摘要：針對ControlLogix控制系統在運行過程中出現的一些故障現象，從控制系統硬件配置、模塊數據交換和控制網絡組態的工作原理出發，對故障原因進行詳細的分析，并提出相應的解決方法和建議。
關鍵詞：ControlLogix；PLC；控制系統；ControlNet；故障分析

Abstract: Aiming at some failure phenomenon of ControlLogix control system in operational process, this paper makes a detail analysis about failure reason from hardware configuration of control system, operational principle of module data exchange and control net configuration, and provides the corresponding strategies.
Key words: ControlLogix; PLC: Control system; ControlNet; Fault analysis

1  概述

    浙江長興發電有限公司一期工程2×300MW機組輸灰輸渣程控系統采用美國AB公司的ControlLogix控制系統。PLC控制器采用32位總線的Logix5555，基本內存750K，擴展內存1.5M，通過SRM熱備模塊實現雙CPU間的互為備用。控制系統各框架通過連接模塊CNBR組成雙通道冗余（ControlNet）網絡，網絡傳輸速率可達5MB/s。畫面監控軟件為iFIX2.6中文版，采用OPC通訊方式通過上位機內置的1784-KTCX網卡連接到控制網上。該系統自2002年底投入運行以來，一直存在著很多問題，給正常生產帶來了很大的影響和危害。主要表現在：控制器及網絡響應速度慢，程序下載或上裝時間長；通訊模塊負荷率偏高，網絡使用效率較低；網絡經常中斷，上位機掃描不到I/O點，出現大量"COMM"報警點，致使內存溢出而死機等。現就主要的幾個問題介紹如下。

2  控制器運行緩慢

2.1  原因分析
    控制器選用了Logix5555外加1.5M擴展內存，作為AB的第三代控制產品，每個控制器允許250個通訊連接，該控制器不僅可以控制和組態本地框架內的I/O模塊，還可以控制和組態網絡上任何遠程框架上的I/O模塊，控制能力可達數字量128 000點或模擬量4 000點。輸灰程控系統數字量為1 552點，模擬量138點；控制器內存已使用619K，尚有66.2%的內存空閑。應該說系統硬件的可利用資源較為富裕。
    但在實際運行中，控制器運行速度緩慢，這是因為控制器具有生產（廣播）和使用（接收）的連接方法來共享標簽的能力。生產和使用標簽都需要進行連接。生產者（生產標簽數）≤127個；客戶（使用標簽數）≤250個；每個生產者生產的標簽本身占用一個連接，而且客戶使用此標簽的控制器也要占用一個連接。一個控制器所支持的整個標簽組為：生產者標簽數+客戶標簽數≤250。每個客戶使用標簽需要與控制器有一個連接，以便使用。當生產者生產的標簽數增加時，客戶可使用的標簽數則會相應減少。
    輸灰程控系統程序經過幾次大的修改，未能及時更新整理標簽，造成程序中有很多無用的標簽下載到CPU中，占用控制器標簽連接數，使CPU處理速度減慢。
2.2  解決方法
    在ControlLogix程序中，系統具有對未使用標簽、生產者標簽、客戶標簽、模塊標簽、已強制標簽進行分類的功能，檢查發現有近15%的標簽一直未被使用過。對程序中無用標簽進行刪除并下載至PLC控制器，程序下載和上裝速度明顯加快，程序掃描時間由3019μs降至1815μs；PLC內存消耗也減少了近10%（559K）。

