DDC控制系统的控制器冗余解决方案研究

曹玉新 靳怡 邵康文 刘原

摘  要：通过在DDC控制系统中定义一个主控制器和一个备控制器，实现在DDC控制系统中由两个控制器组合成为热备份效果的控制系统，该热备份控制系统包括控制器、IO器件、心跳侦测机制以及信道选择机制等部分，其能为受控场所提供一种冗余的控制系统，且其经济型和可实施性良好，尤其适用于既有DDC控制系统的改造与提升。

关键词：DDC;控制器;冗余;热备份

中图分类号：TP182    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）01-0000-00

0  引言

在生物医药、工业厂房和数据中心等基础设施中，暖通空调控制系统（HVAC）通常采用基于直接数字控制器DDC的解决方案。DDC专为暖通空调行业设计，其具有造价经济、应用针对性强及施工调试便捷等特点。

在某些特定应用场景下，如实验室环境、数据中心的冷热源控制及其他对目标系统的意外关闭或服务中断非常敏感的场合，暖通空调系统对控制系统的可用性提出更高要求-控制系统应具有冗余的备份能力。目前DDC在HVAC自控领域具有经济性好、应用针对性高和调试难度低等特点，但支持冗余备份功能的解决方案却非常少。鉴于此，本文在现有DDC控制系统的基础上，通过一系列的方案设计达到冗余的控制功能要求，最终在可用性和经济性之间实现一种动态平衡。

1  方案设计

为了实现一套冗余的控制系统，我们在原有DDC控制器的基础上，增加一个配置相同的DDC控制器作为备用控制器。此时，称这两个DDC控制器分别为主控制器与备控制器。每个控制器都是一个独立工作的全功能控制器，包括CPU、电源和输入输出模块等组件。为了兼容现场既有的传感信号和控制信号，我们还需设计一些信号选择和分配机制，其具体实现的细节需根据实际情况具体分析;此外，为了实现主控制器和备用控制器的切换，需设置一套心跳侦测机制。其整体解决方案如图1所示。

在正常情况下，主控制器和备控制器均出于运行状态，但同时只有一个控制器与末端受控设备连接。当出现控制器故障时，备用控制器可以瞬间接管受控设备，从而避免出现受控设备运行中断的现象，实现了“热备份”的控制系统功能。

2  方案实现要点

2.1  控制器之间的心跳侦测

在主控制器和备控制器之间设置专用心跳探测机制，其目的在于探测控制器的工作状态。考虑到心跳信号会以较高的频率发生周期性变化，因此心跳信号的类型应以模拟量为宜（例如4-20mA的交变信号）正常的心跳信号波形如图2所示。当备控制器监测到接收的心跳信号无法正常变动时，即可感知控制器切换的需求出现，实现控制器之前的切换。

2.2  IO信号通道处理

为了实现控制系统的冗余功能，各输入和输出信号也需要建立相应的冗余通道以便跟主备控制器的设置匹配。

2.2.1  输入信号（模拟量和数字量）

对于输入信号，理想情况下设备可以提供冗余的双路信号或是具备冗余的传感器信号，此时可以将这两路信号分别引至主、备控制器。如果被监控设备仅能提供一路信号，或者仅有单个的传感器信号，则可以通过增加信号分割机制来实现被监控信号同时为主、备控制器所用，其工作原理如图3所示。

2.2.2  输出信号（模拟量和数字量）

暖通空调系统中多为风机、泵类设备及遥控启停等操作推荐采用脉冲控制信号，电控柜接收执行该遥控信号并自保持。在该情况下设备的控制信号均包括一个启动信号和一个停止信号，如果被控设备支持双路控制可直接分别将主控制器和备控制器的控制信号接入。另一种情况是设备仅提供一套启停接口，此时则可以通过增设一套导向机构，根据心跳切换判断的结果将拟投入工作的控制器信号传递到受控设备，信号流向可参考图4。

类似的处理方案也可应用于模拟量的控制信号，实践上，我们可以把上述处理元件统一设计在仲裁机制控制箱中。如果设备支持双路冗余控制，那么主、备控制器的控制信号可以无需上述处理，直接连接到受控设备即可。

2.3  主备控制器间的数据同步

为保证两台控制同时在线运行，除去上述硬件设计外，两台控制器应运行相同的控制程序。当出现故障切换情形时，备用控制器以相同的逻辑控制输出，从而在切换过程中不会出现系统运行中断或较大扰动的情况。在此基础上主、备控制器需实施同步的信息包括：系统状态信息、用户设定信息和输出信号等。

3  系统应用实践

基于上述设计，我们在某些具有冗余热备份要求的HVAC控制系统中应用该方案，典型应用场景包括关键环境中的冗余AHU控制以及可用数据中心冷源系统的二次泵变频控制等。经过改良设计和精密调试，受控系统可实现在受保護的意外情况发生时，瞬时切换到备用控制系统，确保受控设备维持正常运行，从而无中断服务的情况出现。

通过应用该解决方案，控制系统可以针对如下故障场景获得冗余备份的保护，如表1所示。

4  方案改进及应用小结

在实施热备份项目过程中，信号处理的部分需要额外设计组装，此外，心跳信号的侦测和判断需要占用DDC资源，因此热备份项目的本质是基于软件的故障决策机制。

本方案并非完全意义上的冗余控制系统，由于增加的仲裁切换机构自身也会存在故障点，但经过细心的工序设计和周密的故障预案分析，其整体解决方案可以达到冗余备份控制的目的，且其经济型和可实施性良好，尤其适合既有DDC控制系统的改造与提升。

收稿日期：2019-05-22

作者简介：曹玉新（1976—），男，河北衡水人，本科，工程师，研究方向：数据中心、生命科学以及绿色建筑的智能化解决方案。

An Economic Approach to DDC Based Redundancy Solution

CAO Yu-xin，JIN Yi，SHAO Kang-wen，LIU Yuan

（Siemens Building Technology （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin   300050）

Abstract：Presents an approach to build a control system with redundancy function by two identical DDC controllers， one of which is main controller and the other one is backup controller. The system consists of standard components like DDC controller， IO module， heartbeat detection and output selection relays etc.

Keywords： DDC;Controller based;Redundancy;hot backup