CN113325688A - 基于云的冗余plc控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

基于云的冗余PLC控制方法及控制系统，属于工业控制技术领域。本发明解决了现有冗余PLC控制方法存在的由于现场控电柜发生损坏时会导致多个PLC同时损坏，进而无法发挥冗余PLC的优势，导致整个系统无法正常工作的问题。本发明所述的控制方法是将冗余PLC的CPU设置在云端，其通过延迟小于10毫秒的网络与现场CPU的接口模块和I/O模块进行通讯，使其与现场CPU保持同步工作。所述控制方法可以在云端设置多个冗余PLC的CPU，所述多个冗余PLC的CPU通过不同的网络实现与现场感控制系统的通讯，进而有效避免由于网络故障影响冗余PCL的工作。本申请克服了现有冗余PLC控制方法的常规思路，所述控制方法适用于现有工业控制技术领域。

Description

基于云的冗余PLC控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及到工业自动化领域，具体涉及到PLC控制系统。

背景技术

在工业自动化领域中，通常采用可编程逻辑控制器PLC作为工业自动化系统的控制器，该种系统中，为了提高系统的可靠性，通常采用“冗余方式”的设计方案，常用的冗余方式是采用CPU冗余+接口模块冗余方式，即：冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通信的同步模块。根据特定的自动化控制过程需要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件等。

现有在一个工业自动化系统中，主要控制器采用冗余方式，一般采用两个PLC作为主控制器，所述两个PLC均设置在自动化系统的现场的同一个控电柜中，两个PLC的CPU分别是CPU01和CPU02，该系统中还有冗余接口模块和I/O模块1，参见图1所示，且CPU01和CPU02中嵌入相同的控制软件、同时工作并保持同步，所述两个CPU没有切换时间，所述两个CPU同时接收下游发送的I/O信号、同时进行计算，并且同时输出结果给下游的I/O模块，所述下游的I/O模块同时接收到两个CPU发出的控制信号后，根据时间戳判断信号接收时间，以先到为准来执行动作。这种冗余方式，是在系统运行过程中，如果其中一个PLC的CPU出现故障，例如：CPU01出现故障，则另外一个CPU02与故障的CPU01同步连接自动建立，故障的CPU01将所有数据发送给另外一个CPU02中，所述两个CPU进入到冗余状态，继续保证系统的正常运行。该种设计方式能够有效提高系统的可靠性。但是，也存在问题，例如：如果装有控制器的控电柜发生损坏，会导致多个PLC同时损坏，进而无法发挥冗余PLC的优势，导致整个系统无法正常工作。

发明内容

为了解决现场工业自化系统中，冗余方式存在的、当装有控制器的控电柜发生损坏，会导致冗余PLC同时损坏，从而导致整个系统无法正常工作的问题，本发明提出一种基于云的冗余PLC控制方法及控制系统。

本发明所述的基于云的冗余PLC控制方法为：在工业自动化系统的现场设置有PLC的现场CPU，同时在云端设置一个冗余PLC的冗余云端CPU；所述冗余云端CPU通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU保持同步工作。

所述延迟小于10毫秒的通信网络可以采用现有5G第五代移动通信技术，英语：5thgeneration mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation(简称5G或5G技术)通信网络实现。

进一步的，还可以在云端还设置有一个或多个冗余PLC的冗余云端CPU，每个通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU保持同步工作。

进一步的，一个或多个冗余云端CPU可以通过不同的网络网络系统实现与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯。

进一步的，所述控制方法还包括故障处理的步骤：当现场出现故障时，现场CPU通过通信网络发送故障信息给冗余云端CPU，冗余云端CPU进行切换控制取代现场CPU继续工作；当现场CPU故障解除时，现场CPU与冗余云端CPU通信，恢复冗余双CPU工作模式。

上述现场故障是指：现场供电系统故障、机架故障、现场CPU故障、现场接口模块故障、现场控制系统异常中的任意一种故障。

进一步的，所述控制方法还包括网络故障处理的补正：当通信网络故障时，现场CPU2将待同步事件保存至缓存区，并将每条同步事件添加时间戳；待通信网络故障排出后，现场CPU2将缓存区内的同步事件发送给冗余云端CPU3，实现冗余云端CPU3与现场CPU2恢复同步工作。

本发明还提供一种基于上述控制方法的于云的冗余PLC控制系统，该控制系统包括现场PLC和冗余PLC，所述冗余PLC的冗余CPU设置在云端，该冗余CPU通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU保持同步工作。

上述控制系统还可以进一步包括一个或多个冗余PLC的冗余云端CPU，每个冗余云端CPU均通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU保持同步工作。

