基于PLC软冗余的通风机监控系统的研究.pdf

2019年第9期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-03-07修回日期 2019-03-19 作者简介 张红利 （1984-） ， 男 （汉族） ， 山西大同人， 助理工程师， 现从事煤矿机电方面的工作。 基于PLC软冗余的通风机监控系统的研究 张红利* 山西晋煤集团寺河煤矿二号井， 山西 晋城 048019 摘要 为保证通风机稳定运行， 引入了PLC软冗余技术， 并对该技术的原理进行了分析， 根据运行 原理进行了相应的硬件配置的选型和相应的控制程序的编写， 最后从系统无扰动切换、 故障切换、 数 据同步等方面对系统的性能进行了分析研究， 建立了故障树， 以保证系统能够可靠稳定的运行。 关键词 通风机； 软冗余； 控制； 系统性能 中图分类号 TD72 文献标识码 A 文章编号 1004-5716201909-0171-03 随着自动化技术的不断进步， 工业控制系统的可 靠性也在不断的提高， 冗余系统是针对单个设备难以 保证系统可靠性的情况所提出的一种提高系统可靠性 的解决方案， 当系统运行出现异常时， 冗余系统自动启 动， 并完成相应的控制工作， 从而提高系统的可靠性。 PLC冗余作为一种冗余系统方案出现在了工控领域。 PLC冗余包括硬件和软件， 二者都需要冗余， 硬件冗余 是指设备依靠自身的切换功能进行自动切换， 可以脱 离软件的支持； 软件通过硬件来支撑。本文介绍了一 种基于软冗余技术的煤矿通风机监控系统。软冗余是 指用软件来实现冗余系统控制， 具体实现方式是以编 程为主， 配合一台冗余PLC控制器， 不需要其他的冗余 硬件， 从而实现通风机监控冗余系统。这种方式的系 统性能与软硬件冗余的方式有所降低， 因此本文也将 对软冗余系统的运行机制和可靠性进行分析研究。 1软冗余系统的原理 软冗余系统的结构包括主站、 备站、 从站、 3条通讯 链路； 3 条通讯链路分别包括主站与从站的 PROFI⁃ BUS链路； 备站与从站的PROFIBUS链路； 主站与备 站的数据同步链路； 其中两条PROFIBUS链路是相互 独立的， 它们分别与从站进行通讯从而实现数据的相 互传输； 主站和备站之间的书同步链路则是完成主备 系统切换的通讯链路， 一旦此链路出现故障， 则系统将 无法自动切换， 备用控制器则处于无所事事的状态； 典 型的软冗余系统结构框图如图1所示。当该系统正常 工作时， 假定主控制器为A， 备用控制器为B， 那么A、 B 控制系统分别包括1台PLC控制器， 其余的供电、 输入 输出等模块为2个控制器共享， 二者互不干扰、 独立运 行。 图1典型PLC软冗余系统结构 2系统设计 2.1设备选型 针对数据同步的通讯， 基于PROFINET的传输效 率高、 设备价格低的特点， 选取了PROFINET总线作 为数据同步传输介质， 以满足系统需要保持数据同步、 稳定运行的需求； 针对控制系统与上位机软件的通讯， 采用了传统的以太网技术， 主备控制器和上位机通过 交换机进行连接， 从而实现下位机和上位机之间的实 时数据交换。基于寺河矿的主通风机采用的是变频调 速的轴流式通风机， 通风机以低频运行， 能耗低、 噪声 小， 因此控制器与变频器之间的控制， 应当合理选用模 拟量输出信号模块， 从而满足模拟量控制信号与动力 电的频率范围相对应， 从而保证通风机的调速运行能 力， 以满足煤矿生产所需的风力变化控制需要。系统 的整体结构如图1所示， 三条链路均采用PROFIBUS 171 2019年第9期西部探矿工程 作为通讯媒介， 从而实现系统的硬件连接。 