在重要的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用冗余技術(shù)提高控制系統(tǒng)可靠性的做法越來(lái)越普遍。常規(guī)的冗余就是采用成倍增加元件的方式來(lái)參與控制，以期能夠?qū)⒁蚩刂圃O(shè)備的意外而導(dǎo)致的停機(jī)降到最少。
燃油鍋爐是輸油管道加熱系統(tǒng)中的加熱設(shè)備，鍋爐的運(yùn)行是整個(gè)輸油管道網(wǎng)絡(luò)正常工作的保證。在鍋爐控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)采用兩組獨(dú)立運(yùn)行的西門(mén)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(yùn)行。
冗余常見(jiàn)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(shí)，備用處理器單元自動(dòng)投入運(yùn)行，接管控制。在控制權(quán)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(jìn)行切換，不用編程。除了成對(duì)的使用處理器外，還用專用的熱備模塊，熱備模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)處理器，一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效，馬上將系統(tǒng)控制權(quán)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(shí)間更短，但是成本也比較高。軟件冗余方式只需要成對(duì)的處理器，用軟件編程的方式進(jìn)行處理器的切換，組成比較經(jīng)濟(jì)，構(gòu)成十分靈活，但程序處理需要一定的時(shí)間，對(duì)于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場(chǎng)合，選用軟件冗余方式還是非常經(jīng)濟(jì)有效的。
1．控制系統(tǒng)構(gòu)成：
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
本控制方案設(shè)計(jì)采用了SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的上位機(jī)組態(tài)，WinCC是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩套獨(dú)立的西門(mén)子 SIMATIC S7-300系列PLC實(shí)現(xiàn)冗余控制，其編程軟件STEP-7功能強(qiáng)大，模塊化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了用戶程序。
監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案,可以應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的控制系統(tǒng)中。
1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；
軟冗余能夠?qū)崿F(xiàn)：
1． 主機(jī)架電源、背板總線等冗余；
2． PLC處理器冗余；
3． PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)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(kāi)始時(shí)，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過(guò)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(yùn)行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過(guò)設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換，這種手動(dòng)切換過(guò)程，對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)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(jìn)行工作時(shí)，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨(dú)立運(yùn)行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I/O控制權(quán)。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(guò)冗余用戶程序段。下面我們看一下軟冗余系統(tǒng)中PLC內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程（圖2）：
PLC
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(shè)計(jì)
