冗余系统与热备用系统

3.1.6　冗余系统与热备用系统

在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置其有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高有一定的限度。使用冗余（Redundancy）控制系统或热备用（Hot Standby）系统能够比较有效地解决上述问题。

1）冗余控制系统

PLC冗余控制系统是指整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成，如图3.7所示。是否使用备用的I/O系统取决于系统对可靠性的要求。如图3.7（a）所示两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU。主CPU工作时，备用CPU的输出被禁止；当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。在系统正常运行时，由主CPU控制系统工作，备用CPU的I/O映像表和寄存器被主CPU同步地刷新。切换过程由冗余处理单元RPU（Redundant Processing Unit）控制，接到主CPU的故障信息后，RPU在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用CPU，I/O系统的切换也是由RPU完成的。如图3.7（b）所示，两套PLC系统并行工作，两套系统的CPU、应用程序、I/O模块等完全一致、同时运行，I/O输出以“或”的方式控制被控对象。

图3.7　PLC的冗余控制系统

如西门子PLC（S7-400）以冗余方式运行时，主机采用CPU414-2、双电源、双CPU同步运行，两个CPU之间通过工业以太网（Ethernet）连接，利用冗余软件S7-REDUNDANT实现用户程序的同步运行及存储器的镜像，使得在主CPU出现故障时，备用CPU自动实现无扰动切换。

2）双机热备系统

双机热备系统是2个完全相同的CPU同时参与运算的模式：一个CPU进行控制，另一个CPU虽然参与运算但处于后备状态。如果执行控制功能的CPU被检测到故障并停止工作，处于热备状态的CPU立即自动接管，并承担起对整个系统的控制功能。出现故障的CPU模块可以卸下进行修理或更换，不影响系统的运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构比冗余系统简单，没有冗余处理单元。

PLC的CPU热备用系统是指两台CPU用通讯接口（或共用一个基板）连接在一起，均处于通电状态，如图3.8（a）所示。

除此之外，还有如图3.8（b）所示的电源热备用系统，两个电源用通讯接口连在一起（或共用一个基板），主电源出现故障时，备用电源自动投入工作。

图3.8　PLC的热备用系统

电源热备用要保证两套供电电源的可靠切换，可以根据具体情况选择在线UPS或使用“事故”电源。交流电源要使用无触点开关进行切换，机械开关的切换不能满足PLC系统的要求；直流电源可以采用二极管来实现切换。通讯系统热备用和数据传输系统热备用等很少使用。