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西門子模塊6ES7512-1DM03-0AB0簡介

來源:潯之漫智控技術(上海)有限公司   2023年03月06日 09:50  

   在重要的工業(yè)生產領域和產品設計中,采用冗余技術提高控制系統(tǒng)可靠性的做法越來越普遍。常規(guī)的冗余就是采用成倍增加元件的方式來參與控制,以期能夠將因控制設備的意外而導致的停機降到最少。

    燃油鍋爐是輸油管道加熱系統(tǒng)中的加熱設備,鍋爐的運行是整個輸油管道網絡正常工作的保證。在鍋爐控制系統(tǒng)中,設計采用兩組獨立運行的西門子PLC軟件冗余控制系統(tǒng),保證加熱系統(tǒng)的可靠、連續(xù)、安全運行。
    冗余常見的方式是中央處理器冗余、I/O 冗余和通訊冗余。中央處理器單元冗余(即一用一備或一用多備),在主處理器單元失效時,備用處理器單元自動投入運行,接管控制。在控制權的交互方式上又可分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進行切換,不用編程。除了成對的使用處理器外,還用專用的熱備模塊,熱備模塊負責檢測處理器,一旦發(fā)現主處理器失效,馬上將系統(tǒng)控制權交給備用處理器。硬件冗余均采用光纖通訊,通訊速度快,系統(tǒng)穩(wěn)定,切換時間更短,但是成本也比較高。軟件冗余方式只需要成對的處理器,用軟件編程的方式進行處理器的切換,組成比較經濟,構成十分靈活,但程序處理需要一定的時間,對于時鐘同步及切換時間要求不是十分嚴格的場合,選用軟件冗余方式還是非常經濟有效的。
1.控制系統(tǒng)構成:
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設計
    本控制方案設計采用了SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件來實現過程控制的上位機組態(tài),WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術系統(tǒng)。下位機控制系統(tǒng)設計采用兩套獨立的西門子 SIMATIC S7-300系列PLC實現冗余控制,其編程軟件STEP-7功能強大,模塊化結構,優(yōu)化了用戶程序。
監(jiān)控系統(tǒng)構成實現如圖1:

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圖1 冗余監(jiān)控系統(tǒng)
Fig.1 Software redundancy monitoring system
1.2 PLC軟件冗余控制系統(tǒng)
    軟件冗余是Siemens實現冗余功能的一種低成本解決方案,可以應用于對主備系統(tǒng)切換時間要求不高的控制系統(tǒng)中。
1.2.1系統(tǒng)結構
Siemens軟件冗余系統(tǒng)的軟件、硬件包括:
1套STEP7編程軟件(V5.x)加軟冗余軟件包(V1.x);
2套PLC控制器及I/O模塊,可以是S7-300或S7-400系統(tǒng);
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(PROFIBUS2)、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數據同步通訊鏈路(MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet);
軟冗余能夠實現:
1.  主機架電源、背板總線等冗余;
2.  PLC處理器冗余;
3.  PROFIBUS現場總線網絡冗余(包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余);
4.  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,A系統(tǒng)為主,B系統(tǒng)為備用,當主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯,控制任務會自動切換到備用系統(tǒng)B當中執(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定控制字,實現手動的主備系統(tǒng)切換,這種手動切換過程,對于控制系統(tǒng)的軟硬件調整、更換非常有用。
1.2.2 系統(tǒng)工作原理
    在軟冗余系統(tǒng)進行工作時,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。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成,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。下面我們看一下軟冗余系統(tǒng)中PLC內部的運行過程(圖2):

