周國棟

(太平洋水處理工程有限公司)

  【內(nèi)容摘要】本文介紹了吳江凈水廠西門子軟冗余控制系統(tǒng)的調(diào)試應(yīng)用情況，并分析了其優(yōu)缺點及應(yīng)用前景。

  【關(guān)鍵詞】軟冗余，PLC

　　一、項目簡介

　　吳江凈水廠為吳江市的主力水廠，生產(chǎn)能力30萬m³/d。承擔(dān)著為吳江市城區(qū)和大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的供水任務(wù)。水廠的工藝流程如下圖所示：

　　由圖可見，吳江凈水廠整個水處理工藝成熟可靠，技術(shù)先進(jìn)。為了保證水廠的正常運行，同時又不至于大幅增加投資，須采用一套穩(wěn)定可靠、性價比較高的控制系統(tǒng)。經(jīng)反復(fù)論證，該廠自動控制系統(tǒng)采用了SIEMENS公司的S7-300PLC為平臺的軟冗余控制系統(tǒng)，既控制了水廠的投資，又大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

　　二、軟冗余系統(tǒng)的特點

　　吳江凈水廠自控系統(tǒng)是利用SIEMENS公司成熟的軟冗余技術(shù)，結(jié)合最新推出的新一代S7-300硬件產(chǎn)品所建立的可靠性高、模塊化、可擴充能力及容錯性較好的控制系統(tǒng)。不但使用了最新的硬件，同時在網(wǎng)絡(luò)、硬件、軟件等各方面進(jìn)行了冗余設(shè)計。

　　廠區(qū)自控系統(tǒng)共分為五個PLC主站：取水泵房、加礬間、沖洗泵房、加氯間、送水泵房。均采用軟冗余PLC結(jié)構(gòu)，同時中央控制室采用C/S結(jié)構(gòu)，采用兩臺I/O服務(wù)器（互為備用）實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集功能，一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存放生產(chǎn)數(shù)據(jù)。客戶機可通過I/O服務(wù)器對全廠的生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控。

　　上位機監(jiān)控軟件采用了WINCC6.0,其采用了當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，組態(tài)功能強大，畫面動態(tài)連接多樣，同時具有C/VBA腳本編輯功能，可通過腳本實現(xiàn)更加靈活強大的功能。體現(xiàn)了良好的通用性、靈活性。尤其在與SIEMENS PLC組成監(jiān)控系統(tǒng)時，優(yōu)點尤為明顯，通訊配置方便，性能穩(wěn)定，同時內(nèi)置了對SIEMENS PLC軟冗余、硬冗余的支持，僅須進(jìn)行簡單的設(shè)置而無須編寫腳本即可實現(xiàn)與冗余PLC的通訊切換。

　　整個廠區(qū)自控系統(tǒng)架構(gòu)清晰明了，同時實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)、PLC、HMI系統(tǒng)的冗余功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　PLC冗余：系統(tǒng)硬件采用了SIEMENS公司的S7-300系列PLC，每站皆采用雙CPU、雙以太網(wǎng)通訊模塊，下接冗余的ET200M子站，實現(xiàn)了PLC處理器冗余、背板總線冗余、PROFIBUS現(xiàn)場總線網(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。

　　電源冗余：該控制系統(tǒng)中，每PLC主站皆采用雙SITOP電源（6EP1 336-2BA00），實現(xiàn)了電源冗余，同時雙電源可自動平衡負(fù)載電流，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。

　　網(wǎng)絡(luò)冗余：采用OSM連接環(huán)形光纖100兆工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某一段出現(xiàn)故障時仍能正常通信。

　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)冗余：監(jiān)控系統(tǒng)為C/S結(jié)構(gòu)，采用了兩臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，互為備用，當(dāng)主數(shù)據(jù)采集服務(wù)器發(fā)生故障時，監(jiān)控計算機可自動切換連接到備用數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上，繼續(xù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。

　　三、軟冗余系統(tǒng)介紹

　　1.S7-300軟冗余系統(tǒng)構(gòu)成

　　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(yīng)用于對主備系統(tǒng)切換時間要求不高的控制系統(tǒng)中。

　　軟冗余系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖示：

　　2.軟冗余系統(tǒng)的運行方式介紹

　　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(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)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(shè)定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換，

　　在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)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（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)中的主備系統(tǒng)的切換時間  = 故障診斷檢測時間 + 同步數(shù)據(jù)傳輸時間 + DP從站切換時間，如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100－1000毫秒，同步數(shù)據(jù)所需的時間大約為200－300ms，DP從站的切換時間在100ms左右。一般根據(jù)經(jīng)驗，系統(tǒng)切換的時間一般小于1S，用于水廠等實時性要求不高的場合已經(jīng)足夠了。

　　數(shù)據(jù)同步所需要的時間取決于同步數(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。應(yīng)盡量采用Ethernet網(wǎng)通訊方式，數(shù)據(jù)同步時間縮短，主備PLC之間的切換也較快。

　　3.在軟冗余系統(tǒng)調(diào)試中，須注意任務(wù)的規(guī)劃，將冗余部分的程序與非冗余程序分開，同時應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)的規(guī)劃，將共享數(shù)據(jù)區(qū)域與其它應(yīng)用區(qū)域分開。

　　四、結(jié)束語

　　 整個系統(tǒng)于2004年年底投入生產(chǎn)運行，獲得了用戶的好評。

　　在項目進(jìn)行當(dāng)中，通過對西門子軟冗余系統(tǒng)的調(diào)試使用，我們認(rèn)為其相對于硬冗余優(yōu)點如下：

　　1．價格低、可靠性好。適用于水廠等比較重要但控制實時性要求不高的場合。

　　2．軟冗余的應(yīng)用方便、靈活，可使用兩個不同型號的CPU進(jìn)行軟冗余，可對部分I/O進(jìn)行冗余而對不太重要的設(shè)備由一臺PLC進(jìn)行控制，方便靈活，適用于改造項目，可大大節(jié)省投資。