2.2程序编写 基于前述的关于PLC软冗余原理， 主控制器和备 用控制器的控制程序相同， 仅需要将二者进行区别标 识即可， 具体的程序编写过程如下 （1） 主控制器的程序。主控制器的程序是一个组 织者， 用来调用各子程序块， 从而实现各部分的功能组 合调用； 它主要包括 OB1 主通风机运行参数读取； OB35 数据同步传输， 实现主备控制器的数据同步； OB80 主备系统切换； OB82 输入输出故障诊断； 0B83 主备系统通信重置； OB122 系统外围设备的通 讯连接检测等。 （2） OB1运行参数读取程序。用于读取主通风机 运行参数， 运行参数的采集是由配套的硬件完成， 并通 过通讯电缆与控制器连接， 配套巡检仪自动识别的通 讯协议， 读取其采集到的数据。本部分程序为独立运 行， 不需要进行软件的冗余编写。 （3） OB100存储区分配。该程序通过调用FC100， 从而对PLC的网络组态地址、 存储区、 映像区等进行创 建和字节数配置。 （4） OB35冗余程序。该程序主要负责通风机的不 停风到机、 A/D转换程序、 警告程序、 设备运行时间设 定等， 相应的具有系统控制、 报警显示、 数据采集等功 能， 同时该程序能够实现冗余数据的发送和接收。 综上， 即完成了主控制程序的编写， 将其复制到备 控制系统中， 并将相应的标识由A改为B， 即可完成备 控制系统的程序编写。 3性能分析 冗余系统的性能特性主要是指稳定性、 可靠性、 安 全性、 响应速度等方面， 而本文设计的基于PLC软冗余 系统是采用软件编程实现主控系统和备用系统的切 换， 因此本文将主要从数据同步时间和系统切换时间 方面进行分析。 3.1数据同步时间 数据同步主要是指将主控制器的状态信息、 冗余 数据复制到备用控制系统， 同步的时间与数据量、 同步 方式、 通讯类型等相关。 （1） 数据量。同步数据主要包括M存储器中的数 据、 输出映像存储区的数据、 冗余数据块中的数据、 OB100中存储的初始化参数的数据等， 其中M存储区 的数据长度为10字节、 输出映像区的数据长度为4字 节、 冗余数据块区为720字节， 通过计算可得出需要同 步的数据量为734字节。 （2） 同步时间。根据前文提到的冗余数据通讯采 用的是 PROFIBUS 作为传输媒介， 同步方式亦选为 PRIFIBUS， 根据通讯协议， 每次通讯可收发字节数为 240， 通讯耗时60ms， 同时考虑到中断程序设置的时间 为100ms， 从而可以计算得出， 整个系统冗余数据的传 输需要耗时400ms。 3.2主备系统切换 本冗余系统在硬件上仅提供了备用控制器， 因此 只有发生了与控制器相关的故障， 如控制器供电故障、 控制器故障、 控制器通讯故障等， 才会激活主备系统的 切换， 而其他没有硬件冗余的部分， 一旦出现故障， 则 必须进行维修或更换处理。 （1） 主控系统在备用系统调用FB101之前已经发 生了故障， 那么备用系统在进行数据接收时就会检测 到该故障， 那么系统运行的下一个周期， 备用控制系统 将会介入， 接管整个系统进行控制， 此时主备切换较为 短暂。 （2） 当主控系统在备用系统调用FB101之后才出 现故障， 那么备用系统必须在下一个扫描周期才能够 检测到此故障， 继而根据第 （1） 部分的切换流程取得整 个系统的控制， 此时主备系统的切换时间相较于第 （1） 种情况会比较长。 假设CPU的循环扫描时间为50ms， 那么主备系统 切换时间会介于4999ms之间。 4系统可靠性研究 通风机的组成设备繁多， 故障的发生存在非常多 的可能性， 且各种故障的概率也具有极大的不确定关 系， 为了提高故障分析效率， 提出了模糊故障树的分析 思路， 为基于双PLC的软冗余控制系统可靠性分析提 供理论参考。