  PLC


圖2 冗余工作原理
Fig.2 The working principle of software redundancy 
1.3 PLC控制系統(tǒng)設計
    利用信號采集模塊實時采集鍋爐的輸油管進出口溫度和壓力,根據設定起爐、轉火、停爐溫度值控制燃燒機的自動啟動、轉火、停止等操作。根據溫度、壓力報警設定值,控制鍋爐緊急停爐和故障報警等處理。
    控制系統(tǒng)組成:一組CPU 315-2 DP 處理器(帶PROFIBUS-DP接口);2組ET200M模塊(各自帶2個IM352接口);一組SM321 DI開關量輸入模塊;一組SM322 DO開關量輸出模塊;3組SM331 AI模擬量輸入模塊。一組CP343-1以太網通信處理器模塊。
1.4 WinCC與S7-300的通信實現
    根據控制方案的設計,采用WinCC組態(tài)作為上位機監(jiān)控,用西門子的S7_300作為下位機執(zhí)行機構,我將采用以太網的標準Tcp/IP協議實現WinCC與S7-300的通信,將現場的狀態(tài)參數、控制參數等上傳到監(jiān)控層。這個變量傳遞的過程可以用圖3來說明:

 
問題:更新CPU 41x的操作系統(tǒng)后MPI和PROFIBUS接口的設置保留嗎?

解答: 如果更新了一個CPU操作系統(tǒng)后,必須重新加載程序,因為CPU已經做了一次全面復位。具有一個MPI接口或一個組合MPI/DP接口的CPU只在操作系統(tǒng)更新前保留接口所采用的當前地址和波特率。另一方面,另一個PROFIBUS地址被刪除,不能再訪問。 重要事項:重新設置PG/PC之后,與CPU之間的通訊只能通過MPI或MPI/DP接口來建立。 注意事項:在操作系統(tǒng)更新之前設置的保護電平和MPI地址一樣會被保留。 提供的下載中關于如何更新一個操作系統(tǒng)的詳細信息可用于各種CPU的操作系統(tǒng)。

問題:如何在PROFIBUS DP網絡中改變響應監(jiān)測時間?

解答: 如果總線配置文件設置為"user-defined",那么響應監(jiān)測時間只能手動改變。否則,相應的域變灰,無法進行更改。 /p 以下是對相關對話框的描述: 選擇一個總線構件,雙擊。 在注冊表"General"中,點擊按鈕"PROFIBUS",并轉到"Parameter"。 點擊"Properties"。 總線配置文件可以在"Network settings"中改變。如果點擊"Bus parameter",將會顯示響應監(jiān)測時間。 /li 該時間可以自動計算。為此,點擊按鈕"Recalculate"或在輸入一個位于 15.000 和 975.000.000 t_bit之間的值。響應監(jiān)測時間對于整個PROFIBUS DP網絡有效。

問題:哪種信息存儲在SIMATIC S7-CPU的診斷緩沖中?

解答: 系統(tǒng)診斷用于識別,評估和顯示發(fā)生在自動系統(tǒng)中的錯誤。為此,在每個有系統(tǒng)診斷能力的CP 和模塊中,有一個包含所有診斷結果詳細信息的診斷緩沖器。 錯誤由模塊的操作系統(tǒng)識別 作為整個系統(tǒng)內的編號(起因) 包括錯誤發(fā)生的位置和時間并用純文本顯示。錯誤歷史也被記錄,因為該錯誤消息自動存儲在診斷緩沖中,無需用戶幫助。 系統(tǒng)診斷的基本功能包括操作系統(tǒng)的所有錯誤事件以及用戶程序的程序順序中的一些特性,它們存儲在診斷緩沖器中,并帶有時間,錯誤編號及附加的相關信息。 此外,用戶可以在診斷緩沖中輸入用戶自定義的診斷事件(如關于用戶程序的信息),或發(fā)送用戶定義的診斷結果到已連接的站中(監(jiān)測設備如PG,OP,TD)。 診斷緩沖器 診斷緩沖器能夠 更快地識別故障源,因而提高系統(tǒng)的可用性。 評估STOP之前的最后事件,并尋找引起STOP的原因。診斷緩沖器是一個帶有單個診斷條目的循環(huán)緩沖器,這些診斷條目顯示在事件發(fā)生序列中;第一個條目顯示的是最近發(fā)生的事件。如果緩沖器已滿,g 最早發(fā)生的事件就會被新的條目所覆蓋。根據不同的CPU,診斷緩沖器的大小或者固定,或者可以通過HW Config中通過參數進行設置。 /p 診斷緩沖器中的條目包括: 故障事件 操作模式轉變以及其它對用戶重要的操作事件 用戶定義的診斷事件(用SFC52 WR_USMSG) 在操作模式STOP下,在診斷緩沖器中盡量少的存儲事件,以便用戶能夠很容易在緩沖器中找到引起STOP的原因。因此,只有當事件要求用戶產生一個響應(如計劃系統(tǒng)內存復位,電池需要充電)或必須注冊重要信息(如固件更新,站故障)時,才將條目存儲在診斷緩沖器中。 /p 在操作模式STOP下,不處理用戶程序。因此,不存有因用戶程序引發(fā)的診斷緩沖條目。 診斷緩沖器中的條目不包括: 臨時性錯誤 統(tǒng)計信息或跟蹤記錄 關于數據或服務質量的信息 循環(huán)OB啟動調用循環(huán)發(fā)生的故障事件通常僅在第一次輸入,在此之后,只有當引起錯誤的原因被識別后才輸入。這確保溢出不會覆蓋重要的條目。通過在線幫助,用戶可以分析診斷緩沖條目,并找到可能的原因以及事件的補救措施。 診斷緩沖器的合理評估 診斷緩沖器的合理評估一般是通過診斷工具-如S7 系統(tǒng)診斷來完成。用戶程序可以從診斷緩沖器中讀出,然而,不能用它來減少控制器對于用戶程序的反應。