进一步的，上述每个冗余云端CPU与现场CPU的接口模块和I/O模块实现通讯的网络为不同的网络系统。

现有工业自动化领域中，采用“冗余方式”的设计方案是提高系统可靠性的方案，但该种方案中一直存在：控制系统现场的控电柜发生损坏时导致“冗余方式”失效，该问题也是本领域一直存在的、且急需解决的问题。

本发明所述的基于云的冗余PLC控制方法及控制系统，完全摒弃了原来工业控制系统的冗余PLC设置方式，采用了全新的设计思路，即：将冗余PLC设置在云端，该种方式完全解决了传统冗余PLC系统因电控柜故障或其他外围电路元器件故障导致系统停止运行的风险，并且无需增加现场布线工艺，减少了系统安装时间，节约了成本，并且该种设置方式能够完全避免背景技术中提出的问题，提高了工业控制系统的可靠性。

本领域中，现有“云+PLC”的技术，都是将PLC控制在控制过程中产生的数据、控制指令、以及PLC控制过程需要采集的数据等上传到云端，在云端实现一个数据的存储、交互，该种方式也符合现有本领域中利用“云”的固有思维，即：采用“云端来存储数据、交换数据”的功能，本申请所述的将PLC设置在云端的原理与上述现有技术的设计思路与工作原理完全不同，而是将冗余PLC中一个CPU放置在本地控制柜中，另一个CPU放置在云端，即：将“控制中心”设置在“云端”，当本地控制柜中的CPU故障时可以实现通过云端的CPU直接实现控制，所有控制指令通过5G技术实现与现场被控制的系统实现数据交互，控制过程、数据处理都在云端的PLC的CPU中实现，相当于将原有冗余PLC移动到云端。

本发明适用于对现有工业控制系统。

附图说明

图1是背景技术中提及的现有工业自动化系统中的冗余PLC设置方式。

图2是本发明所述的基于云的冗余PLC控制系统的原理示意图。

图3是本发明所述的一种通信网络的原理示意图。

具体实施方式

实施方式一.本实施方式所述的一种基于云的冗余PLC控制方法包括：

在工业自动化系统的现场设置有PLC的现场CPU2，同时在云端设置一个冗余PLC的冗余云端CPU3；

所述冗余云端CPU3通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU2的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU2保持同步工作。

本实施方式所述的控制方法与现有常用PLC控制方法的主要区别在于，将冗余PLC的CPU3设置在云端，而非设置在控制系统现场。在工作过程中，冗余云端CPU3与现场CPU2之间采用网络通讯时间数据传输，工作模式与现场设置的冗余PLC工作模式相同，仅仅是数据传输方式不同。为了保证冗余云端CPU3与现场CPU2之间的同步工作，二者之间的通信网络的通信延迟小于10毫秒，例如：采用现有的5G通信网络即可实现。一般PLC的CPU的扫描周期是根据其内部嵌入的程序来确定的，一般是在十几毫秒至几十毫秒之间，即：大于十毫秒，本实施方式限制现场CPU与冗余云端CPU之间的通信网络的通信延迟小于10毫秒能够有效保证双CPU的同步工作。

自动化控制是现场制造工厂中最基础的应用，核心是闭环控制。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量，测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至ms级别，所以系统通信时延时需要达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制，同时对可靠性也有极高的要求。如果在生产过程中由于延时过长，或者控制信息在数据传送时发生错误可能导致生产停机，会造成巨大的财务损失。本实施方式中所采用的网络为5G网络，该种网络能够提供极低延时时长、高可靠，海量连接的优势，使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。而云冗余控制系统在利用5G的方式将可靠性再度提高。

该种设置方式，能够在位于现场的PLC的CPU出现故障时，云端的CPU继续工作，替代现场CPU，进而提高系统的可靠性

与本实施方式所述的基于云的冗余PLC控制方法对应的控制系统参见图2所示，所示控制系统包括一个主PLC的CPU和一个冗余PLC的冗余CPU，所述主PLC的CPU设置在控制系统现场，冗余CPU设置在云端，所述冗余CPU与现场的CPU之间通过通信网络实现数据通讯，所述通信网络的通信延迟小于10毫秒。

上述控制系统的工作模式与现场冗余PLC控制系统相同，只是冗余PCL的CPU设置在云端，通信方式采用网络通信。该种系统完全解决了传统冗余PLC系统因电控柜故障或其他外围电路元器件故障导致系统停止运行的风险，并且无需增加现场布线工艺，减少了系统安装时间，节约了成本，并且该种设置方式能够完全避免背景技术中提出的问题，提高了系统的可靠性。

