-作者：刘江、王长松、黄效国（北京科技大学机械工程学院）
22控制系统及应用背景
OPTO22控制系统是由OPTO22公司提供的一系列产品搭建而成。OPTO22公司位于美国加州，成立于1974 年，是工业I/O模块和控制系统的重要制造商。OPTO22产品特别适用于在各种恶劣环境下完成不同要求和高可靠性的控制，其I/O硬件模块在世界上率先采用了陶瓷材料封装，使其具有极好的抗恶劣环境的性能，且终生保用。该公司于1988年，在世界上第1个推出了基于流程图的控制软件，为工业自动化控制提供了一个更加简单方便的捷径。在90年代，OPTO22公司先后推出Mistic I/O、SNAP I/O控制系统和基于以太网I/O控制系统，逐步取代传统的PLC和DCS。
在舞阳钢铁公司20t锅炉仪表控制系统的技术改造项目（此项目包括3个要改造的20t锅炉）中，公司从性能价格比方面考虑，最终选用了OPTO22公司的一系列产品来组建控制系统。该系统采用上、下位机方式，在现场采用多级CPU进行控制处理，各I/O模块对输入输出信号能提供4000V的隔离，系统的实时性、可靠性、灵活性优于其他系统。系统的上位机主要由工控机、控制软件组成；下位机主要由控制器、智能板、I/O模块组成。上位机与控制器是通过100Mb/s以太网进行通信，控制器与智能板是通过RS485进行串行通信，I/O模块直接插在智能板上。控制软件从上位机通过以太网下载至控制器。OPTO22控制系统随机附带的软件包括OptoControl、OptoDisplay、OptoConnect 、OptoServer等配套软件。
该项目明确要求：系统除了具备正常的汽包水位控制外，还需具备热备功能。在控制器热备切换过程中，一些重要的参数，如蒸汽产量，PID调节参数，调节阀开度等参数不能丢失，系统仍能稳定运行，不能出现突变。由于OPTO22控制系统软件中不包括控制器热备的模块，所以需要开发一套具有热备功能的控制系统。
2.热备控制系统的概念及其组成
在一些重要的控制场合，需要控制器长期连续工作，不允许出现丝毫问题。例如在热电厂、钢铁厂的锅炉仪表控制中，如果控制器出现问题，锅炉不能正常工作，则不能向各个车间提供蒸汽，因此而影响各个车间的正常生产，有时甚至造成严重事故。控制器一旦不能正常工作，必须采取及时措施，或手动干预，或自动干预，使被控制的设备仍然能正常工作。另外，在生产过程中，系统有时需要调整控制程序，但在调整程序的时候，要求不间断生产，并且一些记录产量的重要数据不能从控制器中丢失。在这样的控制系统中，一般配备两个控制器，一个称为主控制器，另一个称为备份控制器。在正常情况下，控制系统使用主控制器进行控制。当出现意外情况或调整主控制器程序时，主控制器不能正常工作，则系统自动启动备份控制器代替主控制器进行控制。当主控制器恢复工作后，系统能够自动从备份控制器切换回主控制器，我们通常把这一过程称为热备过程。
在热备控制系统中，主控制器与备份控制器的连接与组成如图1所示。系统的主控制器，备份控制器通过以太网（Ethernet）与工控计算机相连，控制器则通过RS485串口与智能板相连。主控制器的两根RS485控制线与数字量智能板(B1)的常闭节点模块ODC5R5相连， 从ODC5R5模块引出的控制线与智能板。（B1、B2...）的信号输入端相连，构成主控制器的信号通道。同理备份控制器的两根RS485控制线与数字量智能板(B1)的常开节点模块ODC5R5相连，从ODC5R5模块引出的控制线再与智能板（B1、B2...）的信号输入端相连，构成备份控制器的信号通道。这样，可以通过控制常开、常闭节点来控制主、备控制器与智能板之间的信号通道的通断，从而控制主、备控制器与智能板之间的通信。在主、备控制器之间通过RS232串口进行连接，实现主、备控制器之间的备份数据的传输。
3.工作原理
3.1数据传输
