西门子S7300软冗余指南.pdf

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1、-PLCPLC 系统软件冗余的说明与实现系统软件冗余的说明与实现软件冗余根本信息介绍软件冗余根本信息介绍软件冗余是 Siemens 实现冗余功能的一种低本钱解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中。A A系统构造系统构造Siemens 软件冗余系统的软件、硬件包括：1 1套套 STEP7STEP7 编程软件编程软件V5.*V5.*加软冗余软件包加软冗余软件包(V1.*)(V1.*)；2 2套套 PLCPLC 控制器及控制器及 I/OI/O 模块，可以是模块，可以是 S7-300S7-300 或或 S7-400S7-400 系统系统；3 3条通讯链路条通讯链路，主系统与从站通讯

2、链路主系统与从站通讯链路PROFIBUS 1PROFIBUS 1、备用系统与从站通讯链路、备用系统与从站通讯链路PROFIBUS 2PROFIBUS 2、主系统与备用系统的数据同步通讯链路、主系统与备用系统的数据同步通讯链路MPIMPI 或或 PROFIBUS PROFIBUS 或或 Ethernet Ethernet；假设干假设干个个 ET200MET200M 从站，每个从站包括从站，每个从站包括 2 2 个个 IM153-2IM153-2 接口模块和假设干个接口模块和假设干个 I/OI/O 模模块；块；除此之外，还需要一些相关的，用于编程和上位机监控的 PC-Adapter连接在计算机串连

3、接在计算机串口口或 CP5611插在主板上的插在主板上的 PCIPCI 槽上槽上或 CP5511插在笔记本的插在笔记本的 PCMIAPCMIA 槽里槽里、PROFIBUS电缆、PROFIBUS 总线器等；以下图说明了软冗余系统的根本构造：图图 2 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、背板总线等冗余冗余；IIPLC 处理器冗余冗余；IIIPROFIBUS 现场总线网络冗余冗余包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余；IVET200M 站的通讯接口模块 IM153-2 冗余冗余。软冗余系统由 A A 和 B B 两套 PLC

4、 控制系统组成。开场时，A A 系统为主，B B 系统为备用，当主系统 A A 中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统 B B 当中执行，这时，B B 系统为主，A A 系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和 IM153 接口模块的整体切换整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整，更换，扩容非常有用，即 AlteringConfiguration and Application Program in RUN Mode 。B B系统工作原理系统工作原理在软冗余系统进

5、展工作时，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redundantbackup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：图图 3 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：图图 4 4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

6、式适中，Ethernet 网方式最快。PROFIBUSPROFIBUS 网络网络1.5 Mbaud1.5 MbaudEthernetEthernet 以太网以太网10 MBaud10 MBaudMPIMPI 网络网络187.5 kBaud187.5 kBaud. z.-每60ms60ms 传送240个字节数据每48ms48ms传送 240个字节数据每152ms152ms 传送76个字节数据表表 1 1用户需要在初始化程序中OB100定义冗余局部的数据区，该数据区可以包括：一个 过程映过程映象区象区process image area，一个定时器区定时器区IEC timer area，一个计数器

7、区计数器区IEC counterarea，一个 位地址区位地址区memory address area和一个 数据块区数据块区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1001000毫秒，3152DP同步1000字节的数据所需的时间大约为200300ms，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

8、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进展切换过程中产生的alarm存在被丧失的可能。C C产品订货信息产品订货信息如下给软冗余系统相关产品的订货信息订货信息：产品名称产品名称CPUCPU 系列系列CPU314C-2DPCPU313C-2DPCPU 31*-2DP订货号订货号6ES7 314-6CF00-0AB06ES7 313-6CE00-0AB06ES7 315-2AF*-0AB06ES7 315-2AG10-0AB06ES7 316-2AG*-0AB06ES7 318-2AJ*-0AB06ES7 412-1*F*-0AB06ES7 412-1FK

9、03-0AB06ES7 412-2*G*-0AB06ES7 413-1*G*-0AB06ES7 413-2*G*-0AB06ES7 414-1*G*-0AB06ES7 414-2*G*-0AB06ES7 414-2*J*-0AB06ES7 414-3*J*-0AB06ES7 416-1*J*-0AB06ES7 416-2*K*-0AB06ES7 416-2*L*-0AB06ES7 416-3*L*-0AB06ES7 417-4*L*-0AB06ES7 342-5DA00-0*E06GK7 342-5DA02-0*E06GK7 343-1BA00-0*E06GK7 343-1E*11-0*E06

