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摘要：在工業自動化領域中，冗余指出于系統安全和可靠性等方面的考慮，人為地對一些關鍵部件或功能進行重復的配置。當系統發生故障時，比如某一設備發生損壞，冗余配置的部件可以作為備援，及時介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統的故障時間。冗余尤用于應急處理。在現有工業自動化模擬信號采集技術領域，通常是現場傳感器、調理電路、ADC采集后輸入到MCU進行處理，正常使用不存在任何問題。一旦產品本身出現影響現場使用的故障，將直接導致現場運行停止，影響正常的生產運行。本論文基于系統設計原理，增加冗余采集功能，產品正常工作期間，根據用戶需要正常輸入現場模擬信號采集值，若其中一個模塊出現故障不能正常采集，則冗余模塊可以繼續采集現場信號供系統采納使用，確保現場設備運行正常，不影響生產運行。同時用戶可以通過更換故障產品的方式，恢復現場冗余產品采集功能，確保現場一直處于冗余采集工作模式。

關鍵詞：PLC技術；冗余技術；可靠運行技術

Abstract: In the field of industrial automation, redundancy refers tothe artificial and repeated configuration of some key componentsor functions in consideration of system safety and reliability. In case of a system failure, such as the failure of a certain device, redundant components can be used as backup to intervene in time and take on the work of the failed components, thus reducing the system's failure time. Redundancy is especially used for emergency treatment. In thefieldofexistingindustrialautomationanalogsignalacquisition technology, field sensors, conditioning circuits and ADC acquisitionare usually input to MCU for processing after acquisition, and therearenoproblems innormaluse. Oncetheproduct itselfappearsthe fault which affects the field use, it will directly cause the fieldoperation to stop and affect the normal production operation. Based on the principle of system design, this paper increases redundantacquisition capabilities. During the normal operation of the product, the field analog signal acquisition value is normally input accordingto the user's needs. If one of the modules fails to collect normally,the redundant module can continue to collect the signal which isavailable for use system adopted, so as to ensure the equipmentrunning normally without affecting the production operation. At thesame time, users can restore the on-site redundant product collectionfunction by replacing the faulty products to ensure that the site hasalways been in the redundant collection mode.

Key words: PLCtechnology;Redundancytechnology;Reliability technology

可靠安全是工業自動化領域的首要需求。冗余技術是自動化領域可靠安全設計中通常采用的一種有效技術，是提高工業現場設備實施安全運行、可靠工作的最行之有效的方法之一。為了達到高可靠性和低失效率相統一的目的，我們通常會在控制系統設計和應用中采用冗余設計技術。合理的冗余設計將大大地提高系統的可靠性和安全性，同時也增加了系統的復雜度和設計的難度，應用冗余配置的系統相應地還增加了客戶成本。因此，如何合理有效地進行控制系統冗余設計，是值得研究的課題。

1 PLC簡介

PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數、算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬量輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

2 PLC的特點

（1）抗干擾能力強，可靠性高

高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。和利時PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。

（2）高性能、微型化、模塊化、低功耗

和利時LK控制器配置266MHz或533MHz處理器，擁有納秒級的處理速度，在速度、性能和功能方面優勢突出。單條執行時間最快為13ns。控制器可擴展57344個數字量點或3548個模擬量點。除CPU本體集成2路獨立串口、1路（或2路獨立/熱備工作）Ethernet接口和2路熱備冗余PROFIBUS-DP總線外，還可以通過通訊擴展模塊外擴ModBus等多種接口，支持當前廣泛應用的通訊協議。模塊和接線端子上下分開，便于安裝接線，可大大節省接線時間，并便于系統維護。控制器模塊功耗6W，I/O模塊平均功耗2W。

（3）標準化、開放化設計

開放式的軟件設計，為各類HMI軟件提供標準OPC接口。編程軟件符合IEC 61131-3國際標準，支持指令表（IL）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）、結構化文本語言（ST）五種編程語言。另外還支持連續過程控制中經典的連續功能塊圖（CFC）編程。提供了順序、過程、運動控制和常用標準算法。

（4）可選冗余

可在同一本地背板上配置冗余控制器模塊。采用主、從熱備冗余，主、從控制器模塊同時接收網絡數據，同時做控制運算，但只有主控制器輸出運算結果，且實時更新數據。從控制器模塊雖然也采集數據和運算，但并不輸出控制命令。一旦工作中的主模塊發生故障，從模塊自動升為主且切換過程是無擾的。這種冗余配置方式，極大地提高了PLC系統連續運行的能力。

