CN117406663A - 一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法 - Google Patents

一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法 Download PDF

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管颖
施宇冬
张淯淏
赵璇
朱佳颖
赵文玥
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Abstract

本发明涉及一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法，包括主控制器、副控制器、数字信号输入模块、数字信号输出模块、模拟信号输入模块、模拟信号输出模块和故障信号生成模块，主控制器和副控制器均与数字信号输入模块、数字信号输出模块、模拟信号输入模块和模拟信号输出模块连接，主控制器与故障信号生成模块连接，故障信号生成模块与数字信号输出模块和模拟信号输出模块连接。与现有技术相比，本发明可通过不同型号的主控制器和副控制器构建冗余系统，具有适用性广，成本较低等优点。

Description

一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法
技术领域
本发明涉及电路控制领域，尤其是涉及一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法。
背景技术
在一些对系统可靠性要求很高的行业里，例如电力、石化等，必须保证工业生产系统在一定时期内系统不间断运行。如果控制系统出现故障，势必造成极大的损失。因此在这种情况下，冗余系统便应运而生。
现有的可编程逻辑控制器(PLC)产品中，系统正常工作时，只有一个控制器模块可以拥有对整个控制系统输出模块的控制权，该控制器称为主控制器，而其他控制模块可以统一接收输入模块的数据，所以冗余的主要工作就是备份控制器，实时地监视主控制器的工作状态，如主控制器进入非正常工作状态时，备份控制器则接过控制权。同时取消主控制器对系统的控制权。这样就可以保证系统始终用正常工作的控制器工作。但这种冗余系统要求主控制器和备份控制器具有相同的固件版本型号，当二者型号不同时，现有冗余系统不能正常工作。
因此，设计一种可支持不同型号设备作为冗余模块的可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在而提供一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法，以支持使用不同型号的控制器构建冗余系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可编程逻辑控制器冗余系统，系统包括主控制器、副控制器、数字信号输入模块、数字信号输出模块、模拟信号输入模块、模拟信号输出模块和故障信号生成模块，主控制器和副控制器均与数字信号输入模块、数字信号输出模块、模拟信号输入模块和模拟信号输出模块连接，主控制器与故障信号生成模块连接，故障信号生成模块与数字信号输出模块和模拟信号输出模块连接。
进一步地，数字信号输入模块包括主控制器数字信号输入卡件、副控制器数字信号输入卡件、第一继电器、电源和压力开关，主控制器数字信号输入卡件和副控制器数字信号输入卡件分别连接第一继电器，第一继电器、电源和压力开关串联并构成回路。
进一步地，数字信号输出模块包括主控制器数字信号输出卡件、副控制器数字信号输出卡件、第二继电器、第三继电器、电磁阀和故障信号生成模块输出端，主控制器数字信号输出卡件和副控制器数字信号输出卡件分别连接第二继电器，第二继电器与第三继电器和故障信号生成模块输出端分别连接，第三继电器与电磁阀和故障信号生成模块输出端分别连接。
进一步地，模拟信号输入模块包括主控制器模拟信号输入卡件、副控制器模拟信号输入卡件、配电器和变送器，主控制器模拟信号输入卡件和副控制器模拟信号输入卡件分别连接配电器，配电器连接变送器。
进一步地，模拟信号输出模块包括主控制器模拟信号输出端口、副控制器模拟信号输出端口、第四继电器、执行机构和故障信号生成模块输出端，主控制器模拟信号输出端口和副控制器模拟信号输出端口分别连接第四继电器，第四继电器分别连接执行机构和故障信号生成模块输出端。
进一步地，故障信号生成模块包括主控制器第一控制信号输出接口、主控制器第二控制信号输出接口、第五继电器和故障信号生成模块输出端，主控制器第一控制信号输出接口和主控制器第二控制信号输出接口并联，并连接第五继电器，第五继电器连接故障信号生成模块输出端。
进一步地，主控制器、副控制器、数字信号输入模块、数字信号输出模块、模拟信号输入模块、模拟信号输出模块和故障信号生成模块均设有失信号自保持模块。
本发明的第二方面，一种如上任一的一种可编程逻辑控制器冗余系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：启动数字信号输入模块和数字信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通数字信号输入，同时使主控制器控制数字信号输出模块；
S2：启动模拟信号输入模块和模拟信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通模拟信号输入，同时使主控制器控制模拟信号输出模块；
S3：当主控制器出现错误时，主控制器通过故障信号生成模块生成故障信号；
S4：将故障信号输入数字信号输出模块，使数字信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出；
S5：将故障信号输入模拟信号输出模块，使模拟信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出，实现副控制器控制系统。