3  CNBR模塊CPU負荷率偏高，網絡效率較低

    原系統中各CNBR模塊CPU使用率一般都在30%以上，其中控制器框架內的CNBR模塊CPU負荷率高達70%以上，當操作較多或在事故狀態下，CPU將長時間處于滿負荷運行。
3.1  模塊數據交換工作原理
    ControlLogix控制系統的I/O數據交換采用生產者/用戶方式，I/O模塊不再是被動的數據承受者，而是主動的數據產生者，它們按照定義的刷新時間發送或接受數據。在控制器中，程序掃描和I/O掃描是分別進行的，I/O數據暫存在定義的數據緩沖區，程序掃描則引用緩沖區的數據。I/O數據的刷新時間完全地獨立于程序掃描時間，它取決于模塊信息傳遞方式。
    I/O模塊的類型和框架位置決定了控制器數據緩沖區與I/O模塊之間傳遞的信息方式。對處于本地框架模塊：數字量輸入模塊可使用COS（Change-Of-State）方式，也可以指定為RPI（Requested-Packet-Interval）方式；模擬量輸入模塊則可采用實時采樣（RTS）方式；對于輸出模塊（包括數字量和模擬量），在控制器發送數據后模塊幾乎可以立即接收到數據。
    對處于遠程框架的模塊，通過1756-CNBR模塊將同一機架上的I/O模塊的數據合并，構成了邏輯機架優化連接。該方式下，控制器與通訊模塊之間建立單一連接，然后通訊模塊與每個I/O模塊建立連接，通訊模塊收集來自各個I/O模塊的數據存入CNBR數據緩沖區，打包后一起通過網絡發送。
3.2  原因分析
    根據模塊數據交換工作原理，數據交換效率在很大程度上取決于控制器數據緩沖區、CNBR模塊和I/O模塊的刷新時間設置值，即RPI值。RPI（請求信息包間隔）是一種循環數據交換，用以指定控制器數據緩沖區與模塊之間數據的交換速率，時間范圍從200μs到750ms。RPI值越小，控制器與各個模塊數據的交換速度越快，消耗控制器資源及網絡通訊模塊CNBR的資源也就越多。對于本系統而言，有14個1756-CNBR通訊模塊，近二千點的I/O點，CNBR和數字量模塊的RPI值為5ms，模擬量輸入模塊為100ms，模擬量輸出模塊為25ms，由于開關量和模擬量無快速數據交換要求，設置值偏小，使CNBR負荷率上升。
3.3  解決方法
    根據系統節點數、模塊數、I/O點數以及硬件配置情況，在滿足工藝要求的基礎上，選用適當的RPI值。經過多次的試驗，最后把所有的CNBR模塊和數字量模塊的RPI時間改為40ms，模擬量模塊的RPI時間改為320ms。參數修改下載運行后，各CNBR模塊的CPU負荷率明顯下降，如表1所示。

表1  修改前后CPU負荷率的對比

4  ControlNet網絡響應速度慢

4.1  系統ControlNet網絡結構
    如圖1所示，ControlNet控制網絡由兩個互為獨立的子網組成，即本地網和遠程網。兩個網絡分別通過獨立的CNBR模塊接至CPU框架。本地網各框架間距離較近，采用75Ω同軸電纜連接；遠程網有三個框架，距離超過1000m，采用光纜連接。三臺上位機掛在本地網。

圖1  輸灰程控系統網絡結構圖

4.2  網絡速度緩慢原因分析
    從上述網絡拓樸結構分析，網絡硬件的規劃不僅有效地分配了數據流量，提高系統性能，而且有利于網絡的維護，因此造成網絡速度緩慢的原因應該在網絡組態的參數設置上。
   ControlNet網是一種符合開放系統互連（OSI）參考模型底層要求的新型通信網絡，最重要的功能是傳送對時間有苛刻要求的控制信息（即I/O狀態和控制互鎖），它通過時間限制存取算法來控制，即用并行時間域多路存取（CTDMA）方法，在每個網絡刷新間隔（NUI）內調節節點的傳送信息機會。通過網絡刷新時間（NUT）來組態NUI重復的頻繁程度。完整的NUT是預定信息、未預定信息和維護信息傳送時間的總和。因此改善帶寬利用率，就必須盡可能的減少用戶預定節點數來減少預定信息量，提高NUT預定部分傳送數據能力；通過合理設置NUT值來控制網絡數據流量，同時使組態內的網絡介質配置與系統實際情況相符合，以提高網絡性能。
4.3  解決對策
    根據原因分析，首先對系統各節點地址從01開始按順序重新安排地址，使用戶最大預定節點號由原來的30減小到14；適當增加NUT值（由5ms增加到10ms），減少NUI重復性，降低網絡數據流量；修改網絡介質配置，根據二個網絡實際情況（一個為同軸電纜網，一個為光纖與同軸電纜混合網）分別進行詳細配置。上述優化需用Rsnetworx For ControlNet軟件對ControlNet網絡進行重新組態并下載。優化結果如表2所示。

表2  優化結果

5  結語

    通過上述性能優化操作，系統運行安全穩定，上述故障未再出現過。總體上來說，ControlLogix系統是一種先進的PLC控制系統，使用是簡單而方便的，但整個控制系統硬件配置、網絡組態和數據流的規劃卻是不可忽視的問題，在有大量數據交換的系統中顯得尤其重要。

參考文獻:
[1] 浙江大學羅克韋爾自動化技術中心編. 可編程控制器系統[M]. 浙江大學出版社,1999.
[2] Logix5555 Controller User,s Manual. Rockwell International Corporation.