CN111624938A - 基于单套plc模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，解决在广泛应用于工业控制领域中的PLC最基本的四种（AO、AI、DO、DI）I/O信号里，模拟量输出信号受终端设备接收该信号唯一性，受控终端仅有一组接收模拟量输出信号的端子的影响，造成模拟量输出信号的冗余输出和自动优选切换很难实现的问题。可以有效提高受控设备的鲁棒性，让难预料，不可控故障及其衍生事故变为可控。

Description

基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法

技术领域

本发明涉及控制方法，确切地说是基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法。

背景技术

唐银公司煤气放散塔于2014年中期发生了设备事故，因管网煤气压力高需要紧急放散煤气，由于北部放散塔无法点燃，所以要从南部放散塔进行点燃放散。但南部放散塔放散调节阀却突然不受控，因其是远程控制柜，为单套PLC硬件配置环境（单套PLC意即拥有独自的工业网且受单块CPU卡件或冗余CPU卡件控制的硬件配置环境），待到现场查明是AO模块损坏，将其更换恢复后已历经约一个半小时。事故造成煤气改从北部塔未点燃放散，致使部分厂区煤气浓度偏高，人员撤离工作现场。

通过事故，我们总结出似放散塔放散调节阀门这种核心设备，只受PLC中单个模拟量输出信号控制的稳定性、安全性是有限的，在该模块或该通道失效或故障后，所造成的损失有时是难以估量的。

目前，工业领域中涉及调节介质流量、压力、速度的核心装置，如阀门、伺服机构等，大部分是仅由PLC中AO模拟量输出通道送出一路 “4-20mA”信号到达阀门或伺服机构。受阀门与伺服机构接线端只能接入一路信号的限制，这些在工业生产中扮演最重要角色的阀门与伺服机构也只能接收一个AO模块送出的一路控制信号。接收端接收信号的唯一性，虽然不能改变，但一定可另辟蹊径实现模拟量输出信号的冗余输出，寻找解决方案。

当然，单路模拟量输出通道发送控制信号也是我们当前工业控制领域普遍实施的现状，我们在查询了大量相关的现有技术得知，有类似工控硬件环境中通过一系列方式方法实现了该功能，但都有某种局限性，分析如下：

（1）深圳市中庆微科技开发有限公司申请号为201010528406.9的专利“一种信号传输的冗余容错系统”，此专利的主权项表明实现信号冗余输出依靠的是开发的专用硬件，两路信号皆需接入集控制分析输出于一体的一个硬件中来，将两路AO信号最终变出一路送出。

（2）北京邮电大学申请号为200810106344.5的专利――“双机冗余容错系统及其冗余切换方法”，此专利的主权项表明该系统包括A机、B机,AB机内的冗余切换控制单元将各自产生的切换信号通过冗余切换选择单元的选择而将产生的最终控制信号传至被控单元。冗余切换控制单元包括仲裁切换单元、加断电单元和监视器单元等。该专利表明也是将两路信号接入集控制分析输出于一体的一个硬件中来，将两路AO信号最终变出一路送出。

上述技术方案均是建立在特定的新硬件产品上，需要单独购买，且价格不菲。理论上一旦一个模块停止工作，另一个将担负起它的全部工作。这样的方式看似简单、明确，但实际上它仍有缺陷，说明如下：一个PLC控制信号输出，从相互冗余的两块I/O输出模块共同进入到一个冗余硬件上再从冗余硬件的端子，变出一路信号后再经过出口端子将信号送出去，最终到达需要控制的一个阀门上。如果这个一个10毫安（4-20毫安之间）的控制信号，在输出控制时，两个I/O模块同时开始工作，每个模块输出5毫安，两者之和就是10毫安了。但问题的关键就出于此，就是任意模块的理论输出是5毫安，但是实际上它输出的究竟是不是5毫安，没人知道！这是冗余，但算不上完美的冗余，且该硬件损坏后，作为惟一的关卡便不能输出信号。反之，即使不是此种冗余，单靠电流比较，究竟应该是高信号准确还是低信号准确，也没有可靠的判断依据。

（3）北京ABB贝利工程有限公司申请号为201120388536.7的专利――“一种冗余输出端子板”依靠的是一种冗余输出端子板，包括13个继电器、第一冗余模拟量输出子模件和第二冗余模拟量输出子模件，所述第一冗余模拟量输出子模件连接有第一插座，所述第二冗余模拟量输出子模件分别连接有第二插座，所述第一冗余模拟量输出子模件和第二冗余模拟量输出子模件都设有14个AO，所述13个继电器分别与所述第一冗余模拟量输出子模件和第二冗余模拟量输出子模件的13个AO相连，所述第一冗余模拟量输出子模件和第二冗余模拟量输出子模件的第14个AO分别连接有比较器。

