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在(zai)重(zhong)要(yao)的(de)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)領(ling)域(yu)和(he)軍(jun)用(yong)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)中(zhong)，采(cai)用(yong)冗(rong)餘(yu)技(ji)術(shu)提(ti)高(gao)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)做(zuo)法(fa)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)遍(bian)。常(chang)規(gui)的(de)冗(rong)餘(yu)就(jiu)是(shi)采(cai)用(yong)成(cheng)倍(bei)增(zeng)加(jia)元(yuan)件(jian)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)參(can)與(yu)控(kong)製(zhi)，以(yi)期(qi)能(neng)夠(gou)將(jiang)因(yin)控(kong)製(zhi)設(she)備(bei)的(de)意(yi)外(wai)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)停(ting)機(ji)降(jiang)到(dao)最(zui)少(shao)。
ranyouguolushishuyouguandaojiarexitongzhongdejiareshebei，guoludewuguzhangyunxingshizhenggeshuyouguandaowangluozhengchanggongzuodebaozheng。zaiguolukongzhixitongzhong，shejicaiyongliangzuduliyunxingdeximenziPLC軟件冗餘控製係統，保證加熱係統的可靠、連續、安全運行。
冗餘常見的方式是中央處理器冗餘、I/O 冗餘和通訊冗餘。中央處理器單元冗餘（即一用一備或一用多備），在zai主zhu處chu理li器qi單dan元yuan失shi效xiao時shi，備bei用yong處chu理li器qi單dan元yuan自zi動dong投tou入ru運yun行xing，接jie管guan控kong製zhi。在zai控kong製zhi權quan的de交jiao互hu方fang式shi上shang又you可ke分fen為wei硬ying件jian冗rong餘yu和he軟ruan件jian冗rong餘yu兩liang種zhong。硬ying件jian冗rong餘yu是shi采cai用yong硬ying件jian方fang式shi進jin行xing切qie換huan，不bu用yong編bian程cheng。除chu了le成cheng對dui的de使shi用yong處chu理li器qi外wai，還hai用yong專zhuan用yong的de熱re備bei模mo塊kuai，熱re備bei模mo塊kuai負fu責ze檢jian測ce處chu理li器qi，一yi旦dan發fa現xian主zhu處chu理li器qi失shi效xiao，馬ma上shang將jiang係xi統tong控kong製zhi權quan交jiao給gei備bei用yong處chu理li器qi。硬ying件jian冗rong餘yu均jun采cai用yong光guang纖xian通tong訊xun，通tong訊xun速su度du快kuai，係xi統tong穩wen定ding，切qie換huan時shi間jian更geng短duan，但dan是shi成cheng本ben也ye比bi較jiao高gao。軟ruan件jian冗rong餘yu方fang式shi隻zhi需xu要yao成cheng對dui的de處chu理li器qi，用yong軟ruan件jian編bian程cheng的de方fang式shi進jin行xing處chu理li器qi的de切qie換huan，組zu成cheng比bi較jiao經jing濟ji，構gou成cheng十shi分fen靈ling活huo，但dan程cheng序xu處chu理li需xu要yao一yi定ding的de時shi間jian，對dui於yu時shi鍾zhong同tong步bu及ji切qie換huan時shi間jian要yao求qiu不bu是shi十shi分fen嚴yan格ge的de場chang合he，選xuan用yong軟ruan件jian冗rong餘yu方fang式shi還hai是shi非fei常chang經jing濟ji有you效xiao的de。
1．控製係統構成：
1.1 監控係統整體設計
本控製方案設計采用了SIMATIC WinCC 組態軟件來實現過程控製的上位機組態，WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控製任務的工業技術係統。下位機控製係統設計采用兩套獨立的西門子 SIMATIC S7-300係列PLC實現冗餘控製，其編程軟件STEP-7功能強大，模塊化結構，優化了用戶程序。
監控係統構成實現如圖1：
圖1 冗餘監控係統
Fig.1 Software redundancy monitoring system
1.2 PLC軟件冗餘控製係統
軟件冗餘是Siemens實現冗餘功能的一種低成本解決方案,可以應用於對主備係統切換時間要求不高的控製係統中。
1.2.1係統結構
Siemens軟件冗餘係統的軟件、硬件包括：
1套STEP7編程軟件（V5.x）加軟冗餘軟件包(V1.x)；
2套PLC控製器及I/O模塊，可以是S7-300或S7-400係統；
3條通訊鏈路，主係統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用係統與從站通訊鏈路（PROFIBUS2）、主係統與備用係統的數據同步通訊鏈路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；
軟冗餘能夠實現：
1． 主機架電源、背板總線等冗餘；
2． PLC處理器冗餘；
3． PROFIBUS現場總線網絡冗餘（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗餘）；
4． ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗餘。