利用信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)采集鍋爐的輸油管進(jìn)出口溫度和壓力，根據(jù)設(shè)定起爐、轉(zhuǎn)火、停爐溫度值控制燃燒機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)火、停止等操作。根據(jù)溫度、壓力報(bào)警設(shè)定值，控制鍋爐緊急停爐和故障報(bào)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(gè)IM352接口）；一組SM321 DI開(kāi)關(guān)量輸入模塊；一組SM322 DO開(kāi)關(guān)量輸出模塊；3組SM331 AI模擬量輸入模塊。一組CP343-1以太網(wǎng)通信處理器模塊。
1.4 WinCC與S7-300的通信實(shí)現(xiàn)
根據(jù)控制方案的設(shè)計(jì)，采用WinCC組態(tài)作為上位機(jī)監(jiān)控，用西門(mén)子的S7_300作為下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，我將采用以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)Tcp/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)WinCC與S7-300的通信，將現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)等上傳到監(jiān)控層。這個(gè)變量傳遞的過(guò)程可以用圖3來(lái)說(shuō)明：
問(wèn)題：更新CPU 41x的操作系統(tǒng)后MPI和PROFIBUS接口的設(shè)置保留嗎？
解答： 如果更新了一個(gè)CPU操作系統(tǒng)后，必須重新加載程序，因?yàn)镃PU已經(jīng)做了一次全面復(fù)位。具有一個(gè)MPI接口或一個(gè)組合MPI/DP接口的CPU只在操作系統(tǒng)更新前保留接口所采用的當(dāng)前地址和波特率。另一方面，另一個(gè)PROFIBUS地址被刪除，不能再訪問(wèn)。 重要事項(xiàng)：重新設(shè)置PG/PC之后，與CPU之間的通訊只能通過(guò)MPI或MPI/DP接口來(lái)建立。 注意事項(xiàng)：在操作系統(tǒng)更新之前設(shè)置的保護(hù)電平和MPI地址一樣會(huì)被保留。 提供的下載中關(guān)于如何更新一個(gè)操作系統(tǒng)的詳細(xì)信息可用于各種CPU的操作系統(tǒng)。
問(wèn)題：如何在PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)中改變響應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)間？
解答： 如果總線配置文件設(shè)置為"user-defined"，那么響應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)間只能手動(dòng)改變。否則，相應(yīng)的域變灰，無(wú)法進(jìn)行更改。 /p 以下是對(duì)相關(guān)對(duì)話框的描述： 選擇一個(gè)總線構(gòu)件，雙擊。 在注冊(cè)表"General"中，點(diǎn)擊按鈕"PROFIBUS"，并轉(zhuǎn)到"Parameter"。 點(diǎn)擊"Properties"。 總線配置文件可以在"Network settings"中改變。如果點(diǎn)擊"Bus parameter"，將會(huì)顯示響應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)間。 /li 該時(shí)間可以自動(dòng)計(jì)算。為此，點(diǎn)擊按鈕"Recalculate"或在輸入一個(gè)位于 15.000 和 975.000.000 t_bit之間的值。響應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)于整個(gè)PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)有效。
問(wèn)題：哪種信息存儲(chǔ)在SIMATIC S7-CPU的診斷緩沖中？
解答： 系統(tǒng)診斷用于識(shí)別，評(píng)估和顯示發(fā)生在自動(dòng)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。為此，在每個(gè)有系統(tǒng)診斷能力的CP 和模塊中，有一個(gè)包含所有診斷結(jié)果詳細(xì)信息的診斷緩沖器。 錯(cuò)誤由模塊的操作系統(tǒng)識(shí)別 作為整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的編號(hào)(起因) 包括錯(cuò)誤發(fā)生的位置和時(shí)間并用純文本顯示。錯(cuò)誤歷史也被記錄，因?yàn)樵撳e(cuò)誤消息自動(dòng)存儲(chǔ)在診斷緩沖中，無(wú)需用戶幫助。 系統(tǒng)診斷的基本功能包括操作系統(tǒng)的所有錯(cuò)誤事件以及用戶程序的程序順序中的一些特性，它們存儲(chǔ)在診斷緩沖器中，并帶有時(shí)間，錯(cuò)誤編號(hào)及附加的相關(guān)信息。 此外，用戶可以在診斷緩沖中輸入用戶自定義的診斷事件(如關(guān)于用戶程序的信息)，或發(fā)送用戶定義的診斷結(jié)果到已連接的站中(監(jiān)測(cè)設(shè)備如PG，OP，TD)。 診斷緩沖器 診斷緩沖器能夠 更快地識(shí)別故障源，因而提高系統(tǒng)的可用性。 評(píng)估STOP之前的最后事件，并尋找引起STOP的原因。診斷緩沖器是一個(gè)帶有單個(gè)診斷條目的循環(huán)緩沖器，這些診斷條目顯示在事件發(fā)生序列中；第一個(gè)條目顯示的是最近發(fā)生的事件。如果緩沖器已滿，g 最早發(fā)生的事件就會(huì)被新的條目所覆蓋。