2.2　冗余系統

雖然PLC系統具有很高的可靠性，而且大多模塊支持在線插拔，當系統出現故障時可以在線快速維修，能滿足大多數的應用場合。但對于可靠性要求較高的應用場合，如石油、化工、冶金、長輸管道、核電等的基本控制系統（BPCS）和安全聯鎖系統（SIS），系統故障會引起較大的經濟損失，甚至造成人員傷亡和環保問題，因此，需要采用冗余技術來進一步提高系統的可靠性，確保系統長周期、穩定運行。

2.2.1　冗余技術概述

（1）基本概念

冗余技術是指采用2個及以上部件或系統實現相同的功能，并且互為備用及切換的技術。冗余的目的是使系統在運行時不受單個設備故障的影響，而且故障部件維護時也不會對系統的功能產生影響，從而提高整個控制系統的可靠性和可維護性。

（2）冗余技術分類和工作原理

冗余技術有多種分類方法。按照冗余工作方式分類，可分為并行冗余和熱備冗余；按照實現的方式分類，可分為硬件冗余和軟件冗余；按照冗余在系統中所處的位置分類，可分為元件級、部件級和系統級冗余；按照冗余程度分類，可分為1:1冗余、1:n冗余；按照應用需求分類，可分為控制器冗余、通信冗余、電源冗余和I/O冗余等。

①并行冗余　也稱為工作冗余，指冗余部件或系統并行工作，同時實現輸入／輸出控制，任何一套系統出現故障時不會影響另一套系統的工作，如直流電源的冗余、2個獨立進行數據采集的計算機系統、多個控制器同時控制I/O等。

②熱備冗余　也稱為非工作冗余或后備冗余，是指冗余部件或系統按主從方式工作，主系統控制輸入／輸出，當主系統出現故障時切換到從系統進行控制。切換時間的長短由冗余系統的性能決定。

③硬件冗余　采用專門的冗余模塊判斷主、從控制器，并自動傳送所有冗余數據到從控制器實現同步，切換時間短，能實現無擾動切換。

④軟件冗余　采用軟件編程的方式判斷主、從控制器，組織冗余需要的數據，并編寫邏輯傳送數據到從控制器實現同步，切換時間相對較長，對切換時間有要求的應用場合要注意切換時間對輸出的影響。

當前大多數PLC的控制器冗余系統都是采用熱備冗余技術，兩套互為熱備的控制器以主、從方式運行，主控制器掃描I/O和控制輸出，并通過硬件或軟件編程的方式把需要的數據同步傳送給從控制器。當主控制器出現故障時，在足夠短的時間內自動切換到從控制器，從控制器成為主控制器，接管控制I/O，從而確保整個系統可以不間斷地可靠運行。

2.2.2　ControlLogix系統冗余配置

ControlLogix控制器冗余屬于硬件熱備冗余[注]。控制系統的冗余可根據具體應用需求進行靈活配置，包括網絡冗余、電源冗余、控制器冗余、I/O模塊冗余以及組合冗余方式。

（1）網絡冗余

當考慮網絡部分是系統薄弱環節時，可采用網絡冗余，也稱為介質冗余。ControlLogix系統使用1756-CN2R模塊組成冗余ControlNet網絡實現網絡冗余，如圖2-14所示。圖中，ControlNet網絡有3對節點：第1對是工作站節點，帶有冗余ControlNet網卡；第2對是ControlLogix控制站節點，帶有冗余介質的ControlNet模塊連接網絡，控制1756系列I/O；第3對是PLC-5/C處理器[注]節點，處理器有冗余ControlNet端口連接網絡，控制1771系列I/O。

（2）電源冗余

當考慮電源是系統薄弱環節時，可以采用1756-PAR2（或1756-PBR2）冗余電源套件給每個框架供電，如圖2-15所示。同時，還可以考慮使用不同的外供電回路分別給冗余電源模塊供電，進一步提高電源的可靠性。冗余電源模塊有故障報警觸點，可作為DI點引入到系統的輸入模塊作狀態監測和預警。

（3）控制器冗余

當考慮控制器故障可能引起重大問題的應用場合（如系統經過評估，要求按SIL2配置控制系統時），可采用兩套完全一樣的ControlLogix控制器組成冗余控制器系統。控制器冗余是ControlLogix系統冗余的核心。

控制器冗余配置要求包括：

①主、從兩個框架尺寸一致，先上電的框架為主框架；

②每個框架中至少有1塊控制器模塊1756-L7X、1塊冗余模塊1756-RM2和至少1塊ControlNet模塊1756-CN2R或1塊EtherNet/IP以太網模塊1756-EN2T；

③模塊安裝順序、ControlNet模塊的節點地址、以太網模塊的IP地址都要一致；

④冗余模塊通過1756-RMCx[注]同步電纜連接，冗余框架中不能有I/O模塊；

⑤模塊系列、固件版本和控制器運行的程序版本一致，冗余控制器中不能有事件型任務和被禁止的任務。

增強型冗余系統中，1756-L7X控制器對應的冗余模塊固件版本是19.053。冗余框架中的ControlNet和EtherNet/IP通信模塊必須是增強型，即目錄號中都包含一個“2”字，例如1756-EN2T模塊。冗余模塊1756-RM2/A只占一個槽位，不能與1756-RM/A和1756-RM/B配對，更不支持早期的占2個槽位的SRM冗余模塊。一個冗余控制器系統如圖2-16所示。圖中，實現控制器冗余和ControlNet網絡冗余，其中的一個遠程框架帶冗余電源。

（4）I/O模塊冗余

當考慮I/O模塊故障可能引起重大問題的應用場合，可以采用I/O冗余設計，如圖2-17所示。圖中，冗余控制器框架中配置了具有環形拓撲通信能力的以太網模塊1756-EN2TR，與1715-冗余I/O的以太網適配器1715-AENTR構成設備級環形網絡（DLR），PanelView圖形終端通過以太網分接器（ETAP）接入環網，作為設備級的監視和操作控制。環網中還有一個1756遠程I/O站。借助DLR技術，控制器和I/O模塊的可靠性和可維護性得到進一步提高。