此项技术虽然借用了断电器，也借用了比较器，而比较器也仅是对两路信号间互相比较，并不能把程序中经计算输出的值引入比较器作为有效判断比较，且未考虑添加这么多中间元器件后，由于元件工作的稳定性、可靠性都会带来的其它隐患，无法规避。

（4）杭州和利时自动化有限公司申请号为201310230916.1的专利――“冗余输出装置”公开了一种冗余输出装置，包括分布式控制系统DCS主站、第一输出模块、第二输出模块和冗余端子模块；DCS主站的一端与第一输出模块的一端相连，DCS主站的另一端与第二输出模块的一端相连；第一输出模块的另一端与冗余端子模块的第一端相连；第二输出模块的另一端与冗余端子模块的第二端相连；冗余端子模块的第三端与控制现场的仪器相连；第一输出模块与第二输出模块的结构相同，且通过用于交互信息的冗余通道相连。采用本发明可以减小控制现场的仪器在某一输出模块出现故障到另一输出模块接替其工作的过程中所受的电流冲击，从而延长控制现场的仪器的使用寿命。

该技术方案是利用专门开发的冗余模块作为比较选择输出的最后关卡，但也未虑冗余模块失效后信号无法输出的问题；另外，还存在应用推广性有限，必须为该DCS专用的冗余模块。

除上述现有技术以外，美国罗克韦尔自动化公司的集成架构产品715系列冗余I/O产品，那就是“真正意义上的冗余I/O”。这种产品能够做到完善的自诊断，比前述专利方法均要完备可靠，假设我要求I/O模块输出5毫安电流信号，它没有输出，自诊断过程很快，系统立刻就会了解到这个模块有问题，并马上将这个模块的状态设定为故障状态。而且，这个故障模块仍能输出什么样的信号，系统自己也很清楚。比如此时故障模块只能输出4毫安电流信号，那么系统就要求冗余的另一块I/O模块的信号从5毫安变为6毫安；如果故障模块彻底没有任何信号输出了，那么，其互为冗余的I/O模块就实时地调整为输出10毫安。这样，在末端的输出信号就能始终保持正常的10毫安了。

但上述成套PLC价格却非常昂贵，而我们所有的模拟量输出点的可靠性、安全性的要求也是有所不同的，如果需要重新撤换掉已经应用的PLC卡件，兼容性与经济性上大打折扣，在投入产出比，安全及环境评估得不到认可下，即使新工业项目，也应该很难选择该类产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，该方法能够适工业生产中所涉安全性、稳定性要求的信号高低选择性施用，也是集完善的自诊断与经济性合二为一的解决方案。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，包括以下步骤：

第一步，手动控制状态下，在一个HMI人机界面中的阀门执行器控制对话框中手动赋与阀门开度值；或在自动控制状态下，下位程序经PID计算得出阀门开度值；无论是人工赋值或程序自动控制计算得出的结果均要通过PLC程序的赋值指令或语句，同步赋送到AO a模块中的a通道和AO b模块中的b通道，a通道为到AO a模块中的一路可用通道，b通道为AO b模块中的一路可用通道；此前的准备工作包括在下位程序中要编辑好上述两个通道的标签、硬件地址；

PLC程序的输出结果送入AO a模块中的a通道的模拟量输出信号称为x信号，输出结果进入AO b模块中b通道的模拟量输出信号称为y信号；使a通道中x信号与b通道中y信号完全一致,即通过两个不同的AO模块输出两个完全一致的AO信号；

第二步，我们将AO a模块下的a通道的硬接线，接入“一入二出隔离器”的输入端in，正负两个端子5+、6－，此时a通道下的x信号经过“一入二出信号隔离器”后，在输出端out1，正负两个端子3+、4－输出x1信号，在out2端正负两个端子1+、2－输出x2信号，常态下x1信号、x2信号均与x信号完全一致；将一组AO信号复制出两组相同的AO信号，为模拟量信号的检测判别提供条件；

第三步，我们将“一入二出信号隔离器”的输出端out2的x2信号通过硬接线分别接入“二开二闭中间继电器”中两个常开点的接线端，即“一入二出信号隔离器”的输出端out2中的“1+”“2－”对应接入“二开二闭中间继电器”中两个NO常开点中“13”“23”；再将“一入二出信号隔离器”的输出端out1的x1信号的“3+”“4－”通过硬接线接入AI模拟量输入模块内预设置好的一路可用通道中，将接入此通道的AI信号称为z信号，正常状态下，x信号=x1信号=x2信号=z信号；从而可输出一组为判断硬接点上模拟量信号是否异常而专用的反馈检测信号；并为中间继电器常开点上送达一组AO信号；