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問題: 為什么在2月29日這天關閉CPU 945后,它不能正確地將日期從29.02改變到01.03?

解答: 如果為CPU 945的硬件時鐘設置了一個不等于0的校正因子(當前固件版本為Z03),并且在日期改變時,C PU位于斷電狀態(tài),那么在閏年從29.02到01.03日期改變不會正確執(zhí)行。 示例: 設置日期為29.02。設置時間為23:59:00。現在關閉CPU,一直等到日期已經發(fā)生改變。當重新打開時,C PU上的日期仍舊為29.02的23:52:50。 校正因子不等于零的設置導致在閏月時計算了錯誤的時間校正值。然后,硬件時鐘也被設置到該錯誤時間和日期。 /p 補救措施: 如果使用一個等于零的校正因子,就不再會發(fā)生時間漂移行為。可以自己設置校正因子。

問題:哪些驅動器支持SIMATIC的新功能"Clock Synchronization"?

解答: 從固件版本V3.1 開始,SIMATIC S7-400 系列的CPU支持新的TIA系統(tǒng)功能"Clock Synchronization"。時鐘同步在等距DP循環(huán),I/O模塊和用戶程序之間做一個直接的鏈接。 時鐘同步功能由完整的產品組"SIMODRIVE"和"MASTERDRIVE MC"所支持。 組態(tài)驅動器的要求是從V5.2 版本以上的Drive ES Basic,STEP 7 V5.2 和用于S7 400 CPU的固件版本V3.1。在此請注意僅有CPU的內部DP接口可用于通信。

問題: 在冗余數字輸入模塊上有差異時,在映像中輸入什么?

解答: 在PII(輸入的過程映像)中,冗余數字輸入模塊的最后一個均值有效,直到錯誤定位。在出現差異的情況下,由 CPU識別為故障的模塊處于鈍化狀態(tài)(CPU不再讀入有關的輸入字節(jié))。在這種情況下,處于非鈍化狀態(tài)模塊的值有效。在此之后,錯誤不再可以被識別,因為在非鈍化模塊上的信號總是被CPU以正確的信號來接受。 確保故障數字輸入模塊的本地化僅可通過I O類型(互連)與FLF(故障本地化工具)才能實現。

問題: 為什么需要在一些外圍模塊中使用一個SIFI-C濾波器?這些模塊是如何連接的?

