摘要：在工业自动化领域中，冗余指出于系统安全和可靠性等方面的考虑，人为地对一些关键部件或功能进行重复的配置。当系统发生故障时，比如某一设备发生损坏，冗余配置的部件可以作为备援，及时介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。冗余尤用于应急处理。在现有工业自动化模拟信号采集技术领域，通常是现场传感器、调理电路、ADC采集后输入到MCU进行处理，正常使用不存在任何问题。一旦产品本身出现影响现场使用的故障，将直接导致现场运行停止，影响正常的生产运行。本论文基于系统设计原理，增加冗余采集功能，产品正常工作期间，根据用户需要正常输入现场模拟信号采集值，若其中一个模块出现故障不能正常采集，则冗余模块可以继续采集现场信号供系统采纳使用，确保现场设备运行正常，不影响生产运行。同时用户可以通过更换故障产品的方式，恢复现场冗余产品采集功能，确保现场一直处于冗余采集工作模式。

关键词：PLC技术；冗余技术；可靠运行技术

Abstract: In the field of industrial automation, redundancy refers tothe artificial and repeated configuration of some key componentsor functions in consideration of system safety and reliability. In case of a system failure, such as the failure of a certain device, redundant components can be used as backup to intervene in time and take on the work of the failed components, thus reducing the system's failure time. Redundancy is especially used for emergency treatment. In thefieldofexistingindustrialautomationanalogsignalacquisition technology, field sensors, conditioning circuits and ADC acquisitionare usually input to MCU for processing after acquisition, and therearenoproblems innormaluse. Oncetheproduct itselfappearsthe fault which affects the field use, it will directly cause the fieldoperation to stop and affect the normal production operation. Based on the principle of system design, this paper increases redundantacquisition capabilities. During the normal operation of the product, the field analog signal acquisition value is normally input accordingto the user's needs. If one of the modules fails to collect normally,the redundant module can continue to collect the signal which isavailable for use system adopted, so as to ensure the equipmentrunning normally without affecting the production operation. At thesame time, users can restore the on-site redundant product collectionfunction by replacing the faulty products to ensure that the site hasalways been in the redundant collection mode.

Key words: PLCtechnology;Redundancytechnology;Reliability technology

可靠安全是工业自动化领域的首要需求。冗余技术是自动化领域可靠安全设计中通常采用的一种有效技术，是提高工业现场设备实施安全运行、可靠工作的最行之有效的方法之一。为了达到高可靠性和低失效率相统一的目的，我们通常会在控制系统设计和应用中采用冗余设计技术。合理的冗余设计将大大地提高系统的可靠性和安全性，同时也增加了系统的复杂度和设计的难度，应用冗余配置的系统相应地还增加了客户成本。因此，如何合理有效地进行控制系统冗余设计，是值得研究的课题。

1 PLC简介

PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

2 PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性高

高可靠性是电气控制设备的关键性能。和利时PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

（2）高性能、微型化、模块化、低功耗

和利时LK控制器配置266MHz或533MHz处理器，拥有纳秒级的处理速度，在速度、性能和功能方面优势突出。单条执行时间最快为13ns。控制器可扩展57344个数字量点或3548个模拟量点。除CPU本体集成2路独立串口、1路（或2路独立/热备工作）Ethernet接口和2路热备冗余PROFIBUS-DP总线外，还可以通过通讯扩展模块外扩ModBus等多种接口，支持当前广泛应用的通讯协议。模块和接线端子上下分开，便于安装接线，可大大节省接线时间，并便于系统维护。控制器模块功耗6W，I/O模块平均功耗2W。

（3）标准化、开放化设计

开放式的软件设计，为各类HMI软件提供标准OPC接口。编程软件符合IEC 61131-3国际标准，支持指令表（IL）、梯形图（LD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构化文本语言（ST）五种编程语言。另外还支持连续过程控制中经典的连续功能块图（CFC）编程。提供了顺序、过程、运动控制和常用标准算法。

（4）可选冗余

可在同一本地背板上配置冗余控制器模块。采用主、从热备冗余，主、从控制器模块同时接收网络数据，同时做控制运算，但只有主控制器输出运算结果，且实时更新数据。从控制器模块虽然也采集数据和运算，但并不输出控制命令。一旦工作中的主模块发生故障，从模块自动升为主且切换过程是无扰的。这种冗余配置方式，极大地提高了PLC系统连续运行的能力。

