XPAC-8000 控 制 器 和 iDCS-8000 硬 冗 余 I/O实 现 的 冗 余 控 制 系 统前 言XP-8X41 系 列 产 品 是 泓 格 科 技 PAC 产 品 家 族 中功 能 最 强 大 的 PAC 控 制 器 , 它 在 保 证 稳 定 性 和 可 靠性 的 同 时 , 也 提 供 了 等 同 于 PC 的 运 算 能 力 和 灵 活性 。iDCS-8000 是 一 款 使 用 Ethernet 通 讯 协 议 内 建的 远 程 处 理 I/O 单 元 , 可 以 搭 配 由 <strong>ICP</strong> <strong>DAS</strong> 所 提 供多 种 的 I/O 模 块 使 用 , 像 是 模 拟 输 入 、 模 拟 输 出 、 数字 量 输 入 、 数 字 量 输 出 及 计 数 等 模 块 , 透 过Ethernet 传 输 方 式 可 以 被 使 用 在 远 程 资 料 的 撷 取 及控 制 、 环 境 监 视 、 电 源 管 理 、 工 厂 自 动 化 等 各 种 工业 控 制 领 域 。关 键 字XPAC、iDCS-8000、 冗 余 控 制 系 统 、 二 重 化概 要冗 余 技 术 就 是 增 加 多 余 的 设 备 , 以 保 证 系 统 更加 可 靠 、 安 全 地 工 作 。 冗 余 的 分 类 方 法 多 种 多 样 ,按 照 在 系 统 中 所 处 的 位 置 , 冗 余 可 分 为 元 件 级 、 部件 级 和 系 统 级 ; 按 照 冗 余 的 程 度 可 分 为 1:1 冗 余 、1:2 冗 余 、1:n 冗 余 等 多 种 。 在 当 前 元 器 件 可 靠 性 不断 提 高 的 情 况 下 , 和 其 它 形 式 的 冗 余 方 式 相 比 ,1:1的 部 件 级 热 冗 余 是 一 种 有 效 而 又 相 对 简 单 、 配 置 灵活 的 冗 余 技 术 实 现 方 式 , 如 I/O 卡 件 冗 余 、 电 源 冗余 、 主 控 制 器 冗 余 等 。 因 此 , 目 前 国 内 外 主 流 的 过程 控 制 系 统 中 大 多 采 用 了 这 种 方 式 。 当 然 , 在 某 些局 部 设 计 中 也 有 采 用 元 件 级 或 多 种 冗 余 方 式 组 合 的成 功 范 例 。 二 个 部 件 组 成 的 并 联 系 统 ( 互 为 冗 余 )与 单 部 件 相 比 , 平 均 无 故 障 时 间 是 原 来 的 1.5 倍 。但 它 并 不 是 两 个 部 件 简 单 的 并 联 运 行 , 而 是 需要 硬 件 、 软 件 、 通 讯 等 协 同 工 作 来 实 现 。 将 互 为 冗余 的 两 个 部 件 构 成 一 个 有 机 的 整 体 , 通 常 包 括 以 下多 个 技 术 要 点 :1、 信 息 同 步 技 术它 是 工 作 、 备 用 部 件 之 间 实 现 无 扰 动 切 换 技 术的 前 提 , 只 有 按 控 制 实 时 性 要 求 进 行 高 速 有 效 的 信息 同 步 , 保 证 工 作 、 备 用 部 件 步 调 一 致 地 工 作 , 才能 实 现 冗 余 部 件 之 间 的 无 扰 动 切 换 。在 热 备 用 工 作 方 式 下 , 其 中 一 块 处 于 工 作 状 态( 工 作 卡 ), 实 现 系 统 的 数 据 采 集 、 运 算 、 控 制 输出 、 网 络 通 讯 等 功 能 ; 而 另 一 块 处 于 备 用 状 态 ( 备用 卡 ), 它 实 时 跟 踪 工 作 卡 的 内 部 控 制 状 态 ( 即 状态 同 步 )。 工 作 / 备 用 卡 件 之 间 的 正 / 负 逻 辑 是 互 斥的 , 即 一 个 为 工 作 卡 , 另 一 个 必 定 是 备 用 卡 ; 而 且它 们 之 间 有 冗 余 控 制 电 路 ( 又 称 工 作 / 备 用 控 制 电路 ) 和 信 息 通 讯 电 路 , 以 协 调 两 块 卡 件 同 时 而 且 有序 地 运 行 , 保 证 对 外 输 入 输 出 特 性 的 同 一 性 , 即 对于 用 户 使 用 而 言 , 可 以 认 为 只 有 一 个 部 件 。 一 般 在设 计 中 , 工 作 、 备 用 部 件 之 间 通 过 高 速 的 冗 余 通 讯通 道 实 现 运 行 状 态 互 检 和 控 制 状 态 的 同 步 。