Profibus DP 從站冗余技術及其在智能電動執行機構中的應用（上）

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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針對市場上對高可靠性ProfibusDP控制系統需求，研究了相關國際標準，采用DPC31鏈路層控制器作為核心芯片，進行軟硬件協同設計，開發出符合PNO標準〈SpecificationSlaveRedundancyV1.2>要求的從站冗余協議棧，并在自儀股份的智能電動執行機構中得到應用。

1引言

近年來，隨著信息技術和自動化技術的發展，控制系統發生了新的變革。現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點在控制系統中得到日益廣泛的應用并成為當前自動化技術的熱點之一，其中以Profibus現場總線應用zui為廣泛。

Profibus現場總線通過串行通信方式，解決了工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備同控制系統之間的信息傳遞問題，但是其系統可靠性卻由此受到制約。在發電及能源輸配(石油，天然氣，電力)，采礦，環境工程，紙漿造紙，鋼鐵冶金，交通，航空等行業對系統可靠性存在非常高的要求，一旦串行鏈路出現故障或者通信端口故障，那么整個生產過程的控制必將受到嚴重影響，甚至出現事故。

針對此類問題,Profibus國際組織在2004年底提出了<SpecificationSlaveRedundancyVI.2>，該標準的制訂確立了PmfibusDP現場總線控制系統的從站冗余規范。在Profibus控制系統中，通過控制系統冗余的方式，將發生故障的單元或者串行鏈路自動切換到備用單元或者串行鏈路的方法實現系統無擾動切換，滿足系統不停機的高可用性要求。

國內尚無廠家有符合該規范的冗余從站產品面世，僅國外自動化巨頭如Siemens等擁有符合從站冗余規范的產品。而冗余電動執行機構國內沒有廠家推出此類產品。因此，開發符合<SpecificationSlaveRedundancyVI.2>標準的冗余從站設備及電動執行機構具有迫切的現實意義。

2ProfibusDP冗余技術分類及框圖

ProfibusDP冗余技術主要有三種形式：主站冗余，介質冗余，從站冗余

主站冗余:Profibus主站是整個Profibus現場總線系統中zui關鍵的部分，主站的穩定性和可靠性是保證整個系統正常運行的關鍵，因此，主站冗余非常重要。

冗余的Profibus主站具有兩個獨立的Profibus協議棧，同時還提供一個對冗余數據進行處理的冗余處理模塊。兩個協議棧相對獨立的運行，分別接收兩條總線上的消息并進行處理，然后提交給冗余處理模塊，冗余處理模塊一定的法則對兩路冗余數據進行判決，將有效數據提交給上層應用，對于上層應用程序而言，冗余鏈路是透明的。對于下行數據，從上層應用程序傳來的數據經過冗余模塊處理后分別傳給兩個ProfibusDP接口模塊，經進一步處理后發送到兩路Profibus網絡。冗余主站的兩個Profibus接口模塊在正常工作時同時運行，可以對出于工作狀態的冗余從站發送來的狀態信息進行診斷,通過增加冗余切換命令，可以在冗余從站出錯的情況下主動進行從站切換。

目前可以通過軟冗余的方式實現S7-300系統的主站冗余，也可以通過硬冗余方式直接采用S7-400H系統的主站冗余。

介質冗余:主要是對Profibus系統中傳輸介質進行冗余，在工業現場，傳輸介質zui容易出現故障。采用介質冗余模式，兩條冗余總線同時工作，同時傳輸輸入輸出數據，由冗余連接模塊將兩路冗余數據整合為一路后送入終端站點。這樣當一路介質出現問題時,Pmfibus系統中各節點仍然可以通過另一路介質進行正常通信。

從站冗余：冗余從站是整個冗余系統的一個重要部分。根據PNO的國際標準<SpecificationSlaveRedun-dancyV1.2>中定義，一個冗余從站必須滿足下列條件：

1)至少兩個Profibus總線接口；

2)兩個獨立的Profibus從站協議棧；

3)一個在兩個協議棧之間進行數據與狀態信息交換的冗余通道；

正常工作時，一個從站接口作為*從站工作，另一個從站接口作為備用從站工作。兩個從站接口之間不斷交換數據及狀態信息，保證兩個從站接口的輸入輸出數據實時一致，備用從站的狀態信息通過*從站的診斷報文傳遞給*主站。

在工程應用中，主站冗余，介質冗余和從站冗余根據需要組合使用。

3ProfibusDP從站冗余技術基本原理實際使用時，根據冗余系統的可靠性要求，可以選擇FlyingRedundancy或者SystemRedundancy•下面簡要介紹兩種冗余結構。

在FlyingRedundancy(FR)模式下：

1)*從站地址不同于備用從站地址；

2)只需要按*從站地址組態；

3)主站永遠不會通過MS0或者MSI同備用從站通信(即使存在MS0通信也是出于監控目的)。

在SystemRedundancy(SR)模式下：

1)*從站地址等于備用從站地址；

2)*從站和備用從站同時組態；

3)主站可以通過MS0(不是MSI)同備用從站通信；

4)*從站的確定不一定要依靠主站的切換命令；在正常工作中，主站同冗余從站之間通過MS0，

MS1,MS2服務進行通信：

MS0(周期性數據交換*從站使用周期性通信發送和接收過程變量，此外*從站還發送包括自己和備用從站在內的診斷信息。

備用從站同樣通過MS0服務發送和接收數據，但是這些數據是不相關的，并且也會被備用從站丟棄。

MSI(非周期數據交換》僅*從站會通過MSI服務接收和發送數據。當備用從站接收到MSI服務時，給出錯誤響應。

MS2(非周期數據交換*從站和備用從站都可以接收MS2服務。一旦一個從站接口接收到MS2服務提供的數據，將通過冗余通道傳遞給另一個從站接口。

正常情況下，如果主站支持從站冗余,那么在檢測到與*從站之間的通信失效后，主站會發送一條命令給備用從站，由備用從站執行一次冗余切換。在其他情況如僅*從站接收線或發送線斷開弓I起通信失效，主站也會檢測到并發送切換命令給從站。當然，對于主站不支持從站冗余的情況，*從站也會監測接收并且在內部看門狗溢出時執行冗余切換。正常運行時,*從站也會檢測內部軟件及硬件運行情況，一旦發現不適合作為*從站運行的因素，將啟動冗余切換。

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