霍尼韦尔Master Logic—200冗余PLC
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【摘要】为了提高隧道监控系统的安全可靠性，提出了一种基于霍尼韦尔master logic-200 PLC的硬件冗余控制设计方案。本文介绍了plc冗余控制系统的原理和结构，详细分析了应用中的硬件组态和系统构成。本系统已经在国家高速公路十堰至天水段隧道监控中心成功运行。
【关键词】霍尼韦尔PLC；冗余控制；隧道；监控系统
Application of Honeywell Master Logic-200 Redundancy PLC In The Tunnel Monitoring System
Chen Guangjing，Zhang Jianjun，Zhang Jinping
（Xi’an Shiyou University，Xi’an，710065，China）
Abstract：In order to improve the safety and reliability of the tunnel monitoring system，a hardware redundancy control design scheme based on honeywell Master Logic-200 PLC is proposed.PLC redundancy control system principle and structure is introduced.The hardware configuration and system structure is analyzed in detail.This system has been successfully operation in the national highway shiyan to tianshui section.
Key wods：honeywell PLC；redundancy control；tunnel；monitoring system
1.引言
随着我国交通到的不断发展，公路隧道作为高速公路的一个重要环节，其数量也在不断增加，由于隧道复杂的地理条件和特点，建设安全、可靠、稳定、先进的隧道监控系统对于对保证隧道的安全运营具有重要意义。
公路隧道多处于山岭和丘陵地区，气候变化多端，环境恶劣，因此，要求控制装置有极高的可靠性，尤其是那些关键性的控制设备，如果控制系统出现故障，加之隧道交通量大极易发生交通事故和交通堵塞，将会对隧道的交通安全构成很大的威胁。随着现代控制技术的发展，可编程控制器（PLC）以其卓越的可靠性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为隧道监控系统的核心控制器，已经在隧道监控系统中被广泛应用。虽然市场上常见的几大PLC厂商提品的平均无故障时间可高达数十万小时，但可靠性再高的PLC也不能保证故障为零，因为可编程控制器本身的可靠性的提高有一定限度，并且可靠性的提高会使成本急剧增加。冗余控制是一种可满足实时不间断控制、提高系统可用性的有效手段，使用冗余系统能够有效的解决上述问题，保证隧道控制系统的安全运行。
2.冗余控制系统
2.1 冗余控制系统原理
冗余控制一般采用硬件冗余或软件冗余。其中，硬件冗余是指通过热备或冷备系统硬件实现冗余控制所需要的数据同步和主从切换，必须同时运行两套完全相同配置的硬件，分为主控和备控并且备控实时监视主控的运行状态；软件冗余是指通过程序实现数据同步和主从切换，只需要冗余两个CPU即可通过软件实现切换。
可编程控制器是面向工业现场过程控制而专门设计的，应用于可靠性要求较高的控制系统中，可以满足大多数控制系统对可靠性的要求，但是在一些复杂恶劣的环境中应用，仍需要通过冗余等技术进行辅助以提供更高的可靠性。为此，霍尼韦尔公司设计了基于Experion架构的Master Logic-200PLC控制器，该型控制器为控制系统设计提供了完全冗余系统。
在Master Logic-200PLC冗余系统中，采用两套CPU处理器模块，一块作为主处理器，另外一个作为从处理器，正常情况下，由主处理器执行程序，控制I/O设备，从处理器不断监测主处理器状态。如果主处理器出现故障，从处理器立即接管对I/O的控制，继续执行程序，从而实现对系统的冗余控制。
2.2 冗余控制系统结构
如图1，冗余系统由两个结构完全相同的Master Logic-200PLC机架组成，他们分别由两个并联冗余电源模块供电，每个机架上有多个模块插槽，包括一个控制器模块CPU、FEnet通信模块以及I/O扩展槽。FEnet为PLC与上位机的通信网络模块。Master Logic-200PLC支持热插拔技术。
以往的冗余系统通常需要用户编制复杂的程序对CPU状态进行判断，在两个处理器之间传输同步数据并实现I/O控制权的切换，两个CPU中的程序也各不相同，这使得冗余系统本身的建立和维护工作非常繁琐。
在霍尼韦尔冗余CPU系统中，2MLR-CPUH型模块中嵌入了自动监视切换功能，不需要任何编程就可以实现冗余功能，并且主CPU和备用CPU之间连接有专用高速1Gigabit光纤，可以保证数据和程序的内存区域的高效同步，当用户对主处理器程序的修改时可自动同步到从处理器。主、从处理器所处机架内的控制网通讯模块地址各不一样，当主处理器出现故障后，从处理器接管控制系统，相对应的控制网通讯模块之间相互交换地址，控制系统将在50ms内无干扰的切换到备用CPU，从而不影响其他控制器和上位机与该冗余系统的通讯。
这种双重CPU冗余方式解决了普通热备系统发生故障时存在切换时间过长的问题，保证了控制的实时性和可靠性。
3.冗余控制方案设计
3.1 PLC工作方式
PLC以微处理器为核心，采用“顺序扫描”、“不断循环”的工作方式进行工作。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制并存储于用户存储中的程序，按指令步序号作周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC采用循环扫描的工作方式，这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理等几个阶段，并进行周期性循环。整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成其他一些内部处理；在通信服务阶段，PLC与带有微处理器的智能装置通信，响应编程器输入的命令，更新编程器的显示内容。在PLC处于停止（STOP）状态时，只能完成内部处理和通信服务工作（监视服务）；在PLC处于运行（RUN）状态时，除完成上述操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。
