|
在重要的工業生產領域和軍用產品設計中，采用冗余技術提高控制系統可靠性的做法越來越普遍。常規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。在鍋爐控制系統中，設計采用兩組獨立運行的西門子PLC軟件冗余控制系統，保證加熱系統的可靠、連續、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，一旦發現主處理器失效，馬上將系統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，系統穩定，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．控制系統構成：
1.1 監控系統整體設計
本控制方案設計采用了SIMATIC WinCC 組態軟件來實現過程控制的上位機組態，WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術系統。下位機控制系統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，優化了用戶程序。
監控系統構成實現如圖1：
圖1 冗余監控系統
Fig.1 Software redundancy monitoring system
1.2 PLC軟件冗余控制系統
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切換時間要求不高的控制系統中。
1.2.1系統結構
Siemens軟件冗余系統的軟件、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；
3條通訊鏈路，主系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS2）、主系統與備用系統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。
軟冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統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B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，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切換，這種手動切換過程，對于控制系統的軟硬件調整、更換非常有用。
1.2.2 系統工作原理
在軟冗余系統進行工作時，A、B控制系統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A、B系統中的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PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執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、控制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組態項目，構成并行服務器來實現組態冗余結構，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送到兩臺冗余服務器。如果一臺服務器發生故障，另一臺將繼續接收和歸檔來自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。
冗余服務器的組態實現：1．必須在兩個冗余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”。
本系統通過動態向導設置讀取IP冗余地址，實現主S7-300數據監控。
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（在主系統與備用系統切換時間超時，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，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，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。本控制系統將每臺鍋爐的溫度、壓力采集值和運行狀態參數分別放置在不同的DB數據塊，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。當執行‘SWR_START’程序塊時，系統分配這些數據區，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軟件冗余系統的系統組成、工作原理、程序編制，整個系統組成簡單、構成靈活、程序編制比較容易。系統在某輸油站投入運行以來,保證了系統無故障停機運行,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：
[1] SIEMENS. Software Redundancy for S7-300[M]. 2005.
[2] SIEMENS. SIMATIC WinCC configuration manual[M]. 2003.
[3] 浙江大學自動化中心(Automation center of Zhe Jiang). 可編程序控制器系統(Programmable control system)[M]. 浙江大學出版社(Zhe Jiang University Press), 2000.
[4] 馮太合(Feng Tai-he). 可編程控制系列書西門子S7-300系列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] 許志軍(Xu Zhi-jun).工業控制組態軟件及應用(Software and application of industrial control configuration)[M]. 機械工業出版社(Industrial machine Press), 2005.
|
