S7－300PLC软冗余系统性能实验研究

南新元，陈 飞，李 泉

（新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

随着现代工业规模的不断扩大，许多应用场合对控制可靠性提出了更高的要求。冗余技术是提高控制系统可靠性的有效措施。可编程序控制器（PLC）被广泛用于各行各业，目前大多数的冗余方案都是基于PLC的冗余系统。作为PLC控制核心的CPU模块，在控制过程中难免会出现故障或者停机，这时有效的方法是对CPU进行备份，双CPU的冗余控制便是一种满足连续生产、提高系统可靠性的有效手段［1－2］。根据冗余实现方式的不同可分为硬件冗余和软件冗余，硬件冗余的可靠性很高，但构建的系统成本昂贵。针对一些对冗余质量要求不高的中小企业，软件冗余是一种低成本且能提高系统可靠性的方法，但软冗余系统性能参数多停留在理论分析阶段，这就增加了PLC冗余系统在实际应用中的不确定性［3－4］。

为解决该问题，本文以西门子S7－300PLC软冗余系统为研究对象，在分析了西门子软冗余系统工作原理及性能的基础上，通过检测系统的冗余效果并设计测量冗余切换时间的控制程序，为冗余系统的应用和性能分析寻找到了一种可行的方法。

1 软冗余系统的实现

西门子S7－300PLC软冗余系统由2套相同的控制系统构成，二者在运行时相互独立，分别完成处理器的运行、通信功能以及输入输出控制，但是整个系统的实时控制输出由其中的主CPU决定，另一个CPU作为备用。冗余系统在运行过程中，主CPU执行全部的用户程序段，而备用CPU跳过冗余用户程序段，只执行非冗余部分，整个冗余实现的运行过程见图1［5］。由图1可以看到，PLC软冗余系统中，主CPU独立控制与运行，当前时刻主CPU控制整个系统，只有当主CPU发生故障或通信中断时，备用CPU才切换成工作状态，代替主CPU完成控制任务。

西门子S7－300PLC系统要完成软冗余功能，必须在编程软件STEP7中调用冗余程序块，进而实现冗余切换。西门子软冗余包共有4个程序库，包含了编写冗余程序的所有程序段［6］，如表1所示。

图1 PLC软冗余系统内部运行流程

表1 软冗余包程序库

表1中的4个程序块中：FC100为初始化程序块，在冗余主程序组织块OB100中调用；FC102为诊断功能块，在OB86中调用诊断功能块并且将得到的诊断数据，供FB101调用循环使用；FB101主要的任务是将主站系统CPU当中的冗余数据复制并拷贝到备用系统CPU当中；FB103主要实现主、备CPU之间的MPI通信，并默认调用了2个系统功能，分别为SFC65“X＿SEND”和SFC66“X＿RCV”，负责数据的接收与发送。由表1可以看出，FC100、FC102及FB101在每个程序库中均被调用。除此之外，由于本文在冗余实现中使用的是西门子S7－300系列PLC中具备冗余功能的315－2DP CPU，主CPU的通信连接方式为MPI通信，因此还要使用FB103功能块。

2 软冗余系统的性能分析

冗余系统的切换时间会随着故障的产生时间和原因而发生变化，切换时间的分析有助于对系统的把握。软冗余功能的实现主要是通过调用软冗余包中的几个程序库，编写相应的软件程序来实现冗余控制，执行冗余方案时将冗余数据发送到指定的内部数据块中去，然后主CPU在每个扫描周期中把这些存储在内部数据块中的数据发送到备用CPU中。数据发送也并非是一次全部发送完毕，而是将发送的数据分成几个小的数据包分别发送，这样发送的方式避免了单次发送大量数据而消耗过多的时间，但分批次发送数据导致备用系统得到数据要相对滞后，所以备用系统切换时间的快慢就决定了软冗余系统性能的好坏。因此针对软冗余系统数据同步时间和主备切换时间的分析，对于研究软冗余系统的性能有极其重要的作用［7－8］。

2.1 冗余系统数据同步分析

针对冗余系统中不同的同步网络，其数据传输速率是不一样的。另外，不同规格的CPU在相同的网络通信线和相同的数据量下，其传输速率也是不一样的，性能较高的CPU传送速率相对更快。当西门子S7－300PLC冗余系统的数据同步方式为MPI时，冗余程序使用FB103“SWR＿SFC＿COM”将冗余数据分割成76字节大小的数据块，每次调用软冗余程序只传送1个数据块，这样就减轻了通信线的负荷，使得数据同步时间缩短。

