Siemens PLC系统软件冗余的说明与实现

较为实用简洁的西门子软冗余实现方法

SIEMENS PLC系统软件冗余的说明与实现

Description & Realization About Soft Redundancy For Siemens PLC

较为实用简洁的西门子软冗余实现方法

关键词：软冗余，S7-300,S7-400,DP

Key Words:Software Redundancy, Standby, switch time

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目 录

SIEMENS PLC系统软件冗余的说明与实现........................................................1 一．软件冗余基本信息介绍................................................................................4

1．系统结构......................................................................................................................4 2．系统工作原理...............................................................................................................5 3．产品支持列表...............................................................................................................7

二．软冗余系统的调试.....................................................................................11

1．软冗余功能块介绍：..................................................................................................11 2．创建一个应用实例（S7-300PLC MPI同步方式）.......................................................15 3．关于软冗余的一些下载路径：....................................................................................28

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一．软件冗余基本信息介绍

软件冗余 (SWR) 是一个软件包，用于将 S7-300 和 S7-400 系列的标准 CPU 配置成容错控制器。同步冗余 CPU 的冗余链接由标准的通信接口如 CP 或 MPI 接口完成。I/O 设备的连接是通过两个冗余 PROFIBUS DP 网络与带有冗余 IM 153-2 接口模块的 ET-200M 站实现。软件冗余是Siemens实现冗余功能的一种低成本解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中。 1．系统结构

Siemens软件冗余系统的软件：

STEP7编程软件（V5.4）：6ES7810-4CC08-0YA5 软冗余软件包(V1.2): 6ES7862-0AC01-0YA0 硬件为：

2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统；

3条通讯链路，主CPU与从站通讯链路（PROFIBUS 1）、备用CPU与从站通讯链

路（PROFIBUS 2）、主CPU与备用CPU的数据同步通讯链路（MPI 、 PROFIBUS 或 Ethernet）；

若干个ET200M从站，每个从站包括2个IM153-2接口模块和I/O模块； 下图说明了软冗余系统的基本结构：

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图2

可以看出，系统是由两套独立的S7-300或S7-400 PLC系统组成，软冗余能够实

现：

I．

主机架电源、背板总线等冗余；

II． PLC处理器冗余；

III． PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗

余）；

IV． ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。

2．系统工作原理

在软冗余系统进行工作时，A、B控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。

下面我们看一下软冗余系统中PLC内部的运行过程：

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图3

主系统的CPU将数据同步到备用系统的CPU需要几个程序扫描循环：

图4

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数据同步所需要的时间取决于同步数据量的大小和同步所采用的网络方式（图2中的紫色网络线），MPI方式周期最长，PROFIBUS方式适中，Ethernet网方式最快。

PROFIBUS 网络 1.5 Mbaud

每60ms 传送240个字节数据

Ethernet 以太网 10 MBaud

每48ms 传送 240个字节数据

表01

用户需要在初始化程序中（OB100）定义冗余部分的数据区，该数据区可以包括：一个 过程映象区（process image area），一个定时器区（IEC timer area），一个计数器区（IEC counter area），一个 位地址区（memory address area）和一个 数据块区（data block area），S7-300同步的最大数据量为8 kBytes，S7-400同步的最大数据量64kBytes。

主备系统的切换时间 = 故障诊断检测时间 + 同步数据传输时间 + DP从站切换时间

如果CPU的故障是停机或断电，则故障诊断为大约100－1000毫秒，315－2DP同步1000字节的数据所需的时间大约为200－300ms，8个DP从站的切换时间在100ms左右。您可以在软冗余手册当中找到关于切换时间的具体说明。

无论控制程序循环扫描到哪里，当前激活的系统（即主系统）随时都会接收并处理报警，这样，在主系统A与备用系统B进行切换过程中产生的alarm存在被丢失的可能。 3．产品支持列表

下面的简表列出了支持软冗余的模块，小写字母 x 代表订货号中的通配符： S7-300 CPUs 模块

CPU 313C-2 DP

订货号

6ES7313-6CE0x-0AB0

MPI网络 187.5 kBaud

每152ms 传送76个字节数据

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表 02 S7-400 CPUs 模块 CPU 412-1

订货号

6ES7412-1XF0x-0AB0 6ES7412-1XJ05-0AB0

CPU 412-2 6ES7412-2XG0x-0AB0 6ES7412-2XJ05-0AB0

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表 03

具有DP 主站功能通信模块 模块

CP 443-5 EXT

(连接到 PROFIBUS 网络) IM 467 和 IM 467-FO (只能用于版本 V1.1)

6ES7467-5GJ0x-0AB0 6ES7467-5FJ00-0AB0 订货号

6GK7443-5DX04-0XE0

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表 04

链接站的通信模块 模块 CP 342-5

订货号

6GK7342-5DA00-0XE0 6GK7342-5DA02-0XE0

CP 343-1

6GK7343-1BA00-0XE0 6GK7343-1EX11-0XE0

CP 343-1 LEAN (连接到工业以太网) CP 443-5 EXT

(连接到 PROFIBUS 网络) CP 443-1 ISO1 (连接到工业以太网)

6GK7443-1EXxx-0XE0 6GK7443-1GXxx-0XE0 6GK7443-1BXxx-0XE0

表 05

ET 200M 布式 I/O 设备上的模块 模块 IM 153-2

订货号

6ES7153-2BA0x-0XB0 从产品版本 2 开始 (总线模块 6ES7195-7HD10-0XA0)

FM 350-1 CP 341

(20 mA TTY, RS232, RS422/485) CP 341 (RS232C)

ET 200M 的所有的数字量和模拟量模块 (参看 Catalog ST70)