在实际应用中，可以在云端设置多个冗余CPU，进而增加传统的可靠性。

在云端设置多个冗余CPU的前体现，为了避免由于网络故障影响控制系统的正常运行了，所述多个冗余CPU与现场的CPU之间采用不同的网络实现数据通信，进而提高系统的工作可靠性，即：当某一网络出现故障时，另外的网络中的冗余CPU仍能保证与现场CPU之间的同步工作状态。

在实际应用中，基于无线网络传输安全型的考虑，企业可以通过自建核心网的方式确保网络的安全性，即：采用基站和公网共享模式实现网络数据通信，参见图3所示，在这种网络的布局架构下，终端的登记、注册以及数据流都是在企业内网中，进而保证通信的安全性和可靠性。

实施方式二.本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于云的冗余PLC控制方法的进一步限定，本实施方式所述的控制方法还包括现场故障处理的步骤，具体为：当现场出现故障时，现场CPU2通过通信网络发送故障信息给冗余云端CPU3，冗余云端CPU3进行切换控制取代现场CPU2继续工作；当现场CPU2故障解除时，现场CPU2与冗余云端CPU3通信，恢复冗余双CPU工作模式。

本实施方式中所述的现场故障是指：现场供电系统故障、机架故障、现场CPU故障、现场接口模块故障、现场控制系统异常中的任意一种故障。

本实施方式的正常工作方式是I/O模块采集现场设备数据传送给本地CPU进行运算、处理、控制；当本地CPU出现故障、接口模块故障或控制系统异常时，采用通信网络发送指令给冗余云端CPU，冗余云端CPU进行切换，代替现场CPU继续工作，直到现场故障排除之后，恢复冗余CPL工作状态。

实施方式三.本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于云的冗余PLC控制方法的进一步限定，本实施方式所述的控制方法还包括网络故障处理的步骤，具体为：当通信网络故障时，现场CPU2将待同步事件保存至缓存区，并将每条同步事件添加时间戳；待通信网络故障排出后，现场CPU2将缓存区内的同步事件发送给冗余云端CPU3，实现冗余云端CPU3与现场CPU2恢复同步工作。

本实施方式采用“事件同步+缓存机制”保障排除网络故障之后能够恢复系统正常运行，即：当网络发生故障时，待同步事件进入缓存区，并将每条事件添加时间戳，待网络恢复后，将缓存区内的数据同时发送给云端服务器，实现云端CPU在网络恢复之后与现场的CPU恢复同步工作。

Claims (10)

1.一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

在工业自动化系统的现场设置有PLC的现场CPU(2)，同时在云端设置一个冗余PLC的冗余云端CPU(3)；

所述冗余云端CPU(3)通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU(2)保持同步工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述延迟小于10毫秒的通信网络为5G通信网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述方法在云端还设置有一个或多个冗余PLC的冗余云端CPU，每个冗余云端CPU均通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU(2)保持同步工作。

4.根据权利要求3所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述一个或多个冗余PLC的冗余云端CPU与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块之间通过不同的通信网络实现通讯。

5.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

当现场出现故障时，现场CPU(2)通过通信网络发送故障信息给冗余云端CPU(3)，冗余云端CPU(3)进行切换控制取代现场CPU(2)继续工作；

当现场CPU(2)故障解除时，现场CPU(2)与冗余云端CPU(3)通信，恢复冗余双CPU工作模式。

6.根据权利要求5所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述现场故障是指：现场供电系统故障、机架故障、现场CPU故障、现场接口模块故障、现场控制系统异常中的任意一种故障。

7.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的一种基于云的冗余PLC控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：当通信网络故障时，现场CPU(2)将待同步事件保存至缓存区，并将每条同步事件添加时间戳；待通信网络故障排出后，现场CPU(2)将缓存区内的同步事件发送给冗余云端CPU(3)，实现冗余云端CPU(3)与现场CPU(2)恢复同步工作。

8.一种基于云的冗余PLC控制系统，所述控制系统包括现场PLC和冗余PLC，其特征在于，所述冗余PLC的冗余CPU设置在云端，该冗余CPU通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU(2)保持同步工作。

9.根据权利要求8所述的基于云的冗余PLC控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括一个或多个冗余PLC的冗余云端CPU，每个冗余云端CPU均通过延迟小于10毫秒的通信网络与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块实现通讯，使其与现场CPU(2)保持同步工作。

10.根据权利要求9所述的基于云的冗余PLC控制系统，其特征在于，每个冗余云端CPU与现场CPU(2)的接口模块和I/O模块实现通讯的网络为不同的网络系统。

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