1.OPTO22控制系統(tǒng)及應用背景 OPTO22控制系統(tǒng)是由OPTO22公司提供的一系列產(chǎn)品搭建而成。OPTO22公司位于美國加州，成立于1974 年，是工業(yè)I/O模塊和控制系統(tǒng)的重要制造商。OPTO22產(chǎn)品特別適用于在各種惡劣環(huán)境下完成不同要求和高可靠性的控制，其I/O硬件模塊在世界上率先采用了陶瓷材料封裝，使其具有極好的抗惡劣環(huán)境的性能，且終生保用。該公司于1988年，在世界上第1個推出了基于流程圖的控制軟件，為工業(yè)自動化控制提供了一個更加簡單方便的捷徑。在90年代，OPTO22公司先后推出Mistic I/O、SNAP I/O控制系統(tǒng)和基于以太網(wǎng)I/O控制系統(tǒng)，逐步取代傳統(tǒng)的PLC和DCS。 在舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統(tǒng)的技術改造項目（此項目包括3個要改造的20t鍋爐）中，公司從性能價格比方面考慮，最終選用了OPTO22公司的一系列產(chǎn)品來組建控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上、下位機方式，在現(xiàn)場采用多級CPU進行控制處理，各I/O模塊對輸入輸出信號能提供4000V的隔離，系統(tǒng)的實時性、可靠性、靈活性優(yōu)于其他系統(tǒng)。系統(tǒng)的上位機主要由工控機、控制軟件組成；下位機主要由控制器、智能板、I/O模塊組成。上位機與控制器是通過100Mb/s以太網(wǎng)進行通信，控制器與智能板是通過RS485進行串行通信，I/O模塊直接插在智能板上。控制軟件從上位機通過以太網(wǎng)下載至控制器。OPTO22控制系統(tǒng)隨機附帶的軟件包括OptoControl、OptoDisplay、OptoConnect 、OptoServer等配套軟件。 該項目明確要求：系統(tǒng)除了具備正常的汽包水位控制外，還需具備熱備功能。在控制器熱備切換過程中，一些重要的參數(shù)，如蒸汽產(chǎn)量，PID調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)不能丟失，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，不能出現(xiàn)突變。由于OPTO22控制系統(tǒng)軟件中不包括控制器熱備的模塊，所以需要開發(fā)一套具有熱備功能的控制系統(tǒng)。 2.熱備控制系統(tǒng)的概念及其組成 在一些重要的控制場合，需要控制器長期連續(xù)工作，不允許出現(xiàn)絲毫問題。例如在熱電廠、鋼鐵廠的鍋爐儀表控制中，如果控制器出現(xiàn)問題，鍋爐不能正常工作，則不能向各個車間提供蒸汽，因此而影響各個車間的正常生產(chǎn)，有時甚至造成嚴重事故。控制器一旦不能正常工作，必須采取及時措施，或手動干預，或自動干預，使被控制的設備仍然能正常工作。另外，在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)有時需要調(diào)整控制程序，但在調(diào)整程序的時候，要求不間斷生產(chǎn)，并且一些記錄產(chǎn)量的重要數(shù)據(jù)不能從控制器中丟失。在這樣的控制系統(tǒng)中，一般配備兩個控制器，一個稱為主控制器，另一個稱為備份控制器。在正常情況下，控制系統(tǒng)使用主控制器進行控制。當出現(xiàn)意外情況或調(diào)整主控制器程序時，主控制器不能正常工作，則系統(tǒng)自動啟動備份控制器代替主控制器進行控制。當主控制器恢復工作后，系統(tǒng)能夠自動從備份控制器切換回主控制器，我們通常把這一過程稱為熱備過程。 在熱備控制系統(tǒng)中，主控制器與備份控制器的連接與組成如圖1所示。系統(tǒng)的主控制器，備份控制器通過以太網(wǎng)（Ethernet）與工控計算機相連，控制器則通過RS485串口與智能板相連。主控制器的兩根RS485控制線與數(shù)字量智能板(B1)的常閉節(jié)點模塊ODC5R5相連， 從ODC5R5模塊引出的控制線與智能板。（B1、B2...）的信號輸入端相連，構(gòu)成主控制器的信號通道。同理備份控制器的兩根RS485控制線與數(shù)字量智能板(B1)的常開節(jié)點模塊ODC5R5相連，從ODC5R5模塊引出的控制線再與智能板（B1、B2...）的信號輸入端相連，構(gòu)成備份控制器的信號通道。這樣，可以通過控制常開、常閉節(jié)點來控制主、備控制器與智能板之間的信號通道的通斷，從而控制主、備控制器與智能板之間的通信。在主、備控制器之間通過RS232串口進行連接，實現(xiàn)主、備控制器之間的備份數(shù)據(jù)的傳輸。 3.工作原理 3.1數(shù)據(jù)傳輸 主控制器與備份控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是熱備系統(tǒng)的一個重要問題。熱備時系統(tǒng)需要不斷地從主控制器將一些重要的設定數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺浞菘刂破?。