第四步，将AO b 模块下的b通道通过硬接线，接入中间继电器的两个NC常闭点中“12+”“22－”，此时y信号被送达中间继电器两个NC常闭点；中间继电器输入端接入另一组AO信号；中间继电器常开点与常闭点上的源自两个不同AO模块的x1信号与y信号已处于热备冗余状态；

第五步，将DO数字量输出模块下预设置好的一路通道，用硬接线依正、负连接到“两开两闭中间继电器”线圈接线端A1、A2；PLC对“两开两闭中间继电器”的电磁线圈进行控制，使其按功能和程序设定，使电磁线圈得电吸合、失电释放，从而带动常开、常闭点同步动作，实现切换和选择模拟量输出信号；

第六步，将“两进两出中间继电器”的输出端11、21，用硬接线依正、负连接到受控单元控制模块中的4－20mA信号输入端子；使无异常且优选后的模拟量输出信号接入到“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；

第七步，正常状态下的信号传递，PLC会在下位程序扫描周期内检测z信号,因z信号源于AO a模块中输出的x信号，故PLC下位程序中通过z信号与PLC上位程序的手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较，来判定AO a模块输出的x信号是否正常，如正常则PLC程序驱使DO模块中预设的一路数字输出量闭合导通，此时“两开两闭中间继电器”电磁线圈得电吸合，常开点上源自x信号的x1信号最终被送往“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；从而选择常开点上x1信号作为正常工作状态下常态输出信号；

第八步，异常状态下的信号切换；在前述步骤（7）中，当PLC下位程序中z信号与PLC上位程序中手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较后出现误差，则判定AO a模块输出的x信号处于异常，此时PLC程序将对DO模块中预定的一路数字量输出通道清零、切断，使中间继电器的电磁线圈失电、释放，此时“两开两闭中间继电器”导通的是常闭点，送达“阀门执行器控制模块”中的信号也由x1切换到处于热备状态的y信号；从而判断出当前模拟量输出信号异常，可瞬时切至另一路热备信号，实现模拟量输出信号无扰切换，达到优选正常信号的实施目的，显著提高设备的稳定性、安全性。

附图说明

图1是本发明的一种具体实施方式的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1可知，本发明的本发明的基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，实施环境：需应用在模块化PLC中，例如西门子400、300，AB的1756系列等。在单套PLC环境下（单套PLC意即拥有独自的工业网且受单块CPU卡件或冗余CPU卡件控制的硬件配置环境），该套PLC应配有常用CPU、通讯、CPU冗余模块、I/O模块等。

本实施例需要重点说明的是PLC硬件集成环境中的Ｉ/0模块。

图1所示PLC机架，实践选用罗克维尔公司生产的AB系列的机架，选用型号为10slot 1756－A10，是各类控制模块的硬件安装环境，在机架上承载和安装各种模块。PLC机架内自上而下的Ｉ/0模块，依次是DO数字量输出模块，选用型号为AB系列的1756－OB16I、AI模拟量输入模块，选用型号为AB系列的1756－IF8，而AO a和AO b均为模拟量输出模块，选用型号为AB系列的1756－OF8，为了便于区别两个同类模块，我们AO模块后标示a和b。

PLC机架右侧为“一入二出信号隔离器”，选用型号为英维斯EW ZL541－D－AA及为该隔离器供电的24V直流开关电源，选用型号为菲尼克斯的QUINT-PS/1AC/24DC/40；“一入二出信号隔离器”右侧为“两开两闭中间继电器”，选用型号为欧姆龙LY2NJ DC24V。

“两开两闭中间继电器”右侧为“电动执行器控制模块”选用型号为日本工装的CPA100－220。

AO a和AO b两个模拟量输出模块的的使用是为了输出模拟量信号，具体来讲，是通过一个由HMI人机界面中手动赋值或下位程序PID计算得出结果的模拟量，例如输出给某电动执行器的阀门开度。该模拟量通过PLC程序的赋值指令或语句，同步赋送给上图Ｉ/0模块中的AO a和AO b，两个模拟量输出模块中，这两个模块可输出两个完全一致的模拟量信号。

