罗克韦尔自动化

摘要：针对ControlLogix控制系统在运行过程中出现的一些故障现象，从控制系统硬件配置、模块数据交换和控制网络组态的工作原理出发，对故障原因进行详细的分析，并提出相应的解决方法和建议。
关键词：ControlLogix；PLC；控制系统；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

    浙江长兴发电有限公司一期工程2×300MW机组输灰输渣程控系统采用美国AB公司的ControlLogix控制系统。PLC控制器采用32位总线的Logix5555，基本内存750K，扩展内存1.5M，通过SRM热备模块实现双CPU间的互为备用。控制系统各框架通过连接模块CNBR组成双通道冗余（ControlNet）网络，网络传输速率可达5MB/s。画面监控软件为iFIX2.6中文版，采用OPC通讯方式通过上位机内置的1784-KTCX网卡连接到控制网上。该系统自2002年底投入运行以来，一直存在着很多问题，给正常生产带来了很大的影响和危害。主要表现在：控制器及网络响应速度慢，程序下载或上装时间长；通讯模块负荷率偏高，网络使用效率较低；网络经常中断，上位机扫描不到I/O点，出现大量"COMM"报警点，致使内存溢出而死机等。现就主要的几个问题介绍如下。

2  控制器运行缓慢

2.1  原因分析
    控制器选用了Logix5555外加1.5M扩展内存，作为AB的第三代控制产品，每个控制器允许250个通讯连接，该控制器不仅可以控制和组态本地框架内的I/O模块，还可以控制和组态网络上任何远程框架上的I/O模块，控制能力可达数字量128 000点或模拟量4 000点。输灰程控系统数字量为1 552点，模拟量138点；控制器内存已使用619K，尚有66.2%的内存空闲。应该说系统硬件的可利用资源较为富裕。
    但在实际运行中，控制器运行速度缓慢，这是因为控制器具有生产（广播）和使用（接收）的连接方法来共享标签的能力。生产和使用标签都需要进行连接。生产者（生产标签数）≤127个；客户（使用标签数）≤250个；每个生产者生产的标签本身占用一个连接，而且客户使用此标签的控制器也要占用一个连接。一个控制器所支持的整个标签组为：生产者标签数+客户标签数≤250。每个客户使用标签需要与控制器有一个连接，以便使用。当生产者生产的标签数增加时，客户可使用的标签数则会相应减少。
    输灰程控系统程序经过几次大的修改，未能及时更新整理标签，造成程序中有很多无用的标签下载到CPU中，占用控制器标签连接数，使CPU处理速度减慢。
2.2  解决方法
    在ControlLogix程序中，系统具有对未使用标签、生产者标签、客户标签、模块标签、已强制标签进行分类的功能，检查发现有近15%的标签一直未被使用过。对程序中无用标签进行删除并下载至PLC控制器，程序下载和上装速度明显加快，程序扫描时间由3019μs降至1815μs；PLC内存消耗也减少了近10%（559K）。

