-作者：劉江、王長松、黃效國（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）
22控制系統(tǒng)及應(yīng)用背景
OPTO22控制系統(tǒng)是由OPTO22公司提供的一系列產(chǎn)品搭建而成。OPTO22公司位于美國加州，成立于1974 年，是工業(yè)I/O模塊和控制系統(tǒng)的重要制造商。OPTO22產(chǎn)品特別適用于在各種惡劣環(huán)境下完成不同要求和高可靠性的控制，其I/O硬件模塊在世界上率先采用了陶瓷材料封裝，使其具有極好的抗惡劣環(huán)境的性能，且終生保用。該公司于1988年，在世界上第1個(gè)推出了基于流程圖的控制軟件，為工業(yè)自動(dòng)化控制提供了一個(gè)更加簡(jiǎn)單方便的捷徑。在90年代，OPTO22公司先后推出Mistic I/O、SNAP I/O控制系統(tǒng)和基于以太網(wǎng)I/O控制系統(tǒng)，逐步取代傳統(tǒng)的PLC和DCS。
在舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統(tǒng)的技術(shù)改造項(xiàng)目（此項(xiàng)目包括3個(gè)要改造的20t鍋爐）中，公司從性能價(jià)格比方面考慮，最終選用了OPTO22公司的一系列產(chǎn)品來組建控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上、下位機(jī)方式，在現(xiàn)場(chǎng)采用多級(jí)CPU進(jìn)行控制處理，各I/O模塊對(duì)輸入輸出信號(hào)能提供4000V的隔離，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性優(yōu)于其他系統(tǒng)。系統(tǒng)的上位機(jī)主要由工控機(jī)、控制軟件組成；下位機(jī)主要由控制器、智能板、I/O模塊組成。上位機(jī)與控制器是通過100Mb/s以太網(wǎng)進(jìn)行通信，控制器與智能板是通過RS485進(jìn)行串行通信，I/O模塊直接插在智能板上。控制軟件從上位機(jī)通過以太網(wǎng)下載至控制器。OPTO22控制系統(tǒng)隨機(jī)附帶的軟件包括OptoControl、OptoDisplay、OptoConnect 、OptoServer等配套軟件。
該項(xiàng)目明確要求：系統(tǒng)除了具備正常的汽包水位控制外，還需具備熱備功能。在控制器熱備切換過程中，一些重要的參數(shù)，如蒸汽產(chǎn)量，PID調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)不能丟失，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，不能出現(xiàn)突變。由于OPTO22控制系統(tǒng)軟件中不包括控制器熱備的模塊，所以需要開發(fā)一套具有熱備功能的控制系統(tǒng)。
2.熱備控制系統(tǒng)的概念及其組成
在一些重要的控制場(chǎng)合，需要控制器長期連續(xù)工作，不允許出現(xiàn)絲毫問題。例如在熱電廠、鋼鐵廠的鍋爐儀表控制中，如果控制器出現(xiàn)問題，鍋爐不能正常工作，則不能向各個(gè)車間提供蒸汽，因此而影響各個(gè)車間的正常生產(chǎn)，有時(shí)甚至造成嚴(yán)重事故?？刂破饕坏┎荒苷９ぷ?，必須采取及時(shí)措施，或手動(dòng)干預(yù)，或自動(dòng)干預(yù)，使被控制的設(shè)備仍然能正常工作。另外，在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)有時(shí)需要調(diào)整控制程序，但在調(diào)整程序的時(shí)候，要求不間斷生產(chǎn)，并且一些記錄產(chǎn)量的重要數(shù)據(jù)不能從控制器中丟失。在這樣的控制系統(tǒng)中，一般配備兩個(gè)控制器，一個(gè)稱為主控制器，另一個(gè)稱為備份控制器。在正常情況下，控制系統(tǒng)使用主控制器進(jìn)行控制。當(dāng)出現(xiàn)意外情況或調(diào)整主控制器程序時(shí)，主控制器不能正常工作，則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)備份控制器代替主控制器進(jìn)行控制。當(dāng)主控制器恢復(fù)工作后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)從備份控制器切換回主控制器，我們通常把這一過程稱為熱備過程。
在熱備控制系統(tǒng)中，主控制器與備份控制器的連接與組成如圖1所示。系統(tǒng)的主控制器，備份控制器通過以太網(wǎng)（Ethernet）與工控計(jì)算機(jī)相連，控制器則通過RS485串口與智能板相連。主控制器的兩根RS485控制線與數(shù)字量智能板(B1)的常閉節(jié)點(diǎn)模塊ODC5R5相連， 從ODC5R5模塊引出的控制線與智能板。（B1、B2...）的信號(hào)輸入端相連，構(gòu)成主控制器的信號(hào)通道。同理備份控制器的兩根RS485控制線與數(shù)字量智能板(B1)的常開節(jié)點(diǎn)模塊ODC5R5相連，從ODC5R5模塊引出的控制線再與智能板（B1、B2...）的信號(hào)輸入端相連，構(gòu)成備份控制器的信號(hào)通道。這樣，可以通過控制常開、常閉節(jié)點(diǎn)來控制主、備控制器與智能板之間的信號(hào)通道的通斷，從而控制主、備控制器與智能板之間的通信。在主、備控制器之間通過RS232串口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)主、備控制器之間的備份數(shù)據(jù)的傳輸。
3.工作原理
3.1數(shù)據(jù)傳輸
主控制器與備份控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是熱備系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。熱備時(shí)系統(tǒng)需要不斷地從主控制器將一些重要的設(shè)定數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺浞菘刂破?。只有這樣，在控制器切換時(shí)，系統(tǒng)才能繼續(xù)正常工作，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。否則，由于設(shè)定數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的突變，可能引起系統(tǒng)的突變，造成難以預(yù)料的后果。