（5）熱插拔

所有模塊（通訊模塊、控制器和I/O模塊）均支持帶電拔插。當某個模塊發生故障時，維修人員可在不影響系統正常運行的情況下進行維修和更換。

3 冗余采集原理及器件選型

3.1 冗余采集原理

在現場設備端口，電流信號經防護通道和采樣電阻轉換成電壓信號，經濾波電路和差分轉單端后，進行信號調理進入ADC采集，最終送入處理器參與運算處理。如圖1所示。

圖1 電流信號通道采集電路原理框圖

電流源的內阻相對負載阻抗很大，負載阻抗波動不會改變電流大小。在電流源回路中串聯電阻無意義，因為它不會改變負載的電流，也不會改變負載上的電壓。

理想電流源，是從實際電源抽象出來的一種模型，其端口總能向外部提供一定的電流而不論其兩端的電壓為多少，電流源具有兩個基本的性質：

它提供的電流是定值I或是一定的時間函數I（t）與兩端的電壓無關。

電流源自身電流是確定的，而它兩端的電壓是任意的。

穩壓二極管，利用PN結反向擊穿狀態，其電流可在很大范圍內變化而電壓基本不變的現象，制成的起穩壓作用的二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定。

基于以上電流源和穩壓二極管的特性，設計電流信號通道冗余采集電路。原理框圖如圖2所示。

正常工作情況下，電流信號從AI+端子流入，經產品AI-I（1）電流采樣電阻R1，流經產品AI-I（2）電流采樣電阻R2，返回到AI-端子，形成電流流通回路。產品AI-I（1）通道和產品AI-I（2）通道均能采集到現場電流信號值。

若產品AI-I（1）通道出現故障，產品AI-I（2）通道正常，則電流信號從產品AI-I（1）電流采集通道對應的穩壓二極管D1通過，進入產品AI-I（2）電流采集通道，形成電流流通回路。AI-I（1）電流采集通道無法采集到現場信號值，AI-I（2）電流采集通道能采集到現場信號值。

反之，若產品AI-I（1）通道正常，產品AI-I（2）通道出現故障，則電流信號從產品AI-I（1）電流采集通道流出，流經產品AI-I（2）電流采集通道對應的穩壓二極管D2，形成電流流通回路。AI-I（1）電流采集通道可以采集到現場信號值，AI-I（2）電流采集通道無法采集到現場信號值。

根據實際應用需要，可以根據需要增加冗余級別，實現更加安全可靠的冗余采集功能。

圖2 電流信號通道冗余采集電路原理框圖

3.2 穩壓二極管選型

（1）Uz—穩定電壓

指穩壓管通過額定電流時兩端產生的穩定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由于制造工藝的差別，同一型號穩壓管的穩壓值也不完全一致（如圖3所示）。例如，BZT52C5V1型穩壓管的Vzmin為4.8V，Vztyp為5.1V，Vzmax則為5.4V。

（2）Iz—額定電流

指穩壓管產生穩定電壓時通過該管的電流值。低于此值時，穩壓管雖并非不能穩壓，但穩壓效果會變差；高于此值時，只要不超過額定功率損耗，也是允許的，而且穩壓性能會好一些，但要多消耗電能。例如，BZT52C5V1型穩壓管的Iz為5mA。

（3）IR—反向漏電流

指穩壓二極管在規定的反向電壓下產生的漏電流。例如BZT52C5V1型穩壓管在VR=2V時，IR=2uA。

圖3 穩壓二極管選型

3.3 電流采樣電阻選型

電阻，是一個物理量，在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。

在該冗余電路中，為確保通道正常采集最大值時，穩壓二極管不對通道采樣值造成限制，即4.8V/20mA=240Ω，故采樣電阻R1和R2小于240Ω即可，實際選擇124Ω。

以上設計，經實踐驗證，滿足工業現場要求，可以實現通道級電流信號冗余采集。

4 結束語

本文簡單介紹了PLC模擬量輸入冗余實現技術，分析了冗余技術的實現要點，并以和利時模擬量輸入產品為例，討論了冗余實現方案。

總而言之，為了提高系統的可靠性，在長期不間斷運行的控制場合，進行冗余模擬量輸入是客戶有效選擇的方式之一，根據實際需求和市場價格的可接受程度，開發具備多級別冗余功能的采集模塊已經成為后期產品的趨勢。

★基金項目：核高基重大專項（2017ZX01030-202）資助課題。

參考文獻：

[1] 向曉東. 三菱FX系列PLC完全精通教程[M]. 化學工業出版社, 2018.

[2] 和利時公司. 數據手冊[Z].

作者簡介：

王輝（1982-），男，研究生，工程師，現任職于北京和利時智能技術有限公司，主要研究方向為PLC技術、精密儀器、智能制造、數據采集。

摘自《自動化博覽》2020年4月刊