2、 故 障 检 测 技 术为 了 保 证 系 统 在 出 现 故 障 时 及 时 将 冗 余 部 分 投入 工 作 , 必 须 有 高 精 确 的 在 线 故 障 检 测 技 术 , 实 现故 障 发 现 、 故 障 定 位 、 故 障 隔 离 和 故 障 报 警 。 故 障检 测 包 括 电 源 、 微 处 理 器 、 数 据 通 讯 链 路 、 数 据 总线 及 I/O 状 态 等 。 其 中 故 障 诊 断 包 括 故 障 自 诊 断 和 故障 互 检 。3、 故 障 仲 裁 技 术 和 切 换 技 术精 确 及 时 地 发 现 故 障 后 , 还 需 要 及 时 确 定 故 障的 部 位 、 分 析 故 障 的 严 重 性 , 依 赖 前 文 提 到 的 冗 余控 制 电 路 , 对 工 作 、 备 用 故 障 状 态 进 行 分 析 、 比 较和 仲 裁 , 以 判 定 是 否 需 要 进 行 工 作 / 备 用 之 间 的 状 态切 换 。 控 制 权 切 换 到 冗 余 备 用 部 件 还 必 须 保 证 快速 、 安 全 、 无 扰 动 。 当 处 于 工 作 状 态 的 部 件 出 现 故障 ( 断 电 、 复 位 、 软 件 故 障 、 硬 件 故 障 等 ) 或 者 工作 部 件 的 故 障 较 备 用 部 件 严 重 时 , 备 用 部 件 必 须 快速 地 无 扰 动 地 接 替 工 作 部 件 的 所 有 控 制 任 务 , 对 现场 控 制 不 造 成 任 何 影 响 。 同 时 要 求 切 换 时 间 应 为 毫秒 级 , 甚 至 是 微 秒 级 , 这 样 就 不 会 因 为 该 部 件 的 故障 而 造 成 外 部 控 制 对 象 的 失 控 或 检 测 信 息 失 效 等等 。 另 外 , 还 需 要 尽 快 通 过 网 络 通 讯 或 就 地 LED 显示 进 行 报 警 , 通 知 用 户 出 现 故 障 的 部 件 和 故 障 情况 , 以 便 进 行 及 时 维 护 。4、 热 插 拔 技 术为 了 保 证 容 错 系 统 具 有 高 可 靠 性 , 必 须 尽 量 减少 系 统 的 平 均 修 复 时 间 MTBR。 要 做 到 这 一 点 , 在设 计 上 应 努 力 提 高 单 元 的 独 立 性 、 可 修 复 性 、 故 障可 维 护 性 。 实 现 故 障 部 件 的 在 线 维 护 和 更 换 也 是 冗余 技 术 的 重 要 组 成 部 分 , 它 是 实 现 控 制 系 统 故 障 部件 快 速 修 复 技 术 的 关 键 。 部 件 的 热 插 拔 功 能 可 以 在不 中 断 系 统 正 常 控 制 功 能 的 情 况 下 增 加 或 更 换 组件 , 使 系 统 平 稳 地 运 行 。51 WWW.<strong>ICP</strong><strong>DAS</strong>.COM.CN
5、 故 障 隔 离 技 术冗 余 设 计 时 , 必 须 考 虑 工 作 、 备 用 部 件 之 间 的故 障 应 该 做 到 尽 可 能 互 不 影 响 或 影 响 的 概 率 相 当 小(0.01%), 即 可 认 为 故 障 是 隔 离 的 。 这 样 可 以 保证 : 处 于 备 用 状 态 的 部 件 发 生 故 障 时 , 不 会 影 响 冗余 工 作 部 件 或 其 他 关 联 部 件 的 正 常 运 行 , 保 证 冗 余的 有 效 性 。1) 、 主 控 制 卡 / 器 , 即 CPU 的 冗 余2) 、 电 源 系 统 冗 余3) 、 网 络 系 统 冗 余采 用 冗 余 网 卡 和 冗 余 网 络 接 口 。 正 常 工 作 时 ,冗 余 的 两 条 数 据 高 速 通 路 同 时 并 行 运 行 , 自 动 分 摊网 络 流 量 , 并 考 虑 了 负 载 均 衡 的 冗 余 设 计 , 使 系 统网 络 通 信 带 宽 提 高 。 当 其 中 一 路 故 障 ( 网 卡 损 坏 或出 现 线 路 故 障 ) 时 , 另 一 路 自 动 地 承 担 全 部 通 信 负载 , 保 证 通 信 的 正 常 进 行 。4)、 冷 却 系 统 冗 余利 用 控 制 柜 内 可 自 动 切 换 的 冗 余 风 扇 , 对 风 扇和 机 柜 内 温 度 进 行 实 时 监 测 , 发 现 工 作 风 扇 故 障 或柜 内 温 度 过 高 时 都 会 自 动 报 警 , 并 自 动 启 动 备 用 风扇 。5)、 信 息 冗 余在 一 些 重 要 的 控 制 场 合 , 往 往 有 更 高 的 系 统 稳定 性 和 可 靠 性 的 要 求 , 例 如 核 电 控 制 中 就 需 要 至 少 3重 硬 件 冗 余 的 设 计 。