根據(jù)不同的CPU，診斷緩沖器的大小或者固定，或者可以通過(guò)HW Config中通過(guò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 /p 診斷緩沖器中的條目包括： 故障事件 操作模式轉(zhuǎn)變以及其它對(duì)用戶重要的操作事件 用戶定義的診斷事件(用SFC52 WR_USMSG) 在操作模式STOP下，在診斷緩沖器中盡量少的存儲(chǔ)事件，以便用戶能夠很容易在緩沖器中找到引起STOP的原因。因此，只有當(dāng)事件要求用戶產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)(如計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)存復(fù)位，電池需要充電)或必須注冊(cè)重要信息(如固件更新，站故障)時(shí)，才將條目存儲(chǔ)在診斷緩沖器中。 /p 在操作模式STOP下，不處理用戶程序。因此，不存有因用戶程序引發(fā)的診斷緩沖條目。 診斷緩沖器中的條目不包括： 臨時(shí)性錯(cuò)誤 統(tǒng)計(jì)信息或跟蹤記錄 關(guān)于數(shù)據(jù)或服務(wù)質(zhì)量的信息 循環(huán)OB啟動(dòng)調(diào)用循環(huán)發(fā)生的故障事件通常僅在第一次輸入，在此之后，只有當(dāng)引起錯(cuò)誤的原因被識(shí)別后才輸入。這確保溢出不會(huì)覆蓋重要的條目。通過(guò)在線幫助，用戶可以分析診斷緩沖條目，并找到可能的原因以及事件的補(bǔ)救措施。 診斷緩沖器的合理評(píng)估 診斷緩沖器的合理評(píng)估一般是通過(guò)診斷工具-如S7 系統(tǒng)診斷來(lái)完成。用戶程序可以從診斷緩沖器中讀出，然而，不能用它來(lái)減少控制器對(duì)于用戶程序的反應(yīng)。
問(wèn)題： 為什么在2月29日這天關(guān)閉CPU 945后，它不能正確地將日期從29.02改變到01.03？
解答： 如果為CPU 945的硬件時(shí)鐘設(shè)置了一個(gè)不等于0的校正因子(當(dāng)前固件版本為Z03)，并且在日期改變時(shí)，C PU位于斷電狀態(tài)，那么在閏年從29.02到01.03日期改變不會(huì)正確執(zhí)行。 示例： 設(shè)置日期為29.02。設(shè)置時(shí)間為23:59:00?，F(xiàn)在關(guān)閉CPU，一直等到日期已經(jīng)發(fā)生改變。當(dāng)重新打開(kāi)時(shí)，C PU上的日期仍舊為29.02的23:52:50。 校正因子不等于零的設(shè)置導(dǎo)致在閏月時(shí)計(jì)算了錯(cuò)誤的時(shí)間校正值。然后，硬件時(shí)鐘也被設(shè)置到該錯(cuò)誤時(shí)間和日期。 /p 補(bǔ)救措施： 如果使用一個(gè)等于零的校正因子，就不再會(huì)發(fā)生時(shí)間漂移行為。可以自己設(shè)置校正因子。
問(wèn)題：哪些驅(qū)動(dòng)器支持SIMATIC的新功能"Clock Synchronization"？
解答： 從固件版本V3.1 開(kāi)始，SIMATIC S7-400 系列的CPU支持新的TIA系統(tǒng)功能"Clock Synchronization"。時(shí)鐘同步在等距DP循環(huán)，I/O模塊和用戶程序之間做一個(gè)直接的鏈接。 時(shí)鐘同步功能由完整的產(chǎn)品組"SIMODRIVE"和"MASTERDRIVE MC"所支持。 組態(tài)驅(qū)動(dòng)器的要求是從V5.2 版本以上的Drive ES Basic，STEP 7 V5.2 和用于S7 400 CPU的固件版本V3.1。在此請(qǐng)注意僅有CPU的內(nèi)部DP接口可用于通信。
問(wèn)題： 在冗余數(shù)字輸入模塊上有差異時(shí)，在映像中輸入什么？
解答： 在PII(輸入的過(guò)程映像)中，冗余數(shù)字輸入模塊的最后一個(gè)均值有效，直到錯(cuò)誤定位。在出現(xiàn)差異的情況下，由 CPU識(shí)別為故障的模塊處于鈍化狀態(tài)(CPU不再讀入有關(guān)的輸入字節(jié))。在這種情況下，處于非鈍化狀態(tài)模塊的值有效。在此之后，錯(cuò)誤不再可以被識(shí)別，因?yàn)樵诜氢g化模塊上的信號(hào)總是被CPU以正確的信號(hào)來(lái)接受。 確保故障數(shù)字輸入模塊的本地化僅可通過(guò)I O類型(互連)與FLF(故障本地化工具)才能實(shí)現(xiàn)。
問(wèn)題： 為什么需要在一些外圍模塊中使用一個(gè)SIFI-C濾波器？這些模塊是如何連接的？
解答： 對(duì)于幾個(gè)外圍模塊，必須使用一個(gè)SIFI C濾波器，因?yàn)樵贑E認(rèn)證中使用了該濾波器，以滿足HF吸收和散發(fā)的要求。關(guān)于在模塊上該使用哪種濾波器的信息可以在當(dāng)前目錄或在當(dāng)前系統(tǒng)手冊(cè)中找到。 對(duì)于數(shù)字輸出模塊，濾波器必須切換到負(fù)載電壓源，對(duì)于數(shù)字輸入模塊，必須切換到模塊/傳感器電源。對(duì)于模擬模塊，濾波器必須切換到模塊電源。可以使用同一種濾波器，用于一組輸入輸出模塊。
圖3 變量監(jiān)控過(guò)程
Fig.3 Course of variable monitoring
1.5 WinCC組態(tài)冗余的實(shí)現(xiàn)