6ES7341-1AH02-0AE0 6ES7350-1AH0x-0AE0 6ES7341-1xH01-0AE0

6GK7443-5DX04-0XE0 6GK7343-1CX10-0XE0

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二．软冗余系统的调试

在您的计算机上首先安装STEP7 5.x软件和软冗余软件包，软冗余软件光盘包括了冗余功能程序块库、不同系统结构的例子程序和软冗余使用手册。 1．软冗余功能块介绍：

安装了软冗余软件包之后，便可以在 STEP 7 中使用 SWR_LIB 库。 可以在 SIMATIC Manager 通过菜单命令：文件 > 打开 > 库，访问此库SWR_LIB 库包含有五个块数据包。 在这些数据包中，有两个用于 S7-300，另外三个用于 S7-400在安装完软冗余的软件后，您可以在STEP7当中找到例子程序和功能程序块库：

图5

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图6

图6显示在安装完软冗余软件后，您可以在Libraries找到不同CPU以及不同链接方式下可以使用的功能块。

下面的两个表格分别说明了采用S7-300，S7-400进行软件冗余时，可采用的不同网络连接以及所需调用的库功能块：

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表3

从以上的表格中可以看到，软冗余系统当中可以采用MPI、PROFIBUS、Ethernet三种网络实现主系统和备用系统之间的数据同步（Redundant-backup link）。

采用BSEND_400包中的功能块进行数据同步时，无论数据同步的连接是什么方式，都需要在STEP7的NETPRO窗口中组态一个 S7 Connection。

除了BSEND_400中之外，使用其他功能库中的程序块：

采用MPI网络时，直接使用PLC的编程口进行数据同步，不需要进行连接

（Connection）的组态，但MPI数据同步的效率低。

采用PROFIBUS网络时，需要使用一对CP通讯卡（CP342-5或CP443-5），在

STEP7的NETPRO窗口中组态主系统和备用系统之间的FDL连接。 采用Ethernet网络时，需要使用一对CP通讯卡（CP343-1或CP443-1），在

NETPRO窗口中组态主系统和备用系统之间的ISO连接。

冗余功能块说明： 名称 FC 100 ‘SWR_START’ FB 101 ‘SWR_ZYK’

循环调用的数据同步功能块，将主系统中的冗余数据复制到备用系统当中

FC 102 ‘SWR_DIAG’

诊断功能块，在OB86中调用，将得到的诊断数据提供给FB101使用。

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描述

初始化程序块，定义系统运行的参数。

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注：

1)。采用PROFIBUS或Ethernet方式进行数据同步时，需要在OB1或OB35（定时中断组织块）当中调用FB101，而FB101内部调用了FB104、FC5、FC6，所以您必须手动地将FB104、FC5、FC6插入到项目当中，插入的方法是：在程序中调用一次，再将这条语句删掉。

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2).在OB100中调用FC100功能块时，PLC会自动创建一些与FC100参数相关的程序段和数据块，所以当你更改了FC100的参数时，应该对PLC进行Reset操作，再重新下载项目的软硬件到PLC当中。

2．创建一个应用实例（S7-300PLC MPI同步方式）

此例子项目，由两套315-2DP和一个ET200M从站组成，系统结构如下：

图7

除了实现冗余功能的2条PROFIBUS网络外，还有MPI网络用于数据同步和上位机监视、控制

程序的调试。

以下是生成该例子程序的步骤，您可以根据您系统的配置实际情况进行参考：

1) .插入两个S7-300的站，SIMATIC 300(A) 和 SIMATIC 300(B) ，

1. 创建有两个S7-300站的项目，例如 SIMATIC 300(A) 站和 SIMATIC 300(B) 站。 2. 打开站 SIMATIC 300(A) 。 3. 从硬件目录选择机架。

4. 打开 SIMATIC 300(A) 站的机架，插入CPU 315-2DP，新建一条DP网络，DP地址设置为2。 5. 将ET 200M IM 153-2 组态到 DP 主站网络中,DP地址为4。

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6. 插入 ET 200M IM 153-2 上的 I/O 模块。

7. 如果需要将多个 ET 200M DP 从站连接到 DP 主站系统，则请重复第 4 步和第 5 步。 8. 打开站 SIMATIC 300(B) 。 9. 从硬件目录选择机架。

10. 打开 SIMATIC 300(B) 站的机架，插入CPU 315-2DP，新建一条DP网络，DP地址设置为2。 11. 将ET 200M IM 153-2 组态到 DP 主站网络中,DP地址为4。 12. 插入 ET 200M IM 153-2 上的 I/O 模块。

2) 分别设定两个315-2DP的MPI地址为2 和3.

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图8

3) 拷贝需要的软冗余程序到例程中：

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.

在A站的Block中插入OB100、OB35、OB86组织块，并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。

4) 在OB100中我们调用FC 100 ‘SWR_START’进行软冗余的初始化

如下表格给出了FC100功能块参数的说明和例子，供您编程参考：

参数名 AG_KENNUNG

DB_WORK_NO

DB_SEND_NO

DB_RCV_NO 数据块名称

数据块名称 数据块名称 数据类型

描述

例子 ‘A’

字符型300(A) 站应当填 ‘A’

SIMATIC 300(B) 站应当填 ‘B’

软冗余功能实现所需要使用的内部数据块，用户不用生成该块，也无需读写其中的数据

存放发送数据所使用的内部数据块，A B或B A，用户不用生成该块，也无需读写其中的数据

存放接收数据所使用的内部数据块，A B或B A，用户不用生成该块，也无需读写其中的数据

DB1

DB2

DB3

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/87vq.html