主控制器与备份控制器之间的数据传输是热备系统的一个重要问题。热备时系统需要不断地从主控制器将一些重要的设定数据和运行数据传输到备份控制器。只有这样，在控制器切换时，系统才能继续正常工作，实现无扰动切换。否则，由于设定数据和运行数据的突变，可能引起系统的突变，造成难以预料的后果。
在本文的热备系统中，主、备控制器数据传输是通过RS232串口实现的。使用RS232串口传输数据时应遵循以下4步：
（1）在主、备控制器上正确跳线，设置串口的传输速率。
（2）将要传输的数据放入一个数组中，以便于整批传送，提高传送效率。在用数组进行数据传输时，一次最多可以传送32个浮点数或整形数。若要传送多于32个数据，可以分为几个数组进行传输。每个数组在传输前应先传送一个数组标识字。接收方接收数据时，先接收数组标识字，然后接收相应的数组。
（3）检测控制器的标识，判断主控制器工作是否正常。若正常，则从RS232串口向备份控制器传送数组。同样备份控制器不断地检测它与智能板的信号通道是否畅通，若不畅通，意味着备份控制器此时起备份数据的作用，因此备份控制器从串口接收数组。
（4）备份控制器将接收到的数组中的
数据送入各自相应的控制变量。
3.2主控制器到备份控制器的自动切换
当主控制器正常运行时，系统不断地检查主控制器与智能板之间的通信是否正常。一旦智能
板收不到主控制器的信号，则判断主控制器出现异常，系统自动将主控制器与智能板的信号通道
切断，将备份控制器的信号通道打开，启用备份控制器作为主导控制器。其流程图见图2。另外还需在主控制器上进行一些具体设置：
（1）设置数字量智能板（B1）的Watchdog时间，通常为1s或0.5s。
（2）打开主控制器的控制程序，将数字量智能板(B1)上与主控制器相连的常闭节点I/O模块的,Watchdog置为on，将与备份控制器相连的常开节点I/O模块的Watchdog也置为on。这样，通过对数字量智能板(B1）上I/O模块Watchdog的正确设定，可在控制器发生故障时实现硬件自动切换。也即常闭节点打开，断开主控制器信号通道；常开节点闭合，打开备份控制器的信号通道，使备份控制器成为主导控制器，实现主控制器到备份控制器的自动切换。
3.3备份控制器到主控制器的自动切换
当备份控制器起主导作用时，它不断地从串口向主控制器发送数据，虽然此时的主控制器可能出现故障，不能接收数据，但系统认为，此时的主控制器起备份数据的作用。同时备份控制器不断地检测串口，是否收到由主控制器发来的已修复好信号。当它收到来自主控制器的已修复好信号后，立即发出指令，打开主控制器的信号通道,切断备份控制器的信号通道，将主导控制权转交给主控制器。其程序流程图见图3。
当主控制器修复后，主控制器首先检测备份控制器是否起主导作用。如果是，则接收由备份控制器发送过来的备份数据，此时主控制器起备份数据的作用。当主控制器接收过几轮备份数据后，便开始不断地向备份控制器发送已修复好信号，准备收回主导控制权。当主控制器检测到其信号通道畅通后，意味着其主导控制权已经恢复，则不再向备份控制器发送主控制器已修复好信号，而开始发送备份数据，使备份控制器重新起到备份数据的作用，其程序的具体流程图见图4。
4.结束语
笔者参与设计并调试舞阳钢铁公司20t锅炉仪表控制系统的改造项目。该项目应用锅炉汽包水位三冲量PID控制算法，融合主、备控制器自动互切的热备技术，圆满地解决了系统的控制及自动热备问题。该项目控制部分软件使用基于流程图的软件开发工具OptoControl进行开发。系统的监控部分软件使用OptoDisplay进行开发。在使用OptoDisplay（版本为3.1d或更高）开发基于热备的监控软件时，应作如下设置：在OptoDisplay的控制器设置处，选择正确的主控制器及备份控制器，确保上位机与下位机的同步一致。控制系统的数据管理及存储部分使用OptoConnect 、access及PowerBuilder配合开发完成。此项目从2001年3月开始设计、开发，至10月中旬3个锅炉全部正式投入运行，效果良好。
（转载）