10、EK7 443-5D*-0*E06EK7 443-1B*-0*E06ES7 153-2AA02-0*B06ES7 153-2AB01-0*B0描述描述S7-300 系列只能够实现软件冗余，无硬件功能。CPU 412-1CPU 412-2CPU 413-1CPU 413-2DPCPU 414-1CPU 414-2DPCPU 414-3DPCPU 416-1CPU 416-2DPCPU 416-3DPCPU 417-4S7-400 全系列的 CPU 都可以应用于软冗余统；S7-400 H 系列的 CPU 属于硬件冗余方式，于软冗余，硬件冗余系统切换速度快，主CPU 中的数据和事件保证完全一致，适于

11、靠性应用场合，本钱较高CP 342-5 PROFIBUS通讯模块CP 343-1 Ethernet 通讯模块CPCP 通讯处理器系列数据同步通讯处理器系列数据同步 Redundant-backup link Redundant-backup linkCP 443-5 E*tended PROFIBUS通讯模块CP 443-1 ISO Ethernet 通讯模块ET200ET200 系列系列2* DP slave interface IM 153-2. z.-适于ET200M的所有数字量、模拟量 I/O 模板参照 S7-300 选型样本和STEP 7 的硬件组态窗口中ET200 文件夹中的 I/

12、O 模块6ES7 341-1*H01-0AE06ES7 350-1AH0*-0AE0S7-300 模板手册的下载路径：-0000002043-1080729745-enm-WW/view/en/8859629串口通讯模板计数器功能模板包括冗余功能块的安装软件和授权按米订货PROFIBUS 网络连接头进展编程和上位机监控的通讯卡CP 341FM 350相关软件及相关软件及STEP7 编程软件软冗余软件包Software RedundancyPROFIBUS标准电缆RS485总线连接器CP5611通讯卡6ES7 870-5CC06-0YE06ES7 862-0AC00-0YA06*V1 830-0

13、EH106ES7 972-0BA12-0*A06GK1 561-1AA00表表 2 2注：注：1.只有 S7-300 315-2DP除CPU314C-2DP、CPU313C-2DP型号以上的 PLC 才支持软冗余功能，所有的 S7-400 都支持软冗余功能；2.主系统与备用系统的 CPU 型号可以不同，如主系统采用一套 S7-400 系统，而备用系统采用一套 S7-300 系统；软冗余系统的调试过程软冗余系统的调试过程在您的计算机上首先安装STEP7 5.*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、不同系统构造的例子程序和软冗余使用手册。I I不同系统构造方式下的功能块：不同系

14、统构造方式下的功能块：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：图图5 5图图6 6以上图5显示的是在STEP7中使用OPEN菜单翻开软冗余的例子程序，例子程序中采用MPI链路实现数据的同步。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进展软件冗余时，可采用的不同网络连接以及所需调用的程序功能块包。表表3 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Redundan

15、t-backup link。采用BSEND_400包中的功能块进展数据同步时，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。除了除了BSEND_400BSEND_400中之外中之外，使用其他功能库中的程序块：采用MPIMPI网络时，直接使用PLC的编程口进展数据同步，不需要进展连接Connection的组态，但MPI数据同步的效率低。采用PROFIBUSPROFIBUS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EthernetEthernet

16、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：名称名称FC 100 SWR_STARTFC 100 SWR_START描述描述初始化程序块，定义系统运行的参数。. z.-FB 101 SWR_ZYKFB 101 SWR_ZYKFC 102 SWR_DIAGFC 102 SWR_DIAGFB 103 SWR_SFCFB 103 SWR_SFCFB 104 SWR_AG_FB 104 SWR_AG_FB 105 SWR_SFBFB 105 SWR_SFBDB_WORK_NODB_WORK_NODB_SEND_

17、NODB_SEND_NO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诊断功能块，在OB86中调用，将得到的诊断数据提供给FB101使用。在该块内部调用SFC 65 *_SEND 和 SFC 66 *_RCV功能块，实现采用MPIMPI网络的数据同步。在该块内部调用FC 5 AG_SEND, FC 6 AG_RCV，实现采用PROFIBUSPROFIBUS或EthernetEthernet网络的数据同步。在该块内部调用SFB 12 BSEND and SFB 13 BRCV功能块，实现MPIMPI或或PROFIBUSPROFIBUS或或EthernetEthernet网络的数

