在重要的工業(yè)生產(chǎn)領域和軍用產(chǎn)品設計中,，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(tǒng)中的加熱設備，鍋爐的無故障運行是整個輸油管道網(wǎng)絡正常工作的保證。在鍋爐控制系統(tǒng)中,，設計采用兩組獨立運行的西門子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(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(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(jīng)濟，構(gòu)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(jīng)濟有效的,。
1．控制系統(tǒng)構(gòu)成：
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設計
本控制方案設計采用了SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件來實現(xiàn)過程控制的上位機組態(tài),，WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。下位機控制系統(tǒng)設計采用兩套獨立的西門子 SIMATIC S7-300系列PLC實現(xiàn)冗余控制,，其編程軟件STEP-7功能強大,，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實現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案,可以應用于對主備系統(tǒng)切換時間要求不高的控制系統(tǒng)中,。
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)絡冗余（包括通訊接口,、總線接頭,、總線電纜的冗余）；
4． ET
軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成,。開始時，A系統(tǒng)為主,，B系統(tǒng)為備用,，當主系統(tǒng)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(tǒng)B當中執(zhí)行,，這時,，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(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換,，這種手動切換過程，對于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整,、更換非常有用,。
在軟冗余系統(tǒng)進行工作時，A,、B控制系統(tǒng)（處理器,，通訊、I/O）獨立運行,，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(jù)設定起爐、轉(zhuǎn)火,、停爐溫度值控制燃燒機的自動啟動,、轉(zhuǎn)火、停止等操作,。根據(jù)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(tǒng)組成：一組CPU 315-2 DP 處理器（帶PROFIBUS-DP接口）,；2組ET
1.4 WinCC與S7-300的通信實現(xiàn)
根據(jù)控制方案的設計,，采用WinCC組態(tài)作為上位機監(jiān)控，用西門子的S7_300作為下位機執(zhí)行機構(gòu),，我將采用以太網(wǎng)的標準Tcp/IP協(xié)議實現(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)冗余的實現(xiàn)
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(tài)項目,，構(gòu)成并行服務器來實現(xiàn)組態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，兩臺服務器通過以太網(wǎng)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(shù)據(jù)歸檔，工作PLC站將過程數(shù)據(jù)和消息同時發(fā)送到兩臺冗余服務器,。如果一臺服務器發(fā)生故障,，另一臺將繼續(xù)接收和歸檔來自PLC工作站的過程值和消息。出現(xiàn)故障的服務器重新工作后,，冗余服務器為故障時間的歸檔執(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器，來消除故障引起的歸檔差別,。
冗余服務器的組態(tài)實現(xiàn)：1．必須在兩個冗余服務器上組態(tài)功能完全相同的WinCC組態(tài)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(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(tǒng)通過動態(tài)向?qū)гO置讀取IP冗余地址，實現(xiàn)主S7-300數(shù)據(jù)監(jiān)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(huán)程序塊）、OB35（定時中斷組織塊）,、OB100（暖啟動調(diào)用程序塊）,、OB80（在主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換時間超時，調(diào)用該塊）,、OB82（DP-Slave ET200站上的IM153-2模塊出錯報警,，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調(diào)用該塊）,、OB86（主從站通訊出錯調(diào)用該塊）,、OB87（通訊失敗調(diào)用該塊）、OB122（外圍設備訪問出錯調(diào)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(shù)據(jù)區(qū),，該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括：一個過程映像區(qū),，一個定時器區(qū)，一個計數(shù)器區(qū)和一個數(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)將每臺鍋爐的溫度、壓力采集值和運行狀態(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的默認屬性，即每100ms中斷觸發(fā)一次,，可以根據(jù)實際的需要在CPU屬性中修改中斷的時間間隔,。在OB35里調(diào)用FB101S ’WR_ZYK’功能塊,，FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，實現(xiàn)冗余功能,。當執(zhí)行‘SWR_START’程序塊時,，系統(tǒng)分配這些數(shù)據(jù)區(qū)，不能用S7 的定時器和計數(shù)器,，只能使用IEC標準的定時器和計數(shù)器。
OB35中的程序段也可以在OB1中實現(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,，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)在某輸油站投入運行以來,保證了系統(tǒng)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(tǒng)(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(yè)控制組態(tài)軟件及應用(Software and application of industrial control configuration)[M]. 機械工業(yè)出版社(Industrial machine Press), 2005.