几种常用硬件级双机热备PLC产品分析比较

马晓宁

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

传统的矿业设备控制多使用继电器-接触器来进行相关设备的控制，而这种控制方法可靠性差，故障率高，并且使用环境受限严重。而近年来不断发展的PLC控制技术具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便等众多优点[1]。所以如今矿业设备的控制多使用PLC控制技术。随着安全生产的要求，对矿业生产过程中重点生产环节控制的可靠性要求也越来越高，矿井重点生产环节如提升、通风及分选系统等，如果控制系统出现故障，引起停产或设备损坏将造成极大的经济损失，甚至会造成重大的安全事故，因此，仅仅通过提高PLC控制系统的自身可靠性满足不了要求，采用冗余系统或热备用系统来有效地解决上述问题[2]。

1 PLC冗余系统介绍

所谓冗余系统，是指系统中有多余的部分，没有它，系统照样工作，但当系统出现故障时，这种多余的部分能立即替代故障部分而使系统继续正常运行[3]。

2 不同公司PLC双机热备产品分析比较

目前，工控行业广泛使用的主流工控设备有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产品等，以下对这四家公司双机热备PLC产品进行介绍[4]。

2.1 OMRON （欧姆龙）

表1 双机热备配置表

CS1D-PA207R 电源 2 CS1D-ETN21（ETN21D） 以太网模块 1～2 CS1D-CLK21-V1 CLK通讯模块 1～2

（1）I/O配置。由于CS1D是单机架双机热备，除了可实现远程分布式I/O结构来采集数据，还可以直接对CPU机架进行扩展，增加模块的使用数量。CS1D单机架双机热备最多可以有7个扩展机架，扩展总线长度最多为50m，最多可插入68个I/O模块。CS1D的I/O模块全部支持带电插拔，支持状态预留。

（2）双机热备的切换条件。由于CS1D是单机架热备系统，因此主从控制器的切换条件是：①主控制器故障；②软件控制。

（3）控制层网络结构。CS1D在控制层采用Controller Link网络（简称CLK），用于主站PLC与各分站PLC之间的通信。CLK网络采用N∶N令牌总线或光纤环网，从而应对网络故障能力较强。CLK网络通信速率恒定为2Mb/s，最大节点数为62个，采用光纤通信时最大距离为30km。选用数据链接表方式实现PLC之间的通信简单易行。在CS1D机架上可以组成CLK冗余通信，两块CLK通讯模块一主一备，一旦主通讯模块故障或拔出，备用模块立刻工作。

（4）特点。①CPU的数据交换通过机架底板电路。②通常将I/O模块直接配置在CPU机架或者扩展机架上，I/O交换速度快。

2.2 SCHNEIDE （施耐德）

表2 双机热备配置表

（1）I/O配置说明。Quantum双机热备不允许在CPU机架上安装I/O模块。本地I/O不在冗余系统处理范围中。Quantum的I/O模块均可以带电插拔，可以预置状态。

对于RI/O配置的规定：从站+从站扩展，输入64字及输出64字限制。

对于一个机架的模块配置正常与否，只要考虑模拟量输入/输出或热电阻/热电偶模块的数量即可。

（2）控制层网络结构。Schneider有多种协议可在控制层和设备层中应用，如：Modbus、Modbus Plus、S908等，但对于Quantum双机热备系统中，设备层只能使用RI/O S908协议，来实现远程分布I/O。

专用的S908总线网络，速率1.5Mbps，最多可以连接31个从站。使用RG-6电缆，总线电阻75Ω，如果从站距离主站太远，可以使用RG-11或半刚性电缆，也可以使用光电转换器。因其使用了专用协议，不具备开放性。

（3）特点。①采用先进的同步机制；②系统切换时间小于100ms，通常低于20ms～30ms；③性能更强，得益于高端CPU的内部结构，集成工作内存；④人性化设计，易于使用，内置键盘，程序自动传送，不需要单独的冗余软件选件包。