18、据同步，只能在S7-400 中调用。冗余软件块使用的数据区，用户不需要生成该数据块，也不使用该数据块中的数据；用于主系统发送同步数据到备用系统的发送数据区包括了主系统的M、T、C、DB等区域的数据，用户不需要生成该数据块，也不使用该数据块中的数据；用于备用系统接收来自主系统的同步数据的接收数据区，用户不需要生成该数据块，也不使用该数据块中的数据；从A站到B站，非冗余同步的数据的收发区；从B站到A站，非冗余同步的数据的收发区；FB101的背景数据块，包括了数据同步链路的状态，控制等信息，用户需要生成该数据块，DBW8为状态字，DBW10为控制字，；PROFIBUS网络中，实现FDL，在FB104

19、内部调用的发送块，用户需要生成该程序块，并下载到PLC当中。PROFIBUS网络中，实现FDL，在FB104内部调用的接收块，用户需要生成该程序块，并下载到PLC当中。表表4 4DB_RCV_NODB_RCV_NODB_A_B_NODB_A_B_NODB_B_A_NODB_B_A_NODB_NODB_NOFC 5 AG_SENDFC 5 AG_SENDFC 6 AG_RCVFC 6 AG_RCV注：注：1 1。采用PROFIBUS或Ethernet方式进展数据同步时，需要在OB100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、FC

20、6插入到工程当中，插入的方法是：在程序中调用一次，再将这条语句删掉。2. 2.在OB100中调用FC100功能块时，PLC会自动创立一些与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进展Reset操作，再重新下载工程的软硬件到PLC当中。II II创立一个应用实例：创立一个应用实例：中我们给出了一个例子工程，由两套315-2DP和一个ET200M从站组成，系统构造如下：图图7 7除了实现冗余功能的3条PROFIBUS网络外，还有一条MPI网络用于上位机监视和控制程序的调试。以下是生成该例子程序的步骤，您可以根据您系统的配置情况进展参照：1 插入两个S7-3

21、00的站，A A和 B B，在A站和B站的硬件组态窗口中，插入315-2DP时，要分别创立相互独立的PROFIBUS网络如 A站为Master_LineMaster_Line、B站为Reserve_LineReserve_Line，使用网络的默认参数，速率为1.5M，并都将站地址设定为2，A站和B站的PROFIBUS DP集成通讯口设定为主站模式MasterMode。2 分别在A、B站中插入CP342-5模块，连接到同一个PROFIBUS网络上Sychronization_Line，地址分别为4、5，将CP342-5设定为No DP方式，并记录CP342-5的硬件地址256。3 分别在A、B站

22、的硬件组态窗口中插入一个ET200从站一个IM153-2模块和一个16入/16出的数字量模板，DP的地址为3。. z.-4 进入STEP7的网络组态窗口NETPRO中，选中A站的CPU点击鼠标右键，插入一个新的，选择FDLConnection，点击Apply，弹出属性窗口，记录的ID，设定LSAP为17，18，存盘编译网络组态。系统的网络构造如下：图图8 8以上网络构造中包括了4条链路：用于上位机编程和监控的MPIMPI链路；A站与ET200从站Master LinePROFIBUSMaster LinePROFIBUS链路；B站与ET200从站Reserve LinePROFIBUSRese

23、rve LinePROFIBUS链路；A站和B站之间进展数据同步的Synchronization Line PROFIBUSSynchronization Line PROFIBUS链路。您可以通过点击图中的状态读取按钮，获取当前FDL的状态，上图的左下角显示当前在线读取FDL的状态为OK。5 在A站的Block中插入OB1主循环程序块、OB35定时中断组织块、OB100暖启动调用程序块、OB80在主系统与备用系统切换时间超时时，调用该块、OB82 (DP-Slave ET200站上的IM153-2模块出错报警，调用该功能块)、OB83 DP从站的接口模块与主站断开或重新建立时调用该块、OB8

24、5程序运行出错或DP从站连接失败调用该块、OB86主从站通讯出错调用该块、OB87通讯失败调用该块、OB122外围设备访问出错调用该块、OB121等组织块，并对其中的OB100OB100、OB35OB35、OB86OB86进展编程。6 在OB100中我们调用FC 100 SWR_STARTFC 100 SWR_START进展软冗余的初始化，有几个参数需要特别注意，LADDR应当和CP342-5的硬件地址相一致，例子程序为256，VERB_ID必须和你在NETPRO中创立的FDL链路的ID号一致，例子程序为1，DB_NO为系统中未使用的数据块，建议仍采用DB5。如下表格给出了FC100功能块参数

