一、軟件冗余基本信息介紹
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)間為秒級(jí)的控制系統(tǒng)中。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Siemens軟件冗余系統(tǒng)的軟件、硬件包括:
(1)1套STEP7編程軟件(V5.2或更高)加軟冗余軟件包(V1.x);
(2)2套PLC控制器及I/O模塊,可以是S7-300(313C-2DP,314C-2DP,31X-2DP)或S7-400(全部S7-400系列CPU)系統(tǒng);
(3)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(PROFIBUS 2)、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);
(4)若干個(gè)ET200M從站,每個(gè)從站包括2個(gè)IM153-2接口模塊和若干個(gè)I/O模塊;Y-link不能用于軟冗余系統(tǒng);
(5)除此之外,還需要一些相關(guān)的附件,用于編程和上位機(jī)監(jiān)控的PC-Adapter(連接在計(jì)算機(jī)串口)或CP5611(插在主板上的PCI槽上)或CP5511(插在筆記本的PCMIA槽里)、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線鏈接器等。
系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示:

圖1軟冗余的系統(tǒng)架構(gòu)
可以看出,系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立的S7-300或S7-400 PLC系統(tǒng)組成,軟冗余能夠?qū)崿F(xiàn):
主機(jī)架電源、背板總線等冗余;PLC處理器冗余;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);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(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,擴(kuò)容非常有用,即Altering Configuration and Application Program in RUN Mode 。
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(non-duplicated)用戶程序段和冗余(redundant backup)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。
軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程參考圖2。

圖2軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程
主系統(tǒng)的CPU將數(shù)據(jù)同步到備用系統(tǒng)的CPU需要1到幾個(gè)程序掃描循環(huán),如圖3所示:

圖3軟冗余同步原理
數(shù)據(jù)同步所需要的時(shí)間取決于同步數(shù)據(jù)量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò)方式,MPI方式周期長(zhǎng),PROFIBUS方式適中,Ethernet網(wǎng)方式較快。同步通信效率見表1
表1同步通信效率

每60ms 傳送240個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) 每48ms 傳送 240個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) 每152ms 傳送76個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
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)程映象區(qū)(process image area),一個(gè)定時(shí)器區(qū)(IEC timer area),一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)(IEC counter area),一個(gè) 位地址區(qū)(memory address area)和一個(gè) 數(shù)據(jù)塊區(qū)(data block area),S7-300同步的大數(shù)據(jù)量為8 kBytes,S7-400同步的大數(shù)據(jù)量64kBytes。
主備系統(tǒng)的切換時(shí)間 = 故障診斷檢測(cè)時(shí)間 + 同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 + DP從站切換時(shí)間
如果CPU的故障是停機(jī)或斷電,則故障診斷為大約100-1000毫秒,315-2DP同步1000字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間大約為200-300ms,8個(gè)DP從站的切換時(shí)間在100ms左右。可以在軟冗余手冊(cè)當(dāng)中找到關(guān)于切換時(shí)間的具體說(shuō)明。
無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里,當(dāng)前激活的系統(tǒng)(即主系統(tǒng))隨時(shí)都會(huì)接收并處理報(bào)警信息,這樣,在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進(jìn)行切換過(guò)程中產(chǎn)生的alarm存在被丟失的可能。
了解LOGO!
1999年我在電子與自動(dòng)化雜志上見到LOGO!產(chǎn)品的宣傳圖片,這也是我使用西門子自動(dòng)化的*個(gè)產(chǎn)品,當(dāng)時(shí)西門子產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)小型機(jī)電產(chǎn)品的應(yīng)用還不是很廣泛,了解到某工廠生產(chǎn)化工容器罐的設(shè)備--2臺(tái)高頻電阻縫焊機(jī)多次程序錯(cuò)亂故障,在維修發(fā)現(xiàn)是設(shè)備產(chǎn)生的高頻諧波干擾引起的電路故障,都是的程序板卡,如果更換備件采購(gòu)周期很長(zhǎng),2000年我使用LOGO!改進(jìn)設(shè)備。
后來(lái)喜歡上了西門子的產(chǎn)品逐漸接觸到S7-200、300、400、到現(xiàn)在的新產(chǎn)品S7-1200。我成為西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的粉絲,關(guān)注每一款新產(chǎn)品的發(fā)布都,并積*膽的參加新產(chǎn)品*和應(yīng)用。
選擇LOGO!
10年前,在包裝行業(yè)中生產(chǎn)使用的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)/半自動(dòng)多采用TTL/COMS數(shù)字集成電路板控制。它的功能可以區(qū)分為程序板,驅(qū)動(dòng)板,觸發(fā)板及保護(hù)板和電源板組成。各模板之間使用插座相連接,電路連線較多,通用性和靈活性比較差,同時(shí)也給維修帶來(lái)了一定的困難,當(dāng)采用SIEMENS LOGO!模塊后,電路連接簡(jiǎn)單,抗*力強(qiáng),對(duì)設(shè)備的后續(xù)改造和維修非常容易。
應(yīng)用LOGO!
(1)應(yīng)用簡(jiǎn)述
LOGO!模塊是西門子公司的入門級(jí)產(chǎn)品,它的可靠性高,能適應(yīng)強(qiáng)電磁干擾的場(chǎng)合,具有通訊功能可以在現(xiàn)場(chǎng)編程。通過(guò)航空工業(yè)總公司安中機(jī)械廠的FN10型半自動(dòng)電阻縫焊機(jī)為例加以介紹,由于電阻縫焊機(jī)的工作電流較大(脈沖電流在6300A左右)并采用了功率晶體管和大電流可控硅器件。所以它工作時(shí)設(shè)備內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。改進(jìn)方法是:程序控制部分用西門子公司的LOGO!24RCLB11總線型模塊替代原有控制部件。
上述方案已在某包裝產(chǎn)品制造公司的技術(shù)革新中使用,并且實(shí)際運(yùn)行了一年,從未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題,*可以改造現(xiàn)有的各種電阻縫焊機(jī),實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)備升級(jí),取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)工藝流程介紹
它的工作流如圖書1所示。當(dāng)電阻縫焊機(jī)開機(jī)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)時(shí),上電極抬起,傳動(dòng)系處于制動(dòng)狀戊,夾緊機(jī)構(gòu)松開,當(dāng)被圈圓的罐體送到位或者踩下腳踏開關(guān)時(shí),夾具夾緊罐體,并驅(qū)動(dòng)換向閥使上電極壓下,進(jìn)入焊接程序--離合傳動(dòng)--前段小電流--中段大電流--后段小電流焊接—完成后復(fù)位為下個(gè)工件準(zhǔn)備。五個(gè)過(guò)程。
(3)系統(tǒng)硬件配置
該部分主要對(duì)整個(gè)應(yīng)用中圍繞LOGO! 的產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)作詳細(xì)的說(shuō)明。
(4)軟件開發(fā)
對(duì)應(yīng)用中的數(shù)字量模擬量I/O分配以表格的形式進(jìn)行說(shuō)明,具體符號(hào)表見表格1。
(5)使用LOGO! 的體會(huì)
LOGO!模塊采用簡(jiǎn)單的邏輯圖編程,所謂“編程”就是輸入線路。實(shí)際上程序只是由不同方式表達(dá)的方框圖組成,對(duì)于一般技術(shù)人員無(wú)須學(xué)習(xí)就能應(yīng)用自如。對(duì)剛接觸自動(dòng)化的人員是一種良好的設(shè)計(jì)工具。

圖2 電阻縫焊機(jī)產(chǎn)品圖片