令：LA为同步数据量长度；LQ为输出过程映像区长度；LM为位地址区长度；LDB＊为冗余数据块长度；LDB＊为非冗余数据块长度；LIEC为定时计数器背景数据块的长度；此外设TD为数据同步时间；td代表传送1次数据所需要的时间，N代表传送的数据总量［9］。则传送同步数据量长度为

因td与OB35的中断间隔时间有关，如果设中断时间为tOB35，则传送1次的周期数n为

则数据同步时间为

当主备系统完成切换后，备用系统将会采用最后一次数据同步值，原先的主系统自动变为备用系统，备用系统转变为主系统完成控制输出。

2.2 冗余系统主备切换时间分析

主备切换时间，指的是主系统CPU与备用系统CPU之间的工作交换所需要的时间。切换方式有很多方面，如DP从站变更、CPU断电等导致的切换，不同的故障情况对应的切换方式也不相同。发生硬件故障指的是在系统运行过程中，负责控制输出的CPU出现停机，变为STOP模式，这时备用系统的CPU中FB101功能块开始工作，此时FB101模块调用发送数据功能块SFC65，SFC65会检测到同步数据传输过程中的中断，原先的主系统CPU变为备用站，备用系统CPU同时也会检测出主控系统的从站与CPU断开链接，将会自动切换［10］。这种情况下主备切换时间的分析要分以下两种情况：

（1）在备用CPU还没有调用FB101执行发送功能时，主CPU就出现故障，那么备用CPU在调用过程中第一时间就可以发现数据中断，并在下一个周期调用时将备用CPU切换为主CPU，此时切换时间为

式中Tcycle为PLC循环扫描周期，t101为FB101执行时间。

（2）备用CPU已完成调用，主CPU此时发生故障，那么在下一个周期发送完成时，备用系统CPU才能检测到通信故障并完成切换，所需时间为

3 系统测试与性能分析

观测电机在不同频率下主备切换后引起的转速变化情况，可直观分析S7－300PLC软冗余系统的性能指标及稳定性。搭建的S7－300PLC软冗余系统的CPU型号为315－2DP，接口模块为IM153－2，数据同步方式为MPI，通过MPI电缆与上位机进行连接和通信，使用STEP7编写冗余程序实现冗余系统的切换。

转速测量使用S7－200PLC中的高速脉冲计数器，根据与电机同轴的光电编码器输出的高速脉冲频率计算转速值，并将实验过程中实时采集的转速数值以曲线显示［11］，验证主备系统切换后能否保证电机稳定运转，以及冗余系统能否实现主系统出现停机或出现故障断电时备用系统及时切换接管控制。实际连接的测试系统如图2所示。左侧部分为搭建的S7－300 PLC软冗余系统，右侧部分为在该冗余系统控制下的电机转速控制系统。

图2 实际连接的测试系统

这里使用冗余系统中的模拟量输出作为控制量来控制MM440变频器的电源输出，即4～20mA电流信号对应变频器工作的0～50Hz。当电机转速稳定时，通过观察在主备控制系统切换前后电机转速曲线的变化情况，分析软冗余系统的性能指标和可靠性［12］。图3中从左到右的3条曲线代表了电机工作频率在32.65、41.69Hz和50.00Hz时，冗余系统控制作用下，主备CPU切换前后电机转速的变化情况。

由前面介绍可知，切换时间范围从t1＝tcycle－t101到t2＝2（tcycle－t101），即从99ms到198ms。观察到的电机转速的变化趋势：在MM440变频器控制下，电机空载运行下的冗余切换迅速，转速可及时稳定在设定值。当主系统CPU被强制处于STOP模式下，备用CPU切换为当前控制站，电机转速曲线有较小波动，切换时间在150ms左右，满足软冗余切换时间的性能指标，并验证了软冗余控制系统的稳定性，电机在切换过程中转速稳定，冗余系统保证了电机在主备CPU切换时无较大转速波动。

图3 电机转速曲线变化趋势图

4 结论

本文以西门子S7－300PLC软冗余系统为研究对象，在分析软冗余实现原理与理论性能指标的基础之上，使用MM440变频器与S7－200PLC设计搭建了主备系统切换时间的测试系统，通过实验结果与理论分析的比较可知，软冗余系统的切换时间符合理论分析的结果，为该软冗余系统在工业现场的应用提供了可靠的参考依据。

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