通過(guò)兩計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行項(xiàng)目功能相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目，構(gòu)成并行服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)組態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)連接，并與PLC連接。每臺(tái)服務(wù)器都帶有其自身的過(guò)程連接和可用的數(shù)據(jù)歸檔，工作PLC站將過(guò)程數(shù)據(jù)和消息同時(shí)發(fā)送到兩臺(tái)冗余服務(wù)器。如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，另一臺(tái)將繼續(xù)接收和歸檔來(lái)自PLC工作站的過(guò)程值和消息。出現(xiàn)故障的服務(wù)器重新工作后，冗余服務(wù)器為故障時(shí)間的歸檔執(zhí)行同步，通過(guò)將丟失的數(shù)據(jù)重新傳送到出故障的服務(wù)器，來(lái)消除故障引起的歸檔差別。
冗余服務(wù)器的組態(tài)實(shí)現(xiàn)：1．必須在兩個(gè)冗余服務(wù)器上組態(tài)功能相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目（建議使用WinCC項(xiàng)目復(fù)制器）。2. 對(duì)于WinCC冗余，需要同步服務(wù)器（建議使用設(shè)備的時(shí)間同步）。3. 配置冗余用戶歸檔，實(shí)現(xiàn)用戶歸檔同步。4. 組態(tài)在線消息同步。5. 打開(kāi)冗余編輯器，在“冗余伙伴服務(wù)器"項(xiàng)，輸入冗余服務(wù)器的名稱，并在“用戶歸檔"項(xiàng)下，激活“用戶歸檔的同步"。
本系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)向?qū)гO(shè)置讀取IP冗余地址，實(shí)現(xiàn)主S7-300數(shù)據(jù)監(jiān)控。
1.6 軟冗余程序的設(shè)計(jì)
軟冗余程序需要西門(mén)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(shí)中斷組織塊）、OB100（暖啟動(dòng)調(diào)用程序塊）、OB80（在主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換時(shí)間超時(shí)，調(diào)用該塊）、OB82（DP-Slave ET200站上的IM153-2模塊出錯(cuò)報(bào)警，調(diào)用該功能塊）、OB83（DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開(kāi)或鏈接重新建立時(shí)調(diào)用該塊）、OB86（主從站通訊出錯(cuò)調(diào)用該塊）、OB87（通訊失敗調(diào)用該塊）、OB122（外圍設(shè)備訪問(wèn)出錯(cuò)調(diào)用該塊）、OB121等組織塊，并對(duì)其中的OB100、OB35、OB86進(jìn)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(shù)據(jù)區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個(gè)過(guò)程映像區(qū)，一個(gè)定時(shí)器區(qū)，一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)和一個(gè)數(shù)據(jù)塊區(qū)，S7-300同步的最大數(shù)據(jù)量為8kBytes。本控制系統(tǒng)將每臺(tái)鍋爐的溫度、壓力采集值和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)分別放置在不同的DB數(shù)據(jù)塊，并定義為需要冗余的數(shù)據(jù)塊。
使用的是OB35的默認(rèn)屬性，即每100ms中斷觸發(fā)一次，可以根據(jù)實(shí)際的需要在CPU屬性中修改中斷的時(shí)間間隔。在OB35里調(diào)用FB101S ’WR_ZYK’功能塊，F(xiàn)B101塊中封裝了冗余功能的程序段，實(shí)現(xiàn)冗余功能。當(dāng)執(zhí)行‘SWR_START’程序塊時(shí)，系統(tǒng)分配這些數(shù)據(jù)區(qū)，不能用S7 的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，只能使用IEC標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。
OB35中的程序段也可以在OB1中實(shí)現(xiàn)，只是不使用中斷的方式，而使用主循環(huán)的方式。
調(diào)用FB101時(shí)，你可以在線地讀出RETURN_VAL參數(shù)的數(shù)值，如果為0，說(shuō)明冗余鏈接正常。如果為8015說(shuō)明數(shù)據(jù)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(shù)與NETPRO中的ID號(hào)不一致。
2．結(jié)束語(yǔ)：
以上簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、構(gòu)成靈活、程序編制比較容易。系統(tǒng)在某輸油站投入運(yùn)行以來(lái),保證了系統(tǒng)停機(jī)運(yùn)行,提高了工作效率,降低了維護(hù)費(fèi)用，以其可靠性、靈活性、便利性受到用戶好評(píng)。
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