軟冗餘係統由A和B兩套PLC控製係統組成。開始時，A係統為主，B係統為備用，當主係統A中的任何一個組件出錯，控製任務會自動切換到備用係統B當中執行，這時，B係統為主，A係統為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接(jie)口(kou)模(mo)塊(kuai)的(de)整(zheng)體(ti)切(qie)換(huan)。係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，即(ji)使(shi)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)組(zu)件(jian)出(chu)錯(cuo)，操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)設(she)定(ding)控(kong)製(zhi)字(zi)，實(shi)現(xian)手(shou)動(dong)的(de)主(zhu)備(bei)係(xi)統(tong)切(qie)換(huan)，這(zhe)種(zhong)手(shou)動(dong)切(qie)換(huan)過(guo)程(cheng)，對(dui)於(yu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)調(tiao)整(zheng)、更換非常有用。
1.2.2 係統工作原理
在軟冗餘係統進行工作時，A、B控製係統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主係統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控製權。A、B係統中的PLC程序由非冗餘用戶程序段和冗餘用戶程序段組成，主係統PLC執行全部的用戶程序，備用係統PLC隻執行非冗餘用戶程序段，而跳過冗餘用戶程序段。下麵我們看一下軟冗餘係統中PLC內部的運行過程（圖2）：
圖2 冗餘工作原理
Fig.2 The working principle of software redundancy
1.3 PLC控製係統設計
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、停爐溫度值控製燃燒機的自動啟動、轉火、停止等操作。根據溫度、壓力報警設定值，控製鍋爐緊急停爐和故障報警等處理。
控製係統組成：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
根據控製方案的設計，采用WinCC組態作為上位機監控，用西門子的S7_300作為下位機執行機構，我將采用以太網的標準Tcp/IP協議實現WinCC與S7-300的通信，將現場的狀態參數、控製參數等上傳到監控層。這個變量傳遞的過程可以用圖3來說明：
圖3 變量監控過程
Fig.3 Course of variable monitoring
1.5 WinCC組態冗餘的實現
通過兩台獨立計算機同時運行項目功能完全相同的WinCC組態項目，構成並行服務器來實現組態冗餘結構，兩台服務器通過以太網連接，並與PLC連接。每台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送到兩台冗餘服務器。如果一台服務器發生故障，另一台將繼續接收和歸檔來自PLC工gong作zuo站zhan的de過guo程cheng值zhi和he消xiao息xi。出chu現xian故gu障zhang的de服fu務wu器qi重zhong新xin工gong作zuo後hou，冗rong餘yu服fu務wu器qi為wei故gu障zhang時shi間jian的de歸gui檔dang執zhi行xing同tong步bu，通tong過guo將jiang丟diu失shi的de數shu據ju重zhong新xin傳chuan送song到dao出chu故gu障zhang的de服fu務wu器qi，來lai消xiao除chu故gu障zhang引yin起qi的de歸gui檔dang差cha別bie。
冗餘服務器的組態實現：1．必須在兩個冗餘服務器上組態功能完全相同的WinCC組態項目（建議使用WinCC項目複製器）。2. 對於WinCC冗餘，需要同步服務器（建議使用設備的時間同步）。3. 配置冗餘用戶歸檔，實現用戶歸檔同步。4. 組態在線消息同步。5. 打開冗餘編輯器，在“冗餘夥伴服務器”項，輸入冗餘服務器的名稱，並在“用戶歸檔”項下，激活“用戶歸檔的同步”。
本係統通過動態向導設置讀取IP冗餘地址，實現主S7-300數據監控。
1.6 軟冗餘程序的設計
軟冗餘程序需要西門子提供的軟冗餘軟件包及STEP7，在A站的Block中插入OB1（主循環程序塊）、OB35（定時中斷組織塊）、OB100（暖啟動調用程序塊）、OB80（在主係統與備用係統切換時間超時，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，並對其中的OB100、OB35、OB86進行編程。
首先，用戶需要在初始化程序中（OB100）定義冗餘部分的數據區，該數據區可以包括：一個過程映像區，一個定時器區，一個計數器區和一個數據塊區，S7-300同步的最大數據量為8kBytes。本控製係統將每台鍋爐的溫度、壓力采集值和運行狀態參數分別放置在不同的DB數據塊，並定義為需要冗餘的數據塊。
使用的是OB35的默認屬性，即每100ms中斷觸發一次，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裏調用FB101S ’WR_ZYK’功能塊，FB101塊中封裝了冗餘功能的程序段，實現冗餘功能。當執行‘SWR_START’程序塊時，係統分配這些數據區，不能用S7 的定時器和計數器，隻能使用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，隻是不使用中斷的方式，而使用主循環的方式。
調用FB101時，你可以在線地讀出RETURN_VAL參數的數值，如果為0，說明冗餘鏈接正常。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軟件冗餘係統的係統組成、工作原理、程序編製，整個係統組成簡單、構成靈活、程序編製比較容易。係統在某輸油站投入運行以來,保證了係統無故障停機運行,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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[2] SIEMENS. SIMATIC WinCC configuration manual[M]. 2003.
[3] 浙江大學自動化中心(Automation center of Zhe Jiang). 可編程序控製器係統(Programmable control system)[M]. 浙江大學出版社(Zhe Jiang University Press), 2000.
[4] 馮太合(Feng Tai-he). 可編程控製係列書西門子S7-300係列PLC及應用軟件STEP7(SIEMENS S7-300 serial PLC and internet applications STEP7)[M]. 華南理工出版社(South China University of Technology Press), 2004.
[5] 許誌軍(Xu Zhi-jun).工業控製組態軟件及應用(Software and application of industrial control configuration)[M]. 機械工業出版社(Industrial machine Press), 2005.
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