摘要：在油站輸油管道加熱系統(tǒng)的高安全性、可靠性要求下，設計采用冗余技術保障控制系統(tǒng)高效運行，降低故障帶來的損失。本文介紹了西門子公司基于S7-300系列可編程控制器（PLC）開發(fā)的軟件冗余技術。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、構成靈活、成本相對較低、具有很好的應用前景。

關鍵詞：可編程邏輯控制器；軟件冗余；通信

Abstract: On request of high security and dependability heating system of pipe-laying, design adopt software redundancy technique ensure high efficiency running of control system, reduce system malfunction. This paper introduces the software redundancy based on S7-300 serial programmable controllers of SIEMENS. The system have capability of high stability, structure’s agility, low cost, and good application foreground.
Keywords: PLC; Software Redundancy; communication

    在重要的工業(yè)生產領域和軍用產品設計中，采用冗余技術提高控制系統(tǒng)可靠性的做法越來越普遍。常規(guī)的冗余就是采用成倍增加元件的方式來參與控制，以期能夠將因控制設備的意外而導致的停機降到最少。

    燃油鍋爐是輸油管道加熱系統(tǒng)中的加熱設備，鍋爐的無故障運行是整個輸油管道網絡正常工作的保證。在鍋爐控制系統(tǒng)中，設計采用兩組獨立運行的西門子PLC軟件冗余控制系統(tǒng)，保證加熱系統(tǒng)的可靠、連續(xù)、安全運行。

    冗余常見的方式是中央處理器冗余、I/O 冗余和通訊冗余。中央處理器單元冗余（即一用一備或一用多備），在主處理器單元失效時，備用處理器單元自動投入運行，接管控制。在控制權的交互方式上又可分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進行切換，不用編程。除了成對的使用處理器外，還用專用的熱備模塊，熱備模塊負責檢測處理器，一旦發(fā)現主處理器失效，馬上將系統(tǒng)控制權交給備用處理器。硬件冗余均采用光纖通訊，通訊速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，切換時間更短，但是成本也比較高。軟件冗余方式只需要成對的處理器，用軟件編程的方式進行處理器的切換，組成比較經濟，構成十分靈活，但程序處理需要一定的時間，對于時鐘同步及切換時間要求不是十分嚴格的場合，選用軟件冗余方式還是非常經濟有效的。

1．控制系統(tǒng)構成：

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

    本控制方案設計采用了SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件來實現過程控制的上位機組態(tài)，WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術系統(tǒng)。下位機控制系統(tǒng)設計采用兩套獨立的西門子 SIMATIC S7-300系列PLC實現冗余控制，其編程軟件STEP-7功能強大，模塊化結構，優(yōu)化了用戶程序。

監(jiān)控系統(tǒng)構成實現如圖1：

圖1 冗余監(jiān)控系統(tǒng)
Fig.1 Software redundancy monitoring system

1.2 PLC軟件冗余控制系統(tǒng)

    軟件冗余是Siemens實現冗余功能的一種低成本解決方案,可以應用于對主備系統(tǒng)切換時間要求不高的控制系統(tǒng)中。

1.2.1系統(tǒng)結構

Siemens軟件冗余系統(tǒng)的軟件、硬件包括：

1套STEP7編程軟件（V5.x）加軟冗余軟件包（V1.x）；
2套PLC控制器及I/O模塊，可以是S7-300或S7-400系統(tǒng)；
3條通訊鏈路，主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS2）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數據同步通訊鏈路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；

軟冗余能夠實現：

1．  主機架電源、背板總線等冗余；
2．  PLC處理器冗余；
3．  PROFIBUS現場總線網絡冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；
4．  ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

    軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統(tǒng)B當中執(zhí)行，這時，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統(tǒng)切換，這種手動切換過程，對于控制系統(tǒng)的軟硬件調整、更換非常有用。

1.2.2 系統(tǒng)工作原理

    在軟冗余系統(tǒng)進行工作時，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。下面我們看一下軟冗余系統(tǒng)中PLC內部的運行過程（圖2）：

圖2 冗余工作原理
Fig.2 The working principle of software redundancy

1.3 PLC控制系統(tǒng)設計

    利用信號采集模塊實時采集鍋爐的輸油管進出口溫度和壓力，根據設定起爐、轉火、停爐溫度值控制燃燒機的自動啟動、轉火、停止等操作。根據溫度、壓力報警設定值，控制鍋爐緊急停爐和故障報警等處理。