硬 件 组 成XPAC 控 制 器 使 用 X86 核 心 的 高 性 能 CPU :AMD LX800@500MHz。 她 可 以 选 配 两 款 操 作 系统 , 当 作 为 一 体 化 数 据 中 心 使 用 时 ,Windows EmbeddedStandard 2009 可 以 提 供 大 量 的 Windows 兼容 API, 配 合 嵌 入 式 组 态 软 件 , 可 以 快 速 实 现 数 据 的采 集 分 析 和 传 输 存 储 等 功 能 。当 作 为 冗 余 控 制 器 使 用 时 , 装 载 Windows EmbeddedCE 6.0, 使 用 ISaGRAF 软 体 , 可 以 非 常 简易 的 设 计 一 款 高 性 能 的 冗 余 控 制 系 统 , 并 快 速 部署 。iDCS-8000 支 持 二 重 化 MCU 模 块 与 二 重 化 的 电源 模 块 最 多 可 支 持 8 个 I/O 模 块 , 而 每 个 iDCS-8000最 多 支 持 4 组 二 重 化 I/O 模 块 。 可 提 供 用 户 规 划 于 二重 化 系 统 上 。主 控 制 器 可 透 过 以 太 网 路 的 通 讯 标 准 Modbus/TCP 通 讯 格 式 与 iDCS-8000 连 接 通 讯 , 可 十 分 方 便提 供 控 制 器 扩 展 远 程 I/O 功 能 。iDCS-8000 具 有 以 下 特 点 :◆ 紧 凑 型 的 设 计iDCS-8000 是 小 型 、 高 密 度 安 装 型 的 远 程 I/O单 元 , 不 仅 提 高 安 装 效 率 , 同 时 也 节 省 安 装 空 间 。◆ Ethernet I/O 单 元iDCS-8000 是 Ethernet 型 的 远 程 I/O 单 元 , 提供 专 用 通 讯 格 式 , 它 的 特 性 为 应 用 各 种 工 业 中 , 进行 存 取 及 控 制 远 程 的 I/O。 可 依 需 求 扩 展 至 多 个 远程 I/O 单 元 。◆ 内 含 Real time OS-MiniOS7 (DOS like OS)iDCS-8000 内 含 Real time OS: MiniOS7, 提 供系 统 稳 定 的 系 统 OS, 系 统 开 机 时 间 小 于 1 秒 。◆ 可 靠 、 牢 固 且 安 装 快 速 的 灵 活 性 I/O 装 置iDCS-8000 远 程 I/O 单 元 提 供 8 个 I/O 插 槽 , 透过 此 装 置 ,I/O 模 块 之 间 的 連 接 , 则 不 再 需 要 额 外 复杂 的 布 线 。 此 外 , 各 种 I/O 模 块 可 同 时 被 插 入 插槽 , 像 是 DI、DO、AI、AO、Counter 模 块 , 每 种I/O 模 块 皆 会 有 信 道 数 。 其 插 槽 设 有 卡 锁 装 置 , 模 块可 容 易 插 入 且 不 易 松 脱 , 便 可 使 用 铝 轨 夹 安 装 于 控制 盒 。◆ 看 门 狗 机 制内 建 看 门 狗 机 制 , 当 硬 件 或 软 件 发 生 错 误 , 应用 程 序 在 0.8 秒 内 未 更 新 看 门 狗 定 时 器 时 , 将 重 置CPU, 以 防 止 系 统 因 环 境 不 良 造 成 停 止 运 作 的 机制 。◆ 三 端 隔 离 保 护 硬 件 电 路为 了 保 护 硬 件 电 路 , 避 免 受 到 像 是 噪 声 、 突波 … 等 外 部 干 扰 ,iDCS-8000 针 对 I/O、 电 源 及 网路 都 加 上 了 隔 離 的 电 路 设 计 來 加 强 保 护 。◆ 通 风 散 热 口 设 计 可 运 作 于 -25 ~ 75 ℃ 的 环 境iDCS-8000 设 置 于 四 周 皆 有 直 列 式 通 风 散 热 口设 计 的 塑 料 装 置 内 , 可 帮 助 iDCS-8000 在 运 作 时 排热 通 风 降 低 工 作 温 度 。 可 运 作 在 -25 ~ 75 ℃ 之 间的 工 作 环 境 。◆ I/O 更 新 时 间iDCS-8000 与 I/O 模 块 资 料 交 换 时 间 可 达 3 ms(256 channel DO/DI),I/O 更 新 时 间 得 依 照 不 同 I/O模 块 提 供 的 取 样 频 率 而 有 所 不 同 。WWW.<strong>ICP</strong><strong>DAS</strong>.COM.CN52