胡 鵬，唐 堅(jiān)

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

隨著制造業(yè)競爭的加劇，生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備無障礙工作時間的要求越來越高，尤其是那些控制關(guān)鍵性生產(chǎn)工序的自動化生產(chǎn)線，持續(xù)工作時間直接影響工廠的生產(chǎn)效率，漸漸地單層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足大部分控制系統(tǒng)的要求。冗余控制是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)需要、提高系統(tǒng)可靠性的有效手段，冗余控制是一種采用一定或成倍量的設(shè)備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)的控制方式。當(dāng)某一設(shè)備或元器件發(fā)生故障而損壞時，它可以通過硬、軟件或人為方式，相互切換作為后備設(shè)備或元器件，替代因故障而損壞的設(shè)備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，使控制設(shè)備因意外而導(dǎo)致的停機(jī)損失降到最低。

目前，多數(shù)的基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller：PLC）的冗余控制系統(tǒng)采用了兩套CPU（Central Processing Unit）處理器模塊，一個處理器作為主處理器，另外一個作為從處理器。正常情況下，由主處理器工作，從處理器不斷監(jiān)測主處理器的狀態(tài)，如果主處理器出現(xiàn)故障，從處理器立即替換主處理器控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

1 S7-1500R/H冗余系統(tǒng)簡介

德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的PLC以其優(yōu)越的通訊能力和強(qiáng)大的功能，在我國的應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，下面本文以西門子PLC中典型的S7-1500系列為例，詳細(xì)闡述西門子PLC的冗余控制系統(tǒng)。西門子S7-1500系列PLC的冗余控制系統(tǒng)主要為S7-1500R/H冗余系統(tǒng)，該系統(tǒng)CPU為冗余的，兩個CPU會并行處理相同的項(xiàng)目數(shù)據(jù)和相同的用戶程序。兩個CPU通過兩條冗余連接進(jìn)行同步，如果其中一個CPU出現(xiàn)故障，另外一個CPU會接替它對過程進(jìn)行控制。

S7-1500R/H冗余系統(tǒng)，均支持兩個CPU中的一個發(fā)生故障或PROFINET環(huán)網(wǎng)斷開，不會影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但是S7-1500R和S7-1500H系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、組態(tài)限值等性能上均有所不同。如圖1所示為S7-1500R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 S7-1500R冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-1500R系統(tǒng)中的冗余連接是支持介質(zhì)冗余協(xié)議（MediaRedundancyProtocol：MRP）的 PROFINET環(huán)網(wǎng)，兩個CPU除了通過環(huán)網(wǎng)互聯(lián)外，還必須運(yùn)用PROFINET電纜直連，以保證當(dāng)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)中斷時，所有節(jié)點(diǎn)仍能繼續(xù)相關(guān)通信。S7-1500R冗余系統(tǒng)CPU連接使用了PROFINET電纜，因此電纜的部分帶寬用于進(jìn)行R-CPU同步，這一部分帶寬不能用于PROFINETIO設(shè)備通信，所以S7-1500R冗余系統(tǒng)適用于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互速度要求不高地方。需要注意的是，不支持MRP的PROFINET設(shè)備如果需要接入該冗余系統(tǒng)，必須通過交換機(jī)與環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分隔。通過圖1可以看出，如果S7-1500R冗余系統(tǒng)中任意一個CPU故障都不會影響整個控制過程，同時由于PROFINET環(huán)網(wǎng)的存在，任意一根PROFINET電纜發(fā)生故障，也不會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)運(yùn)行停止，有效增加了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

如圖2所示為西門子S7-1500H冗余系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 S7-1500H冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與S7-1500R冗余系統(tǒng)不同的是，S7-1500H冗余系統(tǒng)要求利用雙CPU組建閉合的PROFINET環(huán)網(wǎng)，而CPU間的冗余連接與PROFINET環(huán)網(wǎng)分開，使用兩根雙工光纖電纜通過同步模塊組建環(huán)網(wǎng)將CPU直接連接在一起，因此H-CPU的同步不會影響PROFINET電纜上的帶寬，適用于時間要求較高的控制系統(tǒng)中。和S7-1500R冗余系統(tǒng)相同的是，S7-1500H冗余系統(tǒng)所以節(jié)點(diǎn)需要支持MRP，不支持MRP的PROFINET設(shè)備如果需要接入該冗余系統(tǒng)，必須通過交換機(jī)與環(huán)網(wǎng)進(jìn)行分隔。通過上圖可以看出，S7-1500H冗余系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要優(yōu)于S7-1500R冗余系統(tǒng)，不但任意一個CPU故障都不會影響控制過程，由于兩個CPU之間可以通過三層網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，兩個光纖電纜和PROFINET環(huán)網(wǎng)，意味著就算兩個光纖電纜同時故障，只要此時PROFINET環(huán)網(wǎng)運(yùn)行正常，都不會影響控制過程，與S7-1500R冗余系統(tǒng)一樣，PROFINET環(huán)網(wǎng)的存在使得任意一根PROFINET電纜發(fā)生故障，不會影響控制過程。

