PLC是现代工业的三大支柱之一，是可靠性高、应用非常广泛的工业控制产品。在中大型模块化的PLC 产品中，CPU模块（中央处理器）是PLC的中心。一些重大的工业生产线往往要求连续运行不能停顿，而可靠性再高的PLC也不能保证故障为零，因此，双 CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。下面以熔盐炉自控系统为实例详述双CPU冗余控制的实现方法。

一、熔盐炉自动系统综述

熔盐炉自控系统是一水硬铝管道化溶出生产线上的重要环节，控制熔盐的加热和循环，用熔盐的热量去循环加热铝矿石浆。铝矿石浆的加热至关重要，影响最终产品—氧化铝的质量和产量，因此，熔盐的温度控制和循环控制非常重要。

由于熔盐炉系统在管道化工程中的重要性，同时考虑到熔盐是一种活跃的化学品，在不同的温度下有不同的 形态，低温下凝固，高温下不稳定会发生化学反应，从而腐蚀管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作简便和自动化管理是系统设计的关键，因此考虑用一套双 CPU冗余的PLC、两套工控机、高质量的传感器、变送器和执行机构来控制两台1200万大卡的熔盐炉、一台盐泵、一组盐阀、一个熔盐槽和其他相关设备， 实现熔盐的加热和循环过程自动化、计算机操作、监控和管理的自动化控制。该系统如图1所示。

控制器PLC、工控机(包括显示器)、通讯网络和电源及关键测试点等系统中的重要部件均采用冗余结 构，两套工控机和大屏幕显示器组成的两套监控操作管理台并行运行；两条冗余的ControlNet高速通讯网络同时传送数据；两套直流电源同时向控制器 PLC、变送器和开关量输入模块供电，关键测试点同时设置两个传感器测试数据。

冗余设计使系统关键部件的可靠性提高了一倍，而使系统的整体可靠性大大的提高。

二、双CPU的PLC控制器

PLC控制器是系统控制的中心，采集系统的全部工况信号，实时控制相关的设备动作；同时监视生产过程 参数和设备运行状态，当危险工况出现时，及时发出声光报警，当极限工况出现时，联锁保护设备，保障生产过程安全。为此，我们选择了以产品可靠性高著称的罗 克韦尔自动化公司的新一代控制平台：A-B ControlLogix系列，同时考虑采用双CPU模块冗余，进一步提高系统可靠性，避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。

三、两种双CPU冗余方式的比较

ControlLogix提供有两种CPU冗余解决方法，一种为纯硬件冗余，另一种为软件冗余。硬件冗余的方法，是将两个CPU模块插在不同的两个机架上，每个机架上除了CPU模块，还要有通讯模块CNBR、热备模块SRM和两个热备模块间的连接光缆，如图2所示。

软件冗余，是将两个CPU模块插在同一个框架上，利用背板通讯，进行冗余控制，如图3所示。

从以上可以看出，纯硬件冗余的方式硬件投入较多，成本开支较大大。而软件冗余，只需增加一块CPU模 块，成本增加很少，因为一般像CPU这种PLC的心脏，厂家都会配有备件，用备件来实现冗余控制，既提高了系统的可靠性和可维护性（可做到在线维护，不影 响生产线运行），又不会显著增加成本开支。

单纯从可靠性方面分析，纯硬件的冗余较之软件冗余并无优势。因为增加了较多的部件、模块，这些部件和 模块的故障，也会影响系统的可靠性。例如，当两个热备模块之间的连接光缆出现故障，同样会使冗余控制失效。而软件冗余，只增加了一块CPU模块，而两个 CPU模块的同时故障率几乎为零。

纯硬件冗余的优点之一，就是不需要软件进行专门的编程，CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。而软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程解决的。因此，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大。

综合考虑以上因素，本熔盐炉自动系统采用软件方式实现PLC的双CPU冗余控制。两块CPU模块同时 在系统中运行，一块运行于主控模式，另一块运行于热备份模式。当其中任一块CPU发生故障时另一块CPU立即监视到并发出报警，自动将正常的CPU投入主 控模式。CPU的无扰动切换，使系统一直受控，确保了安全，同时，使管道化生产线一直处于正常运行的良好工况中。

四、软件实现

1. 控制权的裁决和转移 — 两块CPU同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权，而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接，但输出被禁止。
   
   两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现对方故障，立即发出报警，通过ControlNet网，传送给上位工控机，在操作管理台上显示报警。如果是主控CPU模块故障，热备CPU模块自动获得主控制权。控制权的裁决和转移的软件框图如图4所示。
2. 两块CPU模块的同步控制 — 由于热备CPU随时准备着，一旦主CPU故障，就立即获取主控制权而成为主控CPU，因此，主CPU 必须将自己的信息随时传递给热备CPU，而热备CPU必须跟踪主CPU的变化，与主CPU保持同步，这样，在两块CPU模块进行控制权的转移时，实现无扰 动切换。CPU模块的同步控制程序框图如图5所示。

五、结束语

用A-B ControlLogix双CPU的PLC控制器实现的熔盐炉自动系统，已于2001年底开始成功运行于中国铝业河南分公司，运行情况良好，满足了一水硬铝管道化溶出氧化铝生产线的工艺要求。

我们的体会是，ControlLogix双CPU冗余控制的软件方式实现是一种经济、有效的方法，它成本支出不大，却能使系统的可靠性大大提高。

另外，双CPU冗余控制时，如何利用Map命令，只将具有主控制权的CPU数据通过ControlNet网传送给其他控制设备，是值得进一步研究的。

参考文献

1. Allen-Bradley Logix5550 Controller User’s Guide 1756-6.5.12 SEP 1999
2. Allen-Bradley Software Output Switching Publication 1756-AP001A-US-E-December 1999