2.3 AB （罗克韦尔）

表3 双机热备配置表

（1）I/O配置说明。ControlLogix双机热备不允许在CPU机架上安装I/O模块。本地I/O不在冗余系统处理范围中。对于模块的I/O配置没有特殊的规则限制，仅需要考虑机架电源模块对I/O模块的供电负荷。ControlLogix的I/O模块支持带电插拔，支持预置状态。

（2）双机热备的切换条件。当主机架上的任一组件发生故障，控制权切换至从控制器：①主机架掉电；②控制器产生主要故障；③主机架上任一模块被拔掉，安装或出错；④折断或断开ControlNet分接头；⑤折断或断开以太网电缆；⑥主控制发出切换命令；⑦RsLinx软件发出命令。

（3）控制层网络结构。双机热备系统在控制层使用ControlNet协议，来实现双机热备系统与其他独立PLC进行控制数据交换。同时，在设备层也可以使用ControlNet协议来实现I/O采集。单个网络最大支持99个站点，节点间没有最小距离限制。通讯总线可选择环网，介质可冗余，支持本质安全。ControlNet网络速率为5M。ControlNet是开放网络，国际标准，任何符合ControlNet规范的从站理论上都可做ControlLogix的RI/O。

（4）特点。①双机架完全独立，每个机架上的CPU、通讯等模块均可以热插拔；②I/O跟CPU不能放在同一个机架上；③电源冗余需要另外设置软硬件；④主站和从站上模块的位置必须要对应，不能有不同；⑤作冗余网络的时候只能用ControlNet。

2.4 SIEMENS （西门子）

表4 双机热备典型配置表

（1）I/O配置说明。S7-400H双机热备允许在CPU机架上，以及另一侧CPU机架上安装I/O模块。对于模块的I/O配置没有特殊规则限制，仅需要考虑机架电源模块对I/O模块的供电负荷。ET200M需要特殊有源底板才能支持带电插拔。S7-400H的I/O支持冗余：当只能由其中一个冗余处理单元访问一个输入/输出模块时，称单向I/O模块。当过程信号只有一个输入/输出模块时就称为单通道I/O。相对的，当有一个以上输入/输出模块可用于单个信号处理时，称冗余I/O。它可以单向或双向连接。当一个输入/输出模块可以由容错系统上的所有冗余中央处理单元访问时，称双向I/O。

（2）双机热备的切换条件。当主机架上发生下列故障，控制权切换至从控制器：①主机架掉电；②主机架电源模块故障；③控制器故障；④主机架上同步子模块被拔掉或出错；⑤主机架上同步子模块的光纤被拔掉；⑥主机架上的PROFIBUS-DP模块故障；⑦如果使用扩展机架，IM460和IM461模块故障或拔出；⑧软件发出切换命令。

（3）控制层网络结构。在控制层、设备层都可使用Profibus DP来进行PLC间的数据交换和远程RI/O采集。从站可以使用S7-300的I/O，加ET200的Profibus DP从站通讯模块，同时可以使用兼容厂家的模块。Profibus在100m内是可以实现12M速度，可以做9次中继。每个ET200从站可以接8个I/O模块。

（4）特点。①数据跟踪大小无限制，双环系统同步光纤实现了传送速度快和较长的距离；②使用已经完善的Profibus DP实现网络冗余，大量的标准部件可使用；③热备的两部分是完全独立。可以分成2个机架，也可以放在一个机架上，但每个机架在电气回路上是完全独立的。④可以对任何一个机架的任何模块热插拔。

3 结语

矿业生产包括开采、掘进、运输、通风、安全、排水、供电、洗选等多个环节。目前对固体矿业安全性要求越来越严格，这就要求重点生产环节控制系统必须具备极高的可靠性，所以在重点生产环节应用PLC冗余控制，进行安全生产是非常合适的选择。