25、的说明和例子，供您编程参考：AG_KENNUNGAG_KENNUNGDB_WORK_NODB_WORK_NODB_SEND_NODB_SEND_NODB_RCV_NODB_RCV_NOMPI_ADRMPI_ADRLADDRLADDRVERB_IDVERB_IDDP_MASTER_SYS_IDP_MASTER_SYS_ID DDB_NODB_NODP-KOMMUNDP-KOMMUN字符型数据块名称数据块名称数据块名称整型整型整型整型数据块名称整型A站应当填 AB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，AB或BA，用户

26、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，AB或BA，用户不用生成该块，也无需读写其中的数据对方站的MPI站地址，进展MPI网络数据同步时才有意义CP通讯处理器组态的硬件地址，采用PROFIBUS或Ethernet网络进展数据同步时才有意义网络的ID号，在NETPRO窗口中组态的的ID值，如FDLConnection、ISO Connection或S7 Connection。DP主站网络的ID号，你可以在NETPRO窗口中双击ET200M从站紫色的PROFIBUS主从网络，获取该ID值。FB101所用使用的背景数据块，需用户生成该块，并可以读取状态字DBW8和控制字DB

27、W10，获取系统信息或手动切换主备系统确定ET200从站的DP通讯口类型：1 使用CPU上集成DP通讯口ET200从站；2 使用CP通讯卡上的DP通讯口ET200从站；CPU分配I/O地址的矩阵的增量，不同CPU的地址矩阵不同：1, if base addresses 0, 1, 2, 3 .4, if base addresses 0, 4, 8, 12 .ET200M站第一个输出字节的地址ADB1DB2DB3225611DB51ADR_MODUSADR_MODUS整型1PAA_FIRSTPAA_FIRST整数0. z.-PAA_LASTPAA_LAST整型ET200M站最后一个输出字节的地

28、址，PAA_FIRST 到PAA_LAST的字节范围必须是ET200M站上连续定义的。4MB_NOMB_NO整型整型整型整型冗余的M数据区的起始字节地址冗余的M数据区的字节个数，如MB_NO为20，MB_LEN为30，则MB20MB49这个数据段为冗余数据区；冗余的IEC定时器、IEC计数器所使用的起始背景数据块冗余的IEC定时器、IEC计数器所使用的背景数据块的个数，如IEC_NO设为111，IEC_LEN设为7，则DB111DB117为存放冗余同步定时器、计数器的背景数据去20301117MB_LENMB_LENIEC_NOIEC_NOIEC_LENIEC_LENDB_NODB_NODB_

29、NO_LENDB_NO_LENSLAVE_NOSLAVE_NOSLAVE_LENSLAVE_LENSLAVE_DISTANCESLAVE_DISTANCE整型整型整型整型整型冗余的起始数据块冗余的数据块个数，如DB_NO为8，DB_NO_LEN为2，则DB8-DB9为冗余的数据块ET200从站的最低站地址ET200从站的个数，如SLAVE_NO为3，SLAVE_LEN为2，则该软冗余系统连接了站号为3，4的两个ET200从站，站号必须连续。确定所ET200从站上IM153-2模块的PROFIBUS DP站地址：1 2块IM153-2模块的DP口使用一样的站地址；2 2块IM153-2模块的DP

30、口的站地址为n和n+1；通过数据同步链路Redundency Link，A、B站之间还能进展一些非冗余数据通讯，即2个PLC之间的普通数据交换，该参数即定义从A站到B站，交换的非冗余数据块。A站到B站，非冗余数据块中交换的Word字数，如DB_A_B_NO设为DB11，DB_A_B_NO_LEN设为. W*16*64，则A站的DB11.DBW0-DB11.DBW198被复制到B站的DB11.DBW0-DB11.DBW198，因为W*16*64代表16进制64，即一共复制100个数据字。8231DB_A_B_NODB_A_B_NO数据块名称DB11DB_A_B_NO_LENDB_A_B_NO_L

31、ENWORDW*16*64DB_B_A_NODB_B_A_NODB_B_A_NO_LENDB_B_A_NO_LEN数据块名称WORD该参数即定义从B站到A站，交换的非冗余数据块。B站到A站，非冗余数据块中交换的Word字数，如DB_B_A_NO设为DB12，DB_B_A_NO_LEN设为. W*16*64，则B站的DB12.DBW0-DB12.DBW198被复制到A站的DB12.DBW0-DB12.DBW198，因为W*16*64代表16进制64，即一共复制100个数据字。DB12W*16*64RETURN_VALRETURN_VALE*T_INFOE*T_INFOWORDWORD调用FC10

