1 引言
由于PLC(可编程序控制器)抗干扰能力强、可靠性高、模块组合式结构及面向工程的编程语言、可进行在线修改等优点，使其系统构成灵活，易学易用、易于维护，适合于工业环境下使用，已成为一种通用普及、应用行业众多的工业控制器。在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及位置控制、的经济合算、设计调试方便的综合控制系统。目前，PLC朝着高速度、多功能、网络化、适应集散型递增式控制的方向发展，提供了更加宽广深入的应用空间。
随着经济技术的发展和生产生活水平的提高，安全生产一直是工业企业的重中之重。尤其在化工，医药等行业，安全连锁系统不间断的可靠运行，是连续生产的前提，所以，其安全连锁系统一般都采用热备或冗余的PLC系统。一方面，厂家专用的双机冗余系统一般是大机型，功能强大，软硬件价格很高，另一方面，生产车间安全连锁系统安全性要求高，但控制节点比较少，程序规模较小，所以经常出现大马拉小车的不合理情况。
本文设计的基于主从通讯网的PLC热备系统，就是针对这种情况的一种实用的解决方案。此系统通过在某化工集团高密度车间和聚丙烯车间的应用，取得了安全、经济的良好效果。文中以松下电工FP3型PLC为例进行说明，此方案也可以推广到其他厂家具有类似网络功能的PLC系统设计中。 2 热备系统方案设计
2.1 PLC主从通讯网介绍
松下电工FP3型PLC是一种价格适中的模块化的中型机，FP3主从通讯网是专门用于FP3型PLC之间、与其它机型PLC或工业现场控制的远程I/O进行主从通信的通信网，它采用总线型拓扑结构，通过标准RS-485口实现主从式介质访问。该网络可组成两种方式的主从通讯系统:第一种是通过W-LINK单元实现PLC之间的主从通信;第二种是通过远程控制主单元和从单元实现远程I/O扩展，即由远程控制主单元与远程I/O终端、带I/O单元或高级单元的从单元进行主从通信，对连结在远程控制主单元上PLC站进行遥控编程和远程I/O控制。我们的PLC热备系统就是充分利用这两种通信方式的组合效果来实现的。
2.2 系统结构及工作原理
系统结构如图1所示。因为I/O模块一般都有备件，而且一两个I/O模块的故障一般都只影响相关的控制点，但电源单元、CPU或通信单元的故障却会影响整个系统。所以，此系统配置以两个PLC主从控制站来实现控制站的双机在线备份，远程现场站的I/O则不进行冗余。根据硬件手册进行硬件连接及面板设置简单方便，系统工作原理做简介如下。  工作原理:正常情况下，主控制站通过其远程控制主单元与现场站的从单元的通信实现远程现场的I/O控制和主、从控制站错误监测和报警输出。同时，从控制站通过W-LINK主从网络单元，实时检测主控制站是否有错误发生。主控制站有故障，从控制站马上发出转换信号给主从转换器，主从转换器将现场控制权交给从控制站，系统保持原有状态继续运行。此后按照报警输出对主控制站进行维修，也不影响安全连锁系统的连续运行。
2.3 热备系统通讯软件设计
主/从控制站流程图如图2、图3所示。 
主/从控制站流程图说明:
(1) 链接寄存器“LD0”是W-LINK网相关CPU可共享数据的公共寄存器;
(2) 链接继电器“L0”是W-LINK网相关CPU可传递信号公共继电器。此处用来表示主控站是否发生故障;
(3) 流程图①、②部分输入数据存储的作用:站接管控制权的瞬间，有可能还监测不到现场输入。通过将主站所测输入信号转存到公共数据区，从站再从公共数据区读入自己的辅助继电器，继续主站原有状态进行现场控制;到现场站，输入信号可测再将输入信号直接存入辅助继电器，进行输出控制。 3 上位监控系统方案设计
3.1 系统结构及工作原理
系统结构如图4所示。本监控系统主要由上位工控机、通迅转换器、电缆等组成。系统运行时，主/从控制站将通过RS-485通迅方式实时发送其远程现场的I/O控制状态和主、从控制站错误监测及报警输出信息，上位工控机通过定时查询其接收缓冲区的信息，并对其数据进行判别和处理，再经过人机界面模拟显示出远程现场的各I/O状态和主、从控制站错误或报警信息，并可记录打印以上各信息。通过局域网还可现实以上各现场信息的共享。再有，当需对远程现场系统进行调试维护时，也可经过上位机人机界面的模拟手动调试按钮实现对现场各控制点的操作。  3.2 监控系统软件设计
本上位监控系统软件采用Borland C++Builder6.0编写界面显示、数据处理、通讯等程序，以下主要论述其与PLC通讯程序的设计，图5示出监控流程。