DO数字量输出模块的使用是为了向“两开两闭中间继电器”电磁线圈发出电源信号，在电磁线圈吸合或释放带动下实现开闭点的同步吸合与断开。

“一入二出信号隔离器”的使用是为将一个AO模拟量信号通过信号隔离器后输出为两个同输入端模拟量信号完全一致的信号，发挥复制信号的作用。

“两开两闭中间继电器”的使用是为了选择和切换来自不同模拟量输出模块或通道中的信号。

“电动执行器控制模块”为现场阀门执行器中的控制单元，接收来自PLC中AO模拟量信号（4－20mA），经其信号放大后，驱动电机带动执行器机械输出机构，使阀门动作，改变阀门开度。该“电动执行器控制模块”仅为举例，亦可理解为其它现场受控单元的控制模块。

基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，包括以下步骤：

第一步，手动控制状态下，在一个HMI人机界面中的阀门执行器控制对话框中手动赋与阀门开度值；或在自动控制状态下，下位程序经PID计算得出阀门开度值；无论是人工赋值或程序自动控制计算得出的结果均要通过PLC程序的赋值指令或语句，同步赋送到AO a模块中的a通道和AO b模块中的b通道，a通道为到AO a模块中的一路可用通道，b通道为AO b模块中的一路可用通道；此前的准备工作包括在下位程序中要编辑好上述两个通道的标签、硬件地址；

PLC程序的输出结果送入AO a模块中的a通道的模拟量输出信号称为x信号，输出结果进入AO b模块中b通道的模拟量输出信号称为y信号；使a通道中x信号与b通道中y信号完全一致,即通过两个不同的AO模块输出两个完全一致的AO信号；

第二步，我们将AO a模块下的a通道的硬接线，接入“一入二出隔离器”的输入端in，正负两个端子5+、6－，此时a通道下的x信号经过“一入二出信号隔离器”后，在输出端out1，正负两个端子3+、4－输出x1信号，在out2端正负两个端子1+、2－输出x2信号，常态下x1信号、x2信号均与x信号完全一致；将一组AO信号复制出两组相同的AO信号，为模拟量信号的检测判别提供条件；

第三步，我们将“一入二出信号隔离器”的输出端out2的x2信号通过硬接线分别接入“二开二闭中间继电器”中两个常开点的接线端，即“一入二出信号隔离器”的输出端out2中的“1+”“2－”对应接入“二开二闭中间继电器”中两个NO常开点中“13”“23”；再将“一入二出信号隔离器”的输出端out1的x1信号的“3+”“4－”通过硬接线接入AI模拟量输入模块内预设置好的一路可用通道中，将接入此通道的AI信号称为z信号，正常状态下，x信号=x1信号=x2信号=z信号；从而可输出一组为判断硬接点上模拟量信号是否异常而专用的反馈检测信号；并为中间继电器常开点上送达一组AO信号；

第四步，将AO b 模块下的b通道通过硬接线，接入中间继电器的两个NC常闭点中“12+”“22－”，此时y信号被送达中间继电器两个NC常闭点；中间继电器输入端接入另一组AO信号；中间继电器常开点与常闭点上的源自两个不同AO模块的x1信号与y信号已处于热备冗余状态；

第五步，将DO数字量输出模块下预设置好的一路通道，用硬接线依正、负连接到“两开两闭中间继电器”线圈接线端A1、A2；PLC对“两开两闭中间继电器”的电磁线圈进行控制，使其按功能和程序设定，使电磁线圈得电吸合、失电释放，从而带动常开、常闭点同步动作，实现切换和选择模拟量输出信号；

第六步，将“两进两出中间继电器”的输出端11、21，用硬接线依正、负连接到受控单元控制模块中的4－20mA信号输入端子；使无异常且优选后的模拟量输出信号接入到“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；

第七步，正常状态下的信号传递，PLC会在下位程序扫描周期内检测z信号,因z信号源于AO a模块中输出的x信号，故PLC下位程序中通过z信号与PLC上位程序的手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较，来判定AO a模块输出的x信号是否正常，如正常则PLC程序驱使DO模块中预设的一路数字输出量闭合导通，此时“两开两闭中间继电器”电磁线圈得电吸合，常开点上源自x信号的x1信号最终被送往“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；从而选择常开点上x1信号作为正常工作状态下常态输出信号；

第八步，异常状态下的信号切换；在前述步骤（7）中，当PLC下位程序中z信号与PLC上位程序中手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较后出现误差，则判定AO a模块输出的x信号处于异常，此时PLC程序将对DO模块中预定的一路数字量输出通道清零、切断，使中间继电器的电磁线圈失电、释放，此时“两开两闭中间继电器”导通的是常闭点，送达“阀门执行器控制模块”中的信号也由x1切换到处于热备状态的y信号；从而判断出当前模拟量输出信号异常，可瞬时切至另一路热备信号，实现模拟量输出信号无扰切换，达到优选正常信号的实施目的，显著提高设备的稳定性、安全性。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (1)