3  CNBR模块CPU负荷率偏高，网络效率较低

    原系统中各CNBR模块CPU使用率一般都在30%以上，其中控制器框架内的CNBR模块CPU负荷率高达70%以上，当操作较多或在事故状态下，CPU将长时间处于满负荷运行。
3.1  模块数据交换工作原理
    ControlLogix控制系统的I/O数据交换采用生产者/用户方式，I/O模块不再是被动的数据承受者，而是主动的数据产生者，它们按照定义的刷新时间发送或接受数据。在控制器中，程序扫描和I/O扫描是分别进行的，I/O数据暂存在定义的数据缓冲区，程序扫描则引用缓冲区的数据。I/O数据的刷新时间完全地独立于程序扫描时间，它取决于模块信息传递方式。
    I/O模块的类型和框架位置决定了控制器数据缓冲区与I/O模块之间传递的信息方式。对处于本地框架模块：数字量输入模块可使用COS（Change-Of-State）方式，也可以指定为RPI（Requested-Packet-Interval）方式；模拟量输入模块则可采用实时采样（RTS）方式；对于输出模块（包括数字量和模拟量），在控制器发送数据后模块几乎可以立即接收到数据。
    对处于远程框架的模块，通过1756-CNBR模块将同一机架上的I/O模块的数据合并，构成了逻辑机架优化连接。该方式下，控制器与通讯模块之间建立单一连接，然后通讯模块与每个I/O模块建立连接，通讯模块收集来自各个I/O模块的数据存入CNBR数据缓冲区，打包后一起通过网络发送。
3.2  原因分析
    根据模块数据交换工作原理，数据交换效率在很大程度上取决于控制器数据缓冲区、CNBR模块和I/O模块的刷新时间设置值，即RPI值。RPI（请求信息包间隔）是一种循环数据交换，用以指定控制器数据缓冲区与模块之间数据的交换速率，时间范围从200μs到750ms。RPI值越小，控制器与各个模块数据的交换速度越快，消耗控制器资源及网络通讯模块CNBR的资源也就越多。对于本系统而言，有14个1756-CNBR通讯模块，近二千点的I/O点，CNBR和数字量模块的RPI值为5ms，模拟量输入模块为100ms，模拟量输出模块为25ms，由于开关量和模拟量无快速数据交换要求，设置值偏小，使CNBR负荷率上升。
3.3  解决方法
    根据系统节点数、模块数、I/O点数以及硬件配置情况，在满足工艺要求的基础上，选用适当的RPI值。经过多次的试验，最后把所有的CNBR模块和数字量模块的RPI时间改为40ms，模拟量模块的RPI时间改为320ms。参数修改下载运行后，各CNBR模块的CPU负荷率明显下降，如表1所示。

表1  修改前后CPU负荷率的对比

4  ControlNet网络响应速度慢

4.1  系统ControlNet网络结构
    如图1所示，ControlNet控制网络由两个互为独立的子网组成，即本地网和远程网。两个网络分别通过独立的CNBR模块接至CPU框架。本地网各框架间距离较近，采用75Ω同轴电缆连接；远程网有三个框架，距离超过1000m，采用光缆连接。三台上位机挂在本地网。

图1  输灰程控系统网络结构图

4.2  网络速度缓慢原因分析
    从上述网络拓朴结构分析，网络硬件的规划不仅有效地分配了数据流量，提高系统性能，而且有利于网络的维护，因此造成网络速度缓慢的原因应该在网络组态的参数设置上。
   ControlNet网是一种符合开放系统互连（OSI）参考模型底层要求的新型通信网络，最重要的功能是传送对时间有苛刻要求的控制信息（即I/O状态和控制互锁），它通过时间限制存取算法来控制，即用并行时间域多路存取（CTDMA）方法，在每个网络刷新间隔（NUI）内调节节点的传送信息机会。通过网络刷新时间（NUT）来组态NUI重复的频繁程度。完整的NUT是预定信息、未预定信息和维护信息传送时间的总和。因此改善带宽利用率，就必须尽可能的减少用户预定节点数来减少预定信息量，提高NUT预定部分传送数据能力；通过合理设置NUT值来控制网络数据流量，同时使组态内的网络介质配置与系统实际情况相符合，以提高网络性能。
4.3  解决对策
    根据原因分析，首先对系统各节点地址从01开始按顺序重新安排地址，使用户最大预定节点号由原来的30减小到14；适当增加NUT值（由5ms增加到10ms），减少NUI重复性，降低网络数据流量；修改网络介质配置，根据二个网络实际情况（一个为同轴电缆网，一个为光纤与同轴电缆混合网）分别进行详细配置。上述优化需用Rsnetworx For ControlNet软件对ControlNet网络进行重新组态并下载。优化结果如表2所示。

表2  优化结果

5  结语

    通过上述性能优化操作，系统运行安全稳定，上述故障未再出现过。总体上来说，ControlLogix系统是一种先进的PLC控制系统，使用是简单而方便的，但整个控制系统硬件配置、网络组态和数据流的规划却是不可忽视的问题，在有大量数据交换的系统中显得尤其重要。

参考文献:
[1] 浙江大学罗克韦尔自动化技术中心编. 可编程控制器系统[M]. 浙江大学出版社,1999.
[2] Logix5555 Controller User,s Manual. Rockwell International Corporation.