松下FP3系列PLC与计算机之间的通信协议为松下公司专用的MEWTOCOL_COM协议。该协议采用异步通信方式，本软件将其波特率选为9600bps，报文长度选为固定方式。该协议格式分为:
(1) 命令消息:Command Message;
(2) 正常响应消息Response Message_normal;
(3) 出错响应消息Response Message_error三种。其中，％为起始符，标记每一帧报文的开始，CR为结束符，标记每一帧报文的结束。AD为PLC的站地址，为两位16进制数，如00则表示第一台PLC。#、$标注该帧报文为何种类型。
Command Code为命令代码，如“RD”，表示读数据区;“WR”，表示写入数据区。Response Code为响应代码一般返回接收到的命令消息中的命令代码。ErrorH和ErrorL为出错代码，是两位16进制数，可根据其值在协议中查出错误的描述。Text Code为命令参数，如命令消息中“D011O701109”，“D”表示数据寄存器，“0110701109”表示第1107号至1109号，而在响应消息中，“3333 5555 AAAA”则表示DT1107至DT1109中数据分别为3333、5555、AAAA。BBC H和BBC L为前面字符串的BCC校验码的高、低位，为两位16进制数。其初值为0，然后从起始符开始与该帧报文中每一字节按位进行异或运算得到。
例:读取DT01107至DT01109中的数据的命令消息如下:%01#RDD011070110959CR
若DT01107至DT01109中的数据分别为3333、5555和AAAA，PLC返回的响应消息如下:%01$RD33335555 AAAA87CR。
上位工控机与松下FP3系列PLC通信的软件实现。本通讯程序通过自编写定制的C++Builder_VCL串行通讯元件包COMM,其中调用了WINDOWS_API异步串行通讯函数,如:ReadFile();WriteFile();OpenComm();CloseComm()等。可实现通讯端口的开闭、端口各参数的设置、通讯端口数据的读写校验等功能。由于程序中使用了该串行通讯元件包COMM极大地方便了程序的编写,提高了软件的可读性且方便了软件在实际使用中的维护和调试。实际调试中注意波特率及校验方式要与PLC的设置一致。
 4 热备系统在化工安全连锁系统中的应用
在某化工集团高密度车间安全连锁系统中，为保证大量电机分批自启动的可靠性，在电机自启动连锁控制中采用了文中设计的PLC热备系统。根据工程电气配电系统的设计，再启动电动机的供电电源分别接至低压配电系统的A、B段母线(信号0-10V)上。
4.1 PLC所实现的控制功能
(1) PLC从A、B段母线采集母线电压信号，判断母线是否失压;PLC从需要实现再启动的电机回路采集该电机的运行状态信号。
(2) PLC通过采集的母线电压信号和电机的运行状态信号做出逻辑判断，是否对电机进行再启动;如果需要再启动，还要判断该电机是否属于第一批再启动电机;如果属于第一批再启动电机，则对该电机发出再启动指令。
(3) 第一批电机成功再启动后，若母线动电机电压信号恢复正常，则对第二批电机发出再启动指令。PLC发出在启动命令后，电机没有响应，则在一定延迟后，再发出再启动指令;如果电机仍没有响应，则停止发出电机再启动指令，并报警。
(4) 其它具体启动条件还有:一段母线上须自启动的电动机台数为正常运行状态下需自启动的正在运行的电动机的台数，没有运行的电动机在自启动时不发出自启动信号。当母线为低电压，检测到其输入信号未返回，即电动机状态信号仍为高电位，应报警。
4.2 连锁控制用户程序流程设计要点
(1) 主、从控制站程序写入:先把各自的通信程序写入，再在其后分别写入相同的用户程序。
(2) 用户程序中的输入信号用辅助继电器WR代替。
(3) 用户程序编程中注意记录母线未掉电前运行的电动机，并在电机启动后复位记录才能保证只启动正常状态已运行的电动机。 5 结束语
本文所论述的基于主从通讯网的PLC热备系统及其上位监控系统，较好地实现了大中型才能完成的双机热备或冗余PLC系统。此系统通过在某化工集团高密度车间和聚丙烯车间的应用，取得了安全、经济的良好效果。并且此方案也可以推广到其他厂家具有类似网络功能的PLC系统设计中。
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