进一步地，步骤S3中，当主控制器出现第一次错误时，断开主控制器第一控制信号输出接口，当主控制器出现第二次错误时，断开主控制器第二控制信号输出接口，使第五继电器失电，闭合故障信号生成模块输出端，产生故障信号输出。
进一步地，当主控制器修复后，闭合主控制器第一控制信号输出接口和主控制器第二控制信号输出接口，使第五继电器上电，断开故障信号生成模块输出端，使主控制器控制系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明中通过数字信号输入模块和模拟信号输入模块向主控制器和副控制器同步输入信号，保证信息同步；故障发生时，故障信号生成模块激活数字信号输出模块、模拟信号输出模块，实现控制器冗余切换，适用性广，成本较低。
2)本发明使用继电器和配电器做信号隔离，保证信号之间不会相互影响，保证信号传输稳定性。
3)本发明可选用不同型号的主控制器和副控制器实现切换控制，泛用性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明数字信号输入模块的结构示意图。
图3为本发明数字信号输出模块的结构示意图。
图4为本发明模拟信号输入模块的结构示意图。
图5为本发明模拟信号输出模块的结构示意图。
图6为本发明故障信号生成模块的结构示意图。
图中标记说明：1、主控制器，2、副控制器，3、数字信号输入模块，4、数字信号输出模块，5、模拟信号输入模块，6、模拟信号输出模块，7、故障信号生成模块，11、主控制器数字信号输入卡件，12、主控制器数字信号输出卡件，13、主控制器模拟信号输入卡件，14、主控制器模拟信号输出端口，15、主控制器第一控制信号输出接口，16、主控制器第二控制信号输出接口，21、副控制器数字信号输入卡件，22、副控制器数字信号输出卡件，23、副控制器模拟信号输入卡件，24、副控制器模拟信号输出端口，31、第一继电器，32、电源，33、压力开关，41、第二继电器，42、第三继电器，43、电磁阀，51、配电器，52、变送器，62、执行机构，61、第四继电器，70、故障信号生成模块输出端，71、第五继电器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本发明为一种可编程逻辑控制器冗余系统和控制方法，如图1所示，系统包括主控制器1、副控制器2、数字信号输入模块3、数字信号输出模块4、模拟信号输入模块5、模拟信号输出模块6和故障信号生成模块7，主控制器1和副控制器2均与数字信号输入模块3、数字信号输出模块4、模拟信号输入模块5和模拟信号输出模块6连接，主控制器1与故障信号生成模块7连接，故障信号生成模块7与数字信号输出模块4和模拟信号输出模块6连接。
如图2所示，数字信号输入模块3包括主控制器数字信号输入卡件11、副控制器数字信号输入卡件21、第一继电器31、电源32和压力开关33，主控制器数字信号输入卡件11和副控制器数字信号输入卡件21分别连接第一继电器31，第一继电器31、电源32和压力开关33串联并构成回路；
当压力开关33闭合时，回路接通，第一继电器31线圈带电，使主控制器数字信号输入卡件11和副控制器数字信号输入卡件21闭合，冗余系统进入工作状态。
如图3所示，数字信号输出模块4包括主控制器数字信号输出卡件12、副控制器数字信号输出卡件22、第二继电器41、第三继电器42、电磁阀43和故障信号生成模块输出端70，主控制器数字信号输出卡件12和副控制器数字信号输出卡22件分别连接第二继电器41，第二继电器41与第三继电器42和故障信号生成模块输出端70分别连接，第三继电器41与电磁阀43和故障信号生成模块输出端70分别连接；
当主控制器正常工作时，主控制器控制电磁阀43；当主控制器故障时，故障信号生成模块输出端70接通，第二继电器32和第三继电器41的线圈均带电，使副控制器连接并继续控制电磁阀43工作。
如图4所示，模拟信号输入模块5包括主控制器模拟信号输入卡件13、副控制器模拟信号输入卡件23、配电器51和变送器52，主控制器模拟信号输入卡件13和副控制器模拟信号输入卡件23分别连接配电器51，配电器51连接变送器52；
通过该设置，变送器52的信号可以同时发送到主控制器和副控制器中，保证两个控制器接收到的模拟信号输入相同，保证控制切换发生后，控制器的输入不变。
如图5所示，模拟信号输出模块6包括主控制器模拟信号输出端口14、副控制器模拟信号输出端口24、第四继电器61、执行机构62和故障信号生成模块输出端70，主控制器模拟信号输出端口14和副控制器模拟信号输出端口24分别连接第四继电器61，第四继电器61分别连接执行机构62和故障信号生成模块输出端70。
当主控制器正常工作时，主控制器控制执行机构62；当主控制器故障时，故障信号生成模块输出端70接通，第四继电器61线圈带电，切换至副控制器控制执行机构62工作。
如图6所示，故障信号生成模块7包括主控制器第一控制信号输出接口15、主控制器第二控制信号输出接口16、第五继电器71和故障信号生成模块输出端70，所述主控制器第一控制信号输出接口15和主控制器第二控制信号输出接口16并联，并连接第五继电器71，第五继电器71连接故障信号生成模块输出端70。
当主控制器正常工作时，主控制器第一控制信号输出接口15和主控制器第二控制信号输出接口16接通，第五继电器71线圈带电，故障信号生成模块输出端70断开，当主控制器工作首次发生错误时，断开主控制器第一控制信号输出接口15；当主控制器工作第二次发生错误时，断开主控制器第二控制信号输出接口16，此时第五继电器71线圈失电，故障信号生成模块输出端70闭合，输出故障信号。
当主控制器经过维护后，重新闭合主控制器第一控制信号输出接口15和主控制器第二控制信号输出接口16，使第五继电器71线圈带电，断开故障信号生成模块输出端70，使系统恢复主控制器控制状态。
本发明的具体控制方法为：
S1：启动数字信号输入模块和数字信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通数字信号输入，同时使主控制器控制数字信号输出模块；
