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(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)保障控制系統(tǒng)高效運(yùn)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(shù)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、構(gòu)成靈活、成本相對較低、具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；軟件冗余；通信
Application of PLC Software Redundancy in the Heating system of steam boiler
Li Qiang1 Wang Lei1
(1.Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China；)
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(chǎn)領(lǐng)域和軍用產(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?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，鍋爐的無故障運(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，對于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場合，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)軟件來實(shí)現(xiàn)過程控制的上位機(jī)組態(tài)，WinCC是在生產(chǎn)和過程自動(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)行過程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過設(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)切換過程，對于控制系統(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(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開關(guān)量輸入模塊；一組SM322 DO開關(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(shí)現(xiàn)
通過兩臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行項(xiàng)目功能完全相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目，構(gòu)成并行服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)組態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接，并與PLC連接。每臺(tái)服務(wù)器都帶有其自身的過程連接和可用的數(shù)據(jù)歸檔，工作PLC站將過程數(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)接收和歸檔來自PLC工作站的過程值和消息。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，通過將丟失的數(shù)據(jù)重新傳送到出故障的服務(wù)器，來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)功能完全相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目（建議使用WinCC項(xiàng)目復(fù)制器）。2. 對于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)備訪問出錯(cuò)調(diào)用該塊）、OB121等組織塊，并對其中的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，說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數(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：
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(gè)系統(tǒng)組成簡單、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,保證了系統(tǒng)無故障停機(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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