1.OPTO22控制系統及應用背景 OPTO22控制系統是由OPTO22公司提供的一系列產品搭建而成。OPTO22公司位于美國加州，成立于1974 年，是工業I/O模塊和控制系統的重要制造商。OPTO22產品特別適用于在各種惡劣環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控制系統和基于以太網I/O控制系統，逐步取代傳統的PLC和DCS。 在舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統的技術改造項目（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公司的一系列產品來組建控制系統。該系統采用上、下位機方式，在現場采用多級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，系統的實時性、可靠性、靈活性優于其他系統。系統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下載至控制器。OPTO22控制系統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，如蒸汽產量，PID調節參數，調節閥開度等參數不能丟失，系統仍能穩定運行，不能出現突變。由于OPTO22控制系統軟件中不包括控制器熱備的模塊，所以需要開發一套具有熱備功能的控制系統。 2.熱備控制系統的概念及其組成 在一些重要的控制場合，需要控制器長期連續工作，不允許出現絲毫問題。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，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，在生產過程中，系統有時需要調整控制程序，但在調整程序的時候，要求不間斷生產，并且一些記錄產量的重要數據不能從控制器中丟失。在這樣的控制系統中，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，控制系統使用主控制器進行控制。當出現意外情況或調整主控制器程序時，主控制器不能正常工作，則系統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。 在熱備控制系統中，主控制器與備份控制器的連接與組成如圖1所示。系統的主控制器，備份控制器通過以太網（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控制線與數字量智能板(B1)的常閉節點模塊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控制線與數字量智能板(B1)的常開節點模塊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，構成備份控制器的信號通道。這樣，可以通過控制常開、常閉節點來控制主、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，實現主、備控制器之間的備份數據的傳輸。 3.工作原理 3.1數據傳輸 主控制器與備份控制器之間的數據傳輸是熱備系統的一個重要問題。熱備時系統需要不斷地從主控制器將一些重要的設定數據和運行數據傳輸到備份控制器。只有這樣，在控制器切換時，系統才能繼續正常工作，實現無擾動切換。否則，由于設定數據和運行數據的突變，可能引起系統的突變，造成難以預料的后果。 在本文的熱備系統中，主、備控制器數據傳輸是通過RS232串口實現的。使用RS232串口傳輸數據時應遵循以下4步： （1）在主、備控制器上正確跳線，設置串口的傳輸速率。 （2）將要傳輸的數據放入一個數組中，以便于整批傳送，提高傳送效率。在用數組進行數據傳輸時，一次最多可以傳送32個浮點數或整形數。若要傳送多于32個數據，可以分為幾個數組進行傳輸。每個數組在傳輸前應先傳送一個數組標識字。接收方接收數據時，先接收數組標識字，然后接收相應的數組。 （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據的作用，因此備份控制器從串口接收數組。 （4）備份控制器將接收到的數組中的數據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異常，系統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，將數字量智能板(B1)上與主控制器相連的常閉節點I/O模塊的,Watchdog置為on，將與備份控制器相連的常開節點I/O模塊的Watchdog也置為on。這樣，通過對數字量智能板(B1）上I/O模塊Watchdog的正確設定，可在控制器發生故障時實現硬件自動切換。也即常閉節點打開，斷開主控制器信號通道；常開節點閉合，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送數據，雖然此時的主控制器可能出現故障，不能接收數據，但系統認為，此時的主控制器起備份數據的作用。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送過來的備份數據，此時主控制器起備份數據的作用。當主控制器接收過幾輪備份數據后，便開始不斷地向備份控制器發送已修復好信號，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恢復，則不再向備份控制器發送主控制器已修復好信號，而開始發送備份數據，使備份控制器重新起到備份數據的作用，其程序的具體流程圖見圖4。 4.結束語 筆者參與設計并調試舞陽鋼鐵公司20t鍋爐儀表控制系統的改造項目。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工具OptoControl進行開發。系統的監控部分軟件使用OptoDisplay進行開發。在使用OptoDisplay（版本為3.1d或更高）開發基于熱備的監控軟件時，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。控制系統的數據管理及存儲部分使用OptoConnect 、access及PowerBuilder配合開發完成。此項目從2001年3月開始設計、開發，至10月中旬3個鍋爐全部正式投入運行，效果良好。