S2：启动模拟信号输入模块和模拟信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通模拟信号输入，同时使主控制器控制模拟信号输出模块；
S3：当主控制器出现错误时，主控制器通过故障信号生成模块生成故障信号；
S4：将故障信号输入数字信号输出模块，使数字信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出；
S5：将故障信号输入模拟信号输出模块，使模拟信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出，实现副控制器控制系统。
优选地，为了保障设备安全运行，防止切换失败，系统中所有的电机及执行机构等设备具备失信号自保持功能。
本实施例中，主控制器为AB Logix5000系列控制器，副控制器为AB SLC500系列控制器。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述系统包括主控制器(1)、副控制器(2)、数字信号输入模块(3)、数字信号输出模块(4)、模拟信号输入模块(5)、模拟信号输出模块(6)和故障信号生成模块(7)，所述主控制器(1)和副控制器(2)均与数字信号输入模块(3)、数字信号输出模块(4)、模拟信号输入模块(5)和模拟信号输出模块(6)连接，所述主控制器(1)与故障信号生成模块(7)连接，所述故障信号生成模块(7)与数字信号输出模块(4)和模拟信号输出模块(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述数字信号输入模块(3)包括主控制器数字信号输入卡件(11)、副控制器数字信号输入卡件(21)、第一继电器(31)、电源(32)和压力开关(33)，所述主控制器数字信号输入卡件(11)和副控制器数字信号输入卡件(21)分别连接第一继电器(31)，所述第一继电器(31)、电源(32)和压力开关(33)串联并构成回路。
3.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述数字信号输出模块(4)包括主控制器数字信号输出卡件(12)、副控制器数字信号输出卡件(22)、第二继电器(41)、第三继电器(42)、电磁阀(43)和故障信号生成模块输出端(70)，所述主控制器数字信号输出卡件(12)和副控制器数字信号输出卡件(22)分别连接第二继电器(41)，所述第二继电器(41)与第三继电器(42)和故障信号生成模块输出端(70)分别连接，所述第三继电器(42)与电磁阀(43)和故障信号生成模块输出端(70)分别连接。
4.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述模拟信号输入模块(5)包括主控制器模拟信号输入卡件(13)、副控制器模拟信号输入卡件(23)、配电器(51)和变送器(52)，所述主控制器模拟信号输入卡件(13)和副控制器模拟信号输入卡件(23)分别连接配电器(51)，所述配电器(51)连接变送器(52)。
5.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述模拟信号输出模块(6)包括主控制器模拟信号输出端口(14)、副控制器模拟信号输出端口(24)、第四继电器(61)、执行机构(62)和故障信号生成模块输出端(70)，所述主控制器模拟信号输出端口(14)和副控制器模拟信号输出端口(24)分别连接第四继电器(61)，所述第四继电器(61)分别连接执行机构(62)和故障信号生成模块输出端(70)。
6.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述故障信号生成模块(7)包括主控制器第一控制信号输出接口(15)、主控制器第二控制信号输出接口(16)、第五继电器(71)和故障信号生成模块输出端(70)，所述主控制器第一控制信号输出接口(15)和主控制器第二控制信号输出接口(16)并联，并连接第五继电器(71)，第五继电器(71)连接故障信号生成模块输出端(70)。
7.根据权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统，其特征在于，所述主控制器(1)、副控制器(2)、数字信号输入模块(3)、数字信号输出模块(4)、模拟信号输入模块(5)、模拟信号输出模块(6)和故障信号生成模块(7)均设有失信号自保持模块。
8.一种如权利要求1-7任一所述的一种可编程逻辑控制器冗余系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：启动数字信号输入模块和数字信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通数字信号输入，同时使主控制器控制数字信号输出模块；
S2：启动模拟信号输入模块和模拟信号输出模块，使主控制器和副控制器均接通模拟信号输入，同时使主控制器控制模拟信号输出模块；
S3：当主控制器出现错误时，主控制器通过故障信号生成模块生成故障信号；
S4：将故障信号输入数字信号输出模块，使数字信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出；
S5：将故障信号输入模拟信号输出模块，使模拟信号输出模块切换至副控制器控制数字信号输出，实现副控制器控制系统。
9.根据权利要求8所述的一种控制方法，其特征在于，步骤S3中，当主控制器出现第一次错误时，断开主控制器第一控制信号输出接口，当主控制器出现第二次错误时，断开主控制器第二控制信号输出接口，使第五继电器失电，闭合故障信号生成模块输出端，产生故障信号输出。
10.根据权利要求9所述的一种控制方法，其特征在于，当主控制器修复后，闭合主控制器第一控制信号输出接口和主控制器第二控制信号输出接口，使第五继电器上电，断开故障信号生成模块输出端，使主控制器控制系统。
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