本文借助近煤矿近年来的统计数据， 再 结合查阅资料， 简单的给出系统的故障树分析图， 如图 2所示。 以图2中的编程错误故障为例， 当发生该故障时， PLC 冗余系统发生故障的概率为0.0095， 0.00147， 0.0095， 若为发生该故障， 则PLC冗余系统发生故障 的概率为0.0091， 0.00140， 0.0091， 由此可得， 该故障 的模糊度系数为0.00004， 而单个PLC控制系统发生该 故障的概率为0.04， 由此可见， PLC软冗余系统在运行 的可靠性方面有了极大的提高。 5结语 本文以寺河煤矿二号井主通风机系统为例， 首先 172 2019年第9期西部探矿工程 针对基于 PLC的软冗余原理进行了推敲分析， 在增加 小额投资的基础上， 通过引入基于PLC软冗余技术， 配 合冗余程序， 实现了风机的软冗余监控， 提高了系统运 行的稳定性、 可靠性， 最后分析了该系统在数据同步时 间和故障切换时间等性能， 并通过建立故障树， 为系统 的可靠运行提供理论基础； 通过以上分析得出PLC 软 冗余系统的确保证了系统的可靠性， 满足了煤矿安全 生产的控制要求。 参考文献 [1]赵丹.基于网络分析的矿井通风系统故障源诊断技术研究 [D].辽宁工程技术大学,2011. [2]陈蕊.基于PLC的矿井主扇风机的监控系统设计[D].太原理 工大学,2012. [3]于励民， 马小平， 任中华， 等．矿井主通风机不停风倒机控 制的研究与实现[J].工矿自动化， 2010 （9） 133-137． [4]韩慧.矿井通风安全自动监测报警系统[D].山东科技大学, 1999. 图2故障树 􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕 （上接第170页） 4结论 （1） 对矿区南华系震旦系岩石地层单位进行地 层对比、 清理， 并提出了划分方案“南沱组” 上冰碛岩 段 （Nh1n3） 替代原断头崖组第一岩性段；“陡山沱组” 第 三岩段 （Z1d3） 替代原断头崖组第二、 三岩性段；“灯影组 （Z2dn） ” 替代原断头崖组第四岩性段、 九道拐组、 望天 坪组之和。 （2） 通过对南华系震旦系进行详细观察和研究 分析， 总结出南沱组含砾岩系具冰碛岩地层特征， 且属 上冰碛岩段， 沉积环境为冰川、 冰前冰水和冰湖环境下 的产物； 陡山沱组以碳酸盐岩为主， 以产磷、 锰矿为其 主要标志。反映浅海陆棚相的深水还原沉积环境； 灯 影组为一套镁碳酸盐岩组合， 其下、 中部以产白云岩、 锌 （铅） 矿产为特征。其沉积环境应是浅海碳酸盐台地 相。 参考文献 [1]陕西省地质矿产局区域地质调查队.茶店地区1 ∶ 5万区域 地质调查报告[R].1980. [2]陕西省地质矿产局.陕西省区域地质志[M].地质出版社， 1989. [3]何建社， 等.1 ∶ 25万略阳县幅区域地质调查 （修测） 报告[R]. 陕西省地质调查院， 2007. [4]陕西省地质矿产局.全国地层多重划分与对比研究 陕西省 岩石地层[M].中国地质大学出版社， 2014. [5]赵祥生， 马少龙， 邹湘华， 修泽雷.秦巴地区碧口群时代层 序、 火山作用及含矿性研究[D]. 中国地质科学院西安地质 矿产研究所刊， 1990,29. [6]徐学义， 陈隽璐， 张二朋， 等.1 ∶ 50万秦岭及邻区地质图说明 书[M].西安地图出版社， 2008. [7]全国地层委员会.中国地层指南及中国地层指南说明书[M]. 地质出版社， 2000. 173