在本文的熱備系統(tǒng)中，主、備控制器數(shù)據(jù)傳輸是通過RS232串口實(shí)現(xiàn)的。使用RS232串口傳輸數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循以下4步：
（1）在主、備控制器上正確跳線，設(shè)置串口的傳輸速率。
（2）將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放入一個(gè)數(shù)組中，以便于整批傳送，提高傳送效率。在用數(shù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一次最多可以傳送32個(gè)浮點(diǎn)數(shù)或整形數(shù)。若要傳送多于32個(gè)數(shù)據(jù)，可以分為幾個(gè)數(shù)組進(jìn)行傳輸。每個(gè)數(shù)組在傳輸前應(yīng)先傳送一個(gè)數(shù)組標(biāo)識(shí)字。接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)，先接收數(shù)組標(biāo)識(shí)字，然后接收相應(yīng)的數(shù)組。
（3）檢測(cè)控制器的標(biāo)識(shí)，判斷主控制器工作是否正常。若正常，則從RS232串口向備份控制器傳送數(shù)組。同樣備份控制器不斷地檢測(cè)它與智能板的信號(hào)通道是否暢通，若不暢通，意味著備份控制器此時(shí)起備份數(shù)據(jù)的作用，因此備份控制器從串口接收數(shù)組。
（4）備份控制器將接收到的數(shù)組中的
數(shù)據(jù)送入各自相應(yīng)的控制變量。
3.2主控制器到備份控制器的自動(dòng)切換
當(dāng)主控制器正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不斷地檢查主控制器與智能板之間的通信是否正常。一旦智能
板收不到主控制器的信號(hào)，則判斷主控制器出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)將主控制器與智能板的信號(hào)通道
切斷，將備份控制器的信號(hào)通道打開，啟用備份控制器作為主導(dǎo)控制器。其流程圖見圖2。另外還需在主控制器上進(jìn)行一些具體設(shè)置：
（1）設(shè)置數(shù)字量智能板（B1）的Watchdog時(shí)間，通常為1s或0.5s。
（2）打開主控制器的控制程序，將數(shù)字量智能板(B1)上與主控制器相連的常閉節(jié)點(diǎn)I/O模塊的,Watchdog置為on，將與備份控制器相連的常開節(jié)點(diǎn)I/O模塊的Watchdog也置為on。這樣，通過對(duì)數(shù)字量智能板(B1）上I/O模塊Watchdog的正確設(shè)定，可在控制器發(fā)生故障時(shí)實(shí)現(xiàn)硬件自動(dòng)切換。也即常閉節(jié)點(diǎn)打開，斷開主控制器信號(hào)通道；常開節(jié)點(diǎn)閉合，打開備份控制器的信號(hào)通道，使備份控制器成為主導(dǎo)控制器，實(shí)現(xiàn)主控制器到備份控制器的自動(dòng)切換。
3.3備份控制器到主控制器的自動(dòng)切換
當(dāng)備份控制器起主導(dǎo)作用時(shí)，它不斷地從串口向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，雖然此時(shí)的主控制器可能出現(xiàn)故障，不能接收數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)認(rèn)為，此時(shí)的主控制器起備份數(shù)據(jù)的作用。同時(shí)備份控制器不斷地檢測(cè)串口，是否收到由主控制器發(fā)來的已修復(fù)好信號(hào)。當(dāng)它收到來自主控制器的已修復(fù)好信號(hào)后，立即發(fā)出指令，打開主控制器的信號(hào)通道,切斷備份控制器的信號(hào)通道，將主導(dǎo)控制權(quán)轉(zhuǎn)交給主控制器。其程序流程圖見圖3。
當(dāng)主控制器修復(fù)后，主控制器首先檢測(cè)備份控制器是否起主導(dǎo)作用。如果是，則接收由備份控制器發(fā)送過來的備份數(shù)據(jù)，此時(shí)主控制器起備份數(shù)據(jù)的作用。當(dāng)主控制器接收過幾輪備份數(shù)據(jù)后，便開始不斷地向備份控制器發(fā)送已修復(fù)好信號(hào)，準(zhǔn)備收回主導(dǎo)控制權(quán)。當(dāng)主控制器檢測(cè)到其信號(hào)通道暢通后，意味著其主導(dǎo)控制權(quán)已經(jīng)恢復(fù)，則不再向備份控制器發(fā)送主控制器已修復(fù)好信號(hào)，而開始發(fā)送備份數(shù)據(jù)，使備份控制器重新起到備份數(shù)據(jù)的作用，其程序的具體流程圖見圖4。
4.結(jié)束語
筆者參與設(shè)計(jì)并調(diào)試舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統(tǒng)的改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目應(yīng)用鍋爐汽包水位三沖量PID控制算法，融合主、備控制器自動(dòng)互切的熱備技術(shù)，圓滿地解決了系統(tǒng)的控制及自動(dòng)熱備問題。該項(xiàng)目控制部分軟件使用基于流程圖的軟件開發(fā)工具OptoControl進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)的監(jiān)控部分軟件使用OptoDisplay進(jìn)行開發(fā)。在使用OptoDisplay（版本為3.1d或更高）開發(fā)基于熱備的監(jiān)控軟件時(shí)，應(yīng)作如下設(shè)置：在OptoDisplay的控制器設(shè)置處，選擇正確的主控制器及備份控制器，確保上位機(jī)與下位機(jī)的同步一致。控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理及存儲(chǔ)部分使用OptoConnect 、access及PowerBuilder配合開發(fā)完成。此項(xiàng)目從2001年3月開始設(shè)計(jì)、開發(fā)，至10月中旬3個(gè)鍋爐全部正式投入運(yùn)行，效果良好。
（轉(zhuǎn)載）