（5）热插拔

所有模块（通讯模块、控制器和I/O模块）均支持带电拔插。当某个模块发生故障时，维修人员可在不影响系统正常运行的情况下进行维修和更换。

3 冗余采集原理及器件选型

3.1 冗余采集原理

在现场设备端口，电流信号经防护通道和采样电阻转换成电压信号，经滤波电路和差分转单端后，进行信号调理进入ADC采集，最终送入处理器参与运算处理。如图1所示。

图1 电流信号通道采集电路原理框图

电流源的内阻相对负载阻抗很大，负载阻抗波动不会改变电流大小。在电流源回路中串联电阻无意义，因为它不会改变负载的电流，也不会改变负载上的电压。

理想电流源，是从实际电源抽象出来的一种模型，其端口总能向外部提供一定的电流而不论其两端的电压为多少，电流源具有两个基本的性质：

它提供的电流是定值I或是一定的时间函数I（t）与两端的电压无关。

电流源自身电流是确定的，而它两端的电压是任意的。

稳压二极管，利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。

基于以上电流源和稳压二极管的特性，设计电流信号通道冗余采集电路。原理框图如图2所示。

正常工作情况下，电流信号从AI+端子流入，经产品AI-I（1）电流采样电阻R1，流经产品AI-I（2）电流采样电阻R2，返回到AI-端子，形成电流流通回路。产品AI-I（1）通道和产品AI-I（2）通道均能采集到现场电流信号值。

若产品AI-I（1）通道出现故障，产品AI-I（2）通道正常，则电流信号从产品AI-I（1）电流采集通道对应的稳压二极管D1通过，进入产品AI-I（2）电流采集通道，形成电流流通回路。AI-I（1）电流采集通道无法采集到现场信号值，AI-I（2）电流采集通道能采集到现场信号值。

反之，若产品AI-I（1）通道正常，产品AI-I（2）通道出现故障，则电流信号从产品AI-I（1）电流采集通道流出，流经产品AI-I（2）电流采集通道对应的稳压二极管D2，形成电流流通回路。AI-I（1）电流采集通道可以采集到现场信号值，AI-I（2）电流采集通道无法采集到现场信号值。

根据实际应用需要，可以根据需要增加冗余级别，实现更加安全可靠的冗余采集功能。

图2 电流信号通道冗余采集电路原理框图

3.2 稳压二极管选型

（1）Uz—稳定电压

指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致（如图3所示）。例如，BZT52C5V1型稳压管的Vzmin为4.8V，Vztyp为5.1V，Vzmax则为5.4V。

（2）Iz—额定电流

指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差；高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。例如，BZT52C5V1型稳压管的Iz为5mA。

（3）IR—反向漏电流

指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如BZT52C5V1型稳压管在VR=2V时，IR=2uA。

图3 稳压二极管选型

3.3 电流采样电阻选型

电阻，是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。

在该冗余电路中，为确保通道正常采集最大值时，稳压二极管不对通道采样值造成限制，即4.8V/20mA=240Ω，故采样电阻R1和R2小于240Ω即可，实际选择124Ω。

以上设计，经实践验证，满足工业现场要求，可以实现通道级电流信号冗余采集。

4 结束语

本文简单介绍了PLC模拟量输入冗余实现技术，分析了冗余技术的实现要点，并以和利时模拟量输入产品为例，讨论了冗余实现方案。

总而言之，为了提高系统的可靠性，在长期不间断运行的控制场合，进行冗余模拟量输入是客户有效选择的方式之一，根据实际需求和市场价格的可接受程度，开发具备多级别冗余功能的采集模块已经成为后期产品的趋势。

★基金项目：核高基重大专项（2017ZX01030-202）资助课题。

参考文献：

[1] 向晓东. 三菱FX系列PLC完全精通教程[M]. 化学工业出版社, 2018.

[2] 和利时公司. 数据手册[Z].

作者简介：

王辉（1982-），男，研究生，工程师，现任职于北京和利时智能技术有限公司，主要研究方向为PLC技术、精密仪器、智能制造、数据采集。

摘自《自动化博览》2020年4月刊