1.基于单套PLC模拟量输出信号的冗余输出及优选切换方法，其特征在于包含以下步骤：

第一步，手动控制状态下，在一个HMI人机界面中的阀门执行器控制对话框中手动赋与阀门开度值；或在自动控制状态下，下位程序经PID计算得出阀门开度值；无论是人工赋值或程序自动控制计算得出的结果均要通过PLC程序的赋值指令或语句，同步赋送到AO a模块中的a通道和AO b模块中的b通道，a通道为到AO a模块中的一路可用通道，b通道为AO b模块中的一路可用通道；此前的准备工作包括在下位程序中要编辑好上述两个通道的标签、硬件地址；

PLC程序的输出结果送入AO a模块中的a通道的模拟量输出信号称为x信号，输出结果进入AO b模块中b通道的模拟量输出信号称为y信号；使a通道中x信号与b通道中y信号完全一致,即通过两个不同的AO模块输出两个完全一致的AO信号；

第二步，我们将AO a模块下的a通道的硬接线，接入“一入二出隔离器”的输入端in，正负两个端子5+、6－，此时a通道下的x信号经过“一入二出信号隔离器”后，在输出端out1，正负两个端子3+、4－输出x1信号，在out2端正负两个端子1+、2－输出x2信号，常态下x1信号、x2信号均与x信号完全一致；将一组AO信号复制出两组相同的AO信号，为模拟量信号的检测判别提供条件；

第三步，我们将“一入二出信号隔离器”的输出端out2的x2信号通过硬接线分别接入“二开二闭中间继电器”中两个常开点的接线端，即“一入二出信号隔离器”的输出端out2中的“1+”“2－”对应接入“二开二闭中间继电器”中两个NO常开点中“13”“23”；再将“一入二出信号隔离器”的输出端out1的x1信号的“3+”“4－”通过硬接线接入AI模拟量输入模块内预设置好的一路可用通道中，将接入此通道的AI信号称为z信号，正常状态下，x信号=x1信号=x2信号=z信号；从而可输出一组为判断硬接点上模拟量信号是否异常而专用的反馈检测信号；并为中间继电器常开点上送达一组AO信号；

第四步，将AO b 模块下的b通道通过硬接线，接入中间继电器的两个NC常闭点中“12+”“22－”，此时y信号被送达中间继电器两个NC常闭点；中间继电器输入端接入另一组AO信号；中间继电器常开点与常闭点上的源自两个不同AO模块的x1信号与y信号已处于热备冗余状态；

第五步，将DO数字量输出模块下预设置好的一路通道，用硬接线依正、负连接到“两开两闭中间继电器”线圈接线端A1、A2；PLC对“两开两闭中间继电器”的电磁线圈进行控制，使其按功能和程序设定，使电磁线圈得电吸合、失电释放，从而带动常开、常闭点同步动作，实现切换和选择模拟量输出信号；

第六步，将“两进两出中间继电器”的输出端11、21，用硬接线依正、负连接到受控单元控制模块中的4－20mA信号输入端子；使无异常且优选后的模拟量输出信号接入到“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；

第七步，正常状态下的信号传递，PLC会在下位程序扫描周期内检测z信号,因z信号源于AO a模块中输出的x信号，故PLC下位程序中通过z信号与PLC上位程序的手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较，来判定AO a模块输出的x信号是否正常，如正常则PLC程序驱使DO模块中预设的一路数字输出量闭合导通，此时“两开两闭中间继电器”电磁线圈得电吸合，常开点上源自x信号的x1信号最终被送往“阀门执行器控制模块”中的信号输入侧；从而选择常开点上x1信号作为正常工作状态下常态输出信号；

第八步，异常状态下的信号切换；在前述步骤（7）中，当PLC下位程序中z信号与PLC上位程序中手动赋与的阀门开度值或下位程序计算出的阀门给定值进行比较后出现误差，则判定AO a模块输出的x信号处于异常，此时PLC程序将对DO模块中预定的一路数字量输出通道清零、切断，使中间继电器的电磁线圈失电、释放，此时“两开两闭中间继电器”导通的是常闭点，送达“阀门执行器控制模块”中的信号也由x1切换到处于热备状态的y信号；从而判断出当前模拟量输出信号异常，可瞬时切至另一路热备信号，实现模拟量输出信号无扰切换，达到优选正常信号的实施目的，显著提高设备的稳定性、安全性。

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