解答: 對于幾個外圍模塊,必須使用一個SIFI C濾波器,因為在CE認證中使用了該濾波器,以滿足HF吸收和散發(fā)的要求。關于在模塊上該使用哪種濾波器的信息可以在當前目錄或在當前系統(tǒng)手冊中找到。 對于數字輸出模塊,濾波器必須切換到負載電壓源,對于數字輸入模塊,必須切換到模塊/傳感器電源。對于模擬模塊,濾波器必須切換到模塊電源。可以使用同一種濾波器,用于一組輸入輸出模塊。


圖3 變量監(jiān)控過程
Fig.3 Course of variable monitoring
1.5 WinCC組態(tài)冗余的實現
    通過兩計算機同時運行項目功能相同的WinCC組態(tài)項目,構成并行服務器來實現組態(tài)冗余結構,兩臺服務器通過以太網連接,并與PLC連接。每臺服務器都帶有其自身的過程連接和可用的數據歸檔,工作PLC站將過程數據和消息同時發(fā)送到兩臺冗余服務器。如果一臺服務器發(fā)生故障,另一臺將繼續(xù)接收和歸檔來自PLC工作站的過程值和消息。出現故障的服務器重新工作后,冗余服務器為故障時間的歸檔執(zhí)行同步,通過將丟失的數據重新傳送到出故障的服務器,來消除故障引起的歸檔差別。
    冗余服務器的組態(tài)實現:1.必須在兩個冗余服務器上組態(tài)功能相同的WinCC組態(tài)項目(建議使用WinCC項目復制器)。2. 對于WinCC冗余,需要同步服務器(建議使用設備的時間同步)。3. 配置冗余用戶歸檔,實現用戶歸檔同步。4. 組態(tài)在線消息同步。5. 打開冗余編輯器,在“冗余伙伴服務器”項,輸入冗余服務器的名稱,并在“用戶歸檔”項下,激活“用戶歸檔的同步”。
    本系統(tǒng)通過動態(tài)向導設置讀取IP冗余地址,實現主S7-300數據監(jiān)控。
1.6 軟冗余程序的設計
    軟冗余程序需要西門子提供的軟冗余軟件包及STEP7,在A站的Block中插入OB1(主循環(huán)程序塊)、OB35(定時中斷組織塊)、OB100(暖啟動調用程序塊)、OB80(在主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換時間超時,調用該塊)、OB82(DP-Slave ET200站上的IM153-2模塊出錯報警,調用該功能塊)、OB83(DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開或鏈接重新建立時調用該塊)、OB86(主從站通訊出錯調用該塊)、OB87(通訊失敗調用該塊)、OB122(外圍設備訪問出錯調用該塊)、OB121等組織塊,并對其中的OB100、OB35、OB86進行編程。
    首先,用戶需要在初始化程序中(OB100)定義冗余部分的數據區(qū),該數據區(qū)可以包括:一個過程映像區(qū),一個定時器區(qū),一個計數器區(qū)和一個數據塊區(qū),S7-300同步的最大數據量為8kBytes。本控制系統(tǒng)將每臺鍋爐的溫度、壓力采集值和運行狀態(tài)參數分別放置在不同的DB數據塊,并定義為需要冗余的數據塊。
    使用的是OB35的默認屬性,即每100ms中斷觸發(fā)一次,可以根據實際的需要在CPU屬性中修改中斷的時間間隔。在OB35里調用FB101S ’WR_ZYK’功能塊,FB101塊中封裝了冗余功能的程序段,實現冗余功能。當執(zhí)行‘SWR_START’程序塊時,系統(tǒng)分配這些數據區(qū),不能用S7 的定時器和計數器,只能使用IEC標準的定時器和計數器。
    OB35中的程序段也可以在OB1中實現,只是不使用中斷的方式,而使用主循環(huán)的方式。
    調用FB101時,你可以在線地讀出RETURN_VAL參數的數值,如果為0,說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數據同步的連接不成功,原因是CP342-5之間的FDL鏈接建立的不正確或物理鏈路不通,或者是FC100的VERB_ID參數與NETPRO中的ID號不一致。
2.結束語:
    以上簡要介紹了SIEMENS軟件冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理、程序編制,整個系統(tǒng)組成簡單、構成靈活、程序編制比較容易。系統(tǒng)在某輸油站投入運行以來,保證了系統(tǒng)停機運行,提高了工作效率,降低了維護費用,以其可靠性、靈活性、便利性受到用戶好評。


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