32、0的返回值，为0代表正常，其他返回值您可以在错误代码表中找到对应的错误原因。FC100中内部调用的一些功能块所返回的错误代码MW2MW4表表5 57一般我们建议您将您的非冗余程序段编写在OB1当中，而将冗余程序段编写在OB35当中，我们这里使用的是OB35的默认属性，即每100ms中断触发一次，您可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB 101 SWR_ZYKFB 101 SWR_ZYK功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段，实现冗余功能。调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值,如果为0，说明冗余正常。如果为8015说明数据同步的

33、连接不成功，这是一个常见的错误，原因可能是CP342-5之间的FDL建立的不正确或物理链路不通，或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的ID号不一致。当执行SWR_START程序块时，系统分配这些数据区，不能用S7的定时器和计数器，只能使用IEC标准的定时器和计数器。你可以在软冗余手册的第三章第9节找到对应的诊断信息。OB35中的程序可以分为4个局部，如以下图所示：A.在循环程序块OB1或OB35的开场调用FB101，并将CALL_POSITION置为TRUEB.你可以在DB5中得到控制字DBW10和状态字DBW8的信息。分析状态字中的信息，如果当前站为备用系统，则跳过冗余程序段

34、。. z.-C.冗余程序段。该处为您的冗余程序段D.在循环程序块OB1或OB35的结尾调用FB101，将CALL_POSITION置为FALSE，停顿系统冗余程序段。图图9 9第一步A启动系统的冗余数据同步功能 第二步B根据状态字判断是否为主系统,为主系统时才执行第三步，否则跳到第四步第三步C为冗余的程序段 第四步D停顿系统的冗余数据同步。通过对OB35中的程序在线监控，得知当前冗余功能成功与否，如以下图所示：图图1010上图显示，FB101的返回值Return_VAL和E*t_INFO为0，说明冗余功能正常。通过FB101的背景数据块中的状态字和控制字，您可以知道系统的运行的情况和当前哪个系

35、统为主系统，哪个为备用系统，状态字的定义如下：图图1111您也可以通过写控制字中对应的位，起停备用系统与主系统之间的冗余通讯，也可以实现主系统与备用系统之间的手动切换：图图1212通过设定DB5.DB*10.0为1，实现主系统与备用系统的手动切换。8在OB86中调用诊断功能块FC 102 SWR_DIAGFC 102 SWR_DIAG，当系统出现PROFIBUS总线错误时，该功能块返回诊断信息，供FB101使用。9插入FB101内部调用的FB104，FC5、FC6等功能块，将所有的程序块下载到PLC当中。10在组态软件WinCC中创立两个MPI，分别与主系统和备用系统进展，并生成对应的Tag变

36、量，如下：图图1313编辑监控画面，分别读取A站和B站的状态字、控制字和冗余同步的数据，如下：图图1414从图14中的状态字可以看出，当前8号A站为主系统，7号B站为备用系统，它们与所有DP从站的通讯正常，冗余同步正常，我们在一个20ms触发的定时中断块OB35中编写了一个数据累加程序段，可以看出备用系统的同步数据比主系统的实时数据慢80ms4个周期，其中控制字为0，您可以修改对应的位，激活或取消冗余功能。这里我们同时给您提供一个通过以太网实现数据同步的例子程序，系统的实物图如下：图图 1515程序块的内容与上面的例子一样，只是将 OB100 中 FC100 的 VERB_ID 参数的数值改为

37、 7，因为采用 ISO 方式时，ISO Connection ID 号要大于 2，我们这里则 STEP7 的 NETPRO 中组态了一个 ID 号为 7 的 ISO，如以下图：图图 1616同时可以在 WinCC 软件中创立 TCP/IP，分别读取主系统和备用系统中的数据，如以下图：图图 1717与图 14 比较，我们可以发现在以太网方式下，数据同步的速度比 PROFIBUS DP 方式下快，备用系统的同步数据比主系统的实时数据慢 40ms2 个周期。IIIIII关于软冗余的一些下载路径：关于软冗余的一些下载路径：软冗余手册：软冗余手册：/view/en/1137637S7-300S7-300 模板手册的下载路径模板手册的下载路径：. z.