（1）输入处理阶段
PLC在输入处理阶段，首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其写入内存中各对应的输入状态映像寄存器中，即输入采样。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。
（2）程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的次序，逐条执行程序命令，所需的执行条件可从输入状态映像寄存器中和元件状态寄存器（如继电器、定时器、计数器等）中读入，经过相应的运算处理后，将结果再写入元件状态映像寄存器中。
（3）输出处理阶段
当程序所有指令执行完毕，输出状态映像寄存器（元件状态映像寄存器中对应输出继电器的部分）的通断状态在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，再通过隔离电路，驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，推动外部相应执行元件工作。
3.2 PLC硬件冗余配置
Master Logic-200PLC冗余系统采用模块化设计，它所具有的末班的扩展和配置功能使其能够根绝不同要求灵活组合。本系统选用的Master Logic-200冗余PLC主要由电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）接口模块、通讯模块（CP）、数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AO）组成。基本构成如图2所示。
（1）电源
电源模块选用2MLR-AC23，176/264VAC输入，5VDC/8.5A输出，主要为CPU及I/O模块供电，具有电源滤波和输出短路保护功能。
（2）CPU
CPU选用2MLR-CPUH型，因为其可提供完全冗余系统，主CPU和备用CPU中间连接有专用高速1Gigabit光纤，可以保证数据和程序的内存区域的高效同步，而且速度快，大容量内存（25M），灵活的插槽分配以及最大I/O底座数量可达31个的超大容量，可灵活地混合和搭配不同的语言，支持LD（梯形图）、SFC（顺序功能图）、ST（结构化语句）、FB（功能块）、IL（指令序列）五种编程语言。
（3）IM
接口模块选用2MLR-DBSH，用于Master Logic-200冗余PLC的中央机架到扩展机架的连接，无需地址分配，接口模块自组态。
（4）I/O模块
信号模块检测被控对象的各种参数，并以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的依据，驱动各种执行机构来实现控制。
数字量输入模块（2MLI-D22A）：把从控制对象发送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平。
数字量输出模块（2MLQ-RY2A）：把PLC的内部信号电平转换成被控对象所需的外部信号电平。
模拟量输入模块（2MLF-AD8A）：将从控制对象发送来的模拟信号转换成PLC内部处理用的数字信号。
模拟量输出模块（2MLF-DC8A）：将PLC的数字信号转换成备控对象所需的模拟量信号。
（5）通讯模块
Master Logic-200PLC提供多种通讯接口，如MPI接口、PROFIBUS接口和工业以太网接口。本系统快速以太网模块选用2MLL-EFMT，带有RJ-45接口，支持100/10Mbps，因为上位机与PLC的通信协议采用TCP/IP协议，所以用双绞线将以太网模块和PC机的RJ-45接口相连，即可实现上位机与PLC之间的通信。
3.3 软件系统构成
3.3.1 下位机PLC软件
霍尼韦尔MasterLogic-200系列PLC采用SoftMaster-200作为编程软件，兼容Windows2000/XP。通过SoftMaster-200用户可以进行系统配置和程序的编写、调试、仿真、在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。根据隧道监控设备的要求，下位程序使用SoftMaster-200的梯形图方法进行编程。首先通过CPU的USB接口连接PC机，在SoftMaster-200软件中对PLC进行配置网络地址并写入，建立PC机与PLC之间的通信，然后新建工程，配置I/O设备信息，创建全局变量和本地变量，编程梯形图程序。程序编程完成后，即可通过RJ-45接口建立网络连接并将程序写入PLC进行运行调试。SoftMaster-200软件编程如图3所示。
3.3.2 上位机组态软件
上位机管理及监控系统采用力控Force-Control6.1组态软件实现软件编程，力控组态软件是运行在Windows98/NT/2000/XP环境下的一种组态软件，是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。
力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。
4.结束语
使用霍尼韦尔MasterLogic-200系列冗余PLC设计的隧道监控系统自2011年12月在国家高速公路十堰至天水联络线陕西境鄂陕界至安康AD-D03合同段投入运行以来，性能可靠，设备运行良好，达到了集中监测、分散控制和连续长时间运行的高可靠性要求。
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[15]霍尼韦尔Experion Mastelogic-200系列PLC技术规格书.
作者简介：
陈光景（1986—），男，山东人，工学硕士，主要从事电力电子与电力传动、自动控制等研究。
张建军（1957—），男，陕西人，工学博士，主要从事电力电子与电力传动、开关电源等研究。