    控制系統(tǒng)組成：一組CPU 315-2 DP 處理器（帶PROFIBUS-DP接口）；2組ET200M模塊（各自帶2個IM352接口）；一組SM321 DI開關量輸入模塊；一組SM322 DO開關量輸出模塊；3組SM331 AI模擬量輸入模塊。一組CP343-1以太網通信處理器模塊。

1.4 WinCC與S7-300的通信實現

    根據控制方案的設計，采用WinCC組態(tài)作為上位機監(jiān)控，用西門子的S7_300作為下位機執(zhí)行機構，我將采用以太網的標準Tcp/IP協(xié)議實現WinCC與S7-300的通信，將現場的狀態(tài)參數、控制參數等上傳到監(jiān)控層。這個變量傳遞的過程可以用圖3來說明：

圖3 變量監(jiān)控過程
Fig.3 Course of variable monitoring

1.5 WinCC組態(tài)冗余的實現

    通過兩臺獨立計算機同時運行項目功能完全相同的WinCC組態(tài)項目，構成并行服務器來實現組態(tài)冗余結構，兩臺服務器通過以太網連接，并與PLC連接。每臺服務器都帶有其自身的過程連接和可用的數據歸檔，工作PLC站將過程數據和消息同時發(fā)送到兩臺冗余服務器。如果一臺服務器發(fā)生故障，另一臺將繼續(xù)接收和歸檔來自PLC工作站的過程值和消息。出現故障的服務器重新工作后，冗余服務器為故障時間的歸檔執(zhí)行同步，通過將丟失的數據重新傳送到出故障的服務器，來消除故障引起的歸檔差別。

    冗余服務器的組態(tài)實現：1．必須在兩個冗余服務器上組態(tài)功能完全相同的WinCC組態(tài)項目（建議使用WinCC項目復制器）。2. 對于WinCC冗余，需要同步服務器（建議使用設備的時間同步）。3. 配置冗余用戶歸檔，實現用戶歸檔同步。4. 組態(tài)在線消息同步。5. 打開冗余編輯器，在“冗余伙伴服務器”項，輸入冗余服務器的名稱，并在“用戶歸檔”項下，激活“用戶歸檔的同步”。

    本系統(tǒng)通過動態(tài)向導設置讀取IP冗余地址，實現主S7-300數據監(jiān)控。

1.6 軟冗余程序的設計

    軟冗余程序需要西門子提供的軟冗余軟件包及STEP7，在A站的Block中插入OB1（主循環(huán)程序塊）、OB35（定時中斷組織塊）、OB100（暖啟動調用程序塊）、OB80（在主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換時間超時，調用該塊）、OB82（DP-Slave ET200站上的IM153-2模塊出錯報警，調用該功能塊）、OB83（DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開或鏈接重新建立時調用該塊）、OB86（主從站通訊出錯調用該塊）、OB87（通訊失敗調用該塊）、OB122（外圍設備訪問出錯調用該塊）、OB121等組織塊，并對其中的OB100、OB35、OB86進行編程。

    首先，用戶需要在初始化程序中（OB100）定義冗余部分的數據區(qū)，該數據區(qū)可以包括：一個過程映像區(qū)，一個定時器區(qū)，一個計數器區(qū)和一個數據塊區(qū)，S7-300同步的最大數據量為8kBytes。本控制系統(tǒng)將每臺鍋爐的溫度、壓力采集值和運行狀態(tài)參數分別放置在不同的DB數據塊，并定義為需要冗余的數據塊。

    使用的是OB35的默認屬性，即每100ms中斷觸發(fā)一次，可以根據實際的需要在CPU屬性中修改中斷的時間間隔。在OB35里調用FB101S ’WR_ZYK’功能塊，FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，實現冗余功能。當執(zhí)行‘SWR_START’程序塊時，系統(tǒng)分配這些數據區(qū)，不能用S7 的定時器和計數器，只能使用IEC標準的定時器和計數器。

    OB35中的程序段也可以在OB1中實現，只是不使用中斷的方式，而使用主循環(huán)的方式。

    調用FB101時，你可以在線地讀出RETURN_VAL參數的數值，如果為0，說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數據同步的連接不成功，原因是CP342-5之間的FDL鏈接建立的不正確或物理鏈路不通，或者是FC100的VERB_ID參數與NETPRO中的ID號不一致。

2．結束語：

    以上簡要介紹了SIEMENS軟件冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理、程序編制，整個系統(tǒng)組成簡單、構成靈活、程序編制比較容易。系統(tǒng)在某輸油站投入運行以來,保證了系統(tǒng)無故障停機運行,提高了工作效率,降低了維護費用，以其可靠性、靈活性、便利性受到用戶好評。

參考文獻：

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