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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-bbbb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(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，而跳過冗余用戶程序段。

軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行過程參考圖2。

圖2軟冗余系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行過程

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方式周期最長，PROFIBUS方式適中，Ethernet網(wǎng)方式最快。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同步的最大數(shù)據(jù)量為8 kBytes，S7-400同步的最大數(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)間的具體說明。

無論控制程序循環(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)行切換過程中產(chǎn)生的alarm存在被丟失的可能。