只有這樣，在控制器切換時，系統(tǒng)才能繼續(xù)正常工作，實現(xiàn)無擾動切換。否則，由于設定數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)的突變，可能引起系統(tǒng)的突變，造成難以預料的后果。 在本文的熱備系統(tǒng)中，主、備控制器數(shù)據(jù)傳輸是通過RS232串口實現(xiàn)的。使用RS232串口傳輸數(shù)據(jù)時應遵循以下4步： （1）在主、備控制器上正確跳線，設置串口的傳輸速率。 （2）將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放入一個數(shù)組中，以便于整批傳送，提高傳送效率。在用數(shù)組進行數(shù)據(jù)傳輸時，一次最多可以傳送32個浮點數(shù)或整形數(shù)。若要傳送多于32個數(shù)據(jù)，可以分為幾個數(shù)組進行傳輸。每個數(shù)組在傳輸前應先傳送一個數(shù)組標識字。接收方接收數(shù)據(jù)時，先接收數(shù)組標識字，然后接收相應的數(shù)組。 （3）檢測控制器的標識，判斷主控制器工作是否正常。若正常，則從RS232串口向備份控制器傳送數(shù)組。同樣備份控制器不斷地檢測它與智能板的信號通道是否暢通，若不暢通，意味著備份控制器此時起備份數(shù)據(jù)的作用，因此備份控制器從串口接收數(shù)組。 （4）備份控制器將接收到的數(shù)組中的數(shù)據(jù)送入各自相應的控制變量。 3.2主控制器到備份控制器的自動切換 當主控制器正常運行時，系統(tǒng)不斷地檢查主控制器與智能板之間的通信是否正常。一旦智能板收不到主控制器的信號，則判斷主控制器出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動將主控制器與智能板的信號通道切斷，將備份控制器的信號通道打開，啟用備份控制器作為主導控制器。其流程圖見圖2。另外還需在主控制器上進行一些具體設置： （1）設置數(shù)字量智能板（B1）的Watchdog時間，通常為1s或0.5s。 （2）打開主控制器的控制程序，將數(shù)字量智能板(B1)上與主控制器相連的常閉節(jié)點I/O模塊的,Watchdog置為on，將與備份控制器相連的常開節(jié)點I/O模塊的Watchdog也置為on。這樣，通過對數(shù)字量智能板(B1）上I/O模塊Watchdog的正確設定，可在控制器發(fā)生故障時實現(xiàn)硬件自動切換。也即常閉節(jié)點打開，斷開主控制器信號通道；常開節(jié)點閉合，打開備份控制器的信號通道，使備份控制器成為主導控制器，實現(xiàn)主控制器到備份控制器的自動切換。 3.3備份控制器到主控制器的自動切換 當備份控制器起主導作用時，它不斷地從串口向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，雖然此時的主控制器可能出現(xiàn)故障，不能接收數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)認為，此時的主控制器起備份數(shù)據(jù)的作用。同時備份控制器不斷地檢測串口，是否收到由主控制器發(fā)來的已修復好信號。當它收到來自主控制器的已修復好信號后，立即發(fā)出指令，打開主控制器的信號通道,切斷備份控制器的信號通道，將主導控制權轉(zhuǎn)交給主控制器。其程序流程圖見圖3。 當主控制器修復后，主控制器首先檢測備份控制器是否起主導作用。如果是，則接收由備份控制器發(fā)送過來的備份數(shù)據(jù)，此時主控制器起備份數(shù)據(jù)的作用。當主控制器接收過幾輪備份數(shù)據(jù)后，便開始不斷地向備份控制器發(fā)送已修復好信號，準備收回主導控制權。當主控制器檢測到其信號通道暢通后，意味著其主導控制權已經(jīng)恢復，則不再向備份控制器發(fā)送主控制器已修復好信號，而開始發(fā)送備份數(shù)據(jù)，使備份控制器重新起到備份數(shù)據(jù)的作用，其程序的具體流程圖見圖4。 4.結(jié)束語 筆者參與設計并調(diào)試舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統(tǒng)的改造項目。該項目應用鍋爐汽包水位三沖量PID控制算法，融合主、備控制器自動互切的熱備技術，圓滿地解決了系統(tǒng)的控制及自動熱備問題。該項目控制部分軟件使用基于流程圖的軟件開發(fā)工具OptoControl進行開發(fā)。系統(tǒng)的監(jiān)控部分軟件使用OptoDisplay進行開發(fā)。在使用OptoDisplay（版本為3.1d或更高）開發(fā)基于熱備的監(jiān)控軟件時，應作如下設置：在OptoDisplay的控制器設置處，選擇正確的主控制器及備份控制器，確保上位機與下位機的同步一致?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)管理及存儲部分使用OptoConnect 、access及PowerBuilder配合開發(fā)完成。此項目從2001年3月開始設計、開發(fā)，至10月中旬3個鍋爐全部正式投入運行，效果良好。