机在今后的总线中将发挥至关重要的作用。