2 S7-1500R/H冗余系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，本文以西門子博圖軟件搭建了S7-1500R冗余系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)備無故障要求較高的自動化沖壓生產(chǎn)線，使用CPU 1515R-2PN的控制器，以分布式IO的形式布置壓力機(jī)控制系統(tǒng)，將分布式IO和支持PROFINET協(xié)議的編碼器以及西門子TP1200型號的觸摸屏均組態(tài)于PROFINET網(wǎng)絡(luò)中，同時擴(kuò)展PN/PN耦合器與機(jī)器人控制系統(tǒng)通信，完成數(shù)據(jù)交換。

2.2 組態(tài)

根據(jù)上述西門子S7-1500R冗余控制系統(tǒng)的應(yīng)用，對使用過程中遇到的冗余系統(tǒng)軟件組態(tài)注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)描述。西門子組態(tài)為博圖。在博圖軟件中組態(tài)S7-1500R/H冗余系統(tǒng)，無論添加和刪除CPU都必須成對，添加雙CPU后軟件會自動為CPU的每個PROFINET接口分配一個 IP（Internet Protocol）地址，用戶也可以手動分配IP地址，但是兩個CPU之間用于組PROFINET環(huán)網(wǎng)的接口IP地址必須位于同一個子網(wǎng)中，否則無法進(jìn)行通信。如圖3所示。

圖3 設(shè)備IP地址設(shè)置

除了設(shè)置各CPU的設(shè)備IP地址外，還需要為冗余系統(tǒng)分配系統(tǒng)IP地址，這樣，其他設(shè)備就可以通過系統(tǒng)IP地址與冗余系統(tǒng)的主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且可以確保在冗余系統(tǒng)的主CPU發(fā)生故障后，可以與新的主CPU（之前的備用CPU）進(jìn)行通信。下面以CPU的PROFINET接口X1為例，詳細(xì)描述系統(tǒng)IP地址的設(shè)置流程。

（1）在網(wǎng)絡(luò)視圖中，選擇CPU，在巡視窗口中，選擇“屬性”（Properties）選項(xiàng)卡。

（2）在區(qū)域?qū)Ш街?，選擇區(qū)域“PROFINET接口[X1]”（PROFINET Interface[X1]）和“切換通信的系統(tǒng)IP地址”（System IP Address For Switch Communication）部分。

（3）確保接口X1選中復(fù)選框“啟用切換通信的系統(tǒng)IP地址“（Enable The System IP Address For Switched Communication），在“IP 地址”（IP Address）字段中，應(yīng)用或分配系統(tǒng)IP地址。

（4）為系統(tǒng)IP系統(tǒng)地址分配虛擬MAC（Media Access Control Address）地址，虛擬MAC地址的長度為6個字節(jié)，字節(jié)分配采用十六進(jìn)制，需要注意的是要確保以太網(wǎng)廣播域中存儲的MAC地址唯一。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)IP地址設(shè)置

（5）另一個CPU將自動應(yīng)用上述設(shè)置。

在S7-1500R/H冗余系統(tǒng)中，每個CPU都有一個冗余ID（Identity），并且僅當(dāng)兩個CPU的冗余ID不同時，才能實(shí)現(xiàn)冗余操作，一般冗余ID的值為1和2。初始調(diào)試時的默認(rèn)狀態(tài)下，兩個CPU的冗余ID均為1，可以通過CPU上的顯示屏分配冗余ID，具體操作步驟如下。

（1）冗余系統(tǒng)中兩個CPU相互連接且獨(dú)處于Stop操作狀態(tài)。

（2）啟動要為其分配冗余ID2的CPU。

（3）在該CPU的顯示屏上，選擇菜單命令“概述> 冗余”（Overview>Redundancy），為該 CPU分配冗余ID2，為CPU分配冗余ID后，CPU將重新啟動。如圖5所示。

圖5 分配冗余ID

需要注意的是，分配好冗余ID后，在項(xiàng)目樹中冗余ID為1的CPU處于頂端，冗余ID為2的CPU處于低端。

S7-1500R/H冗余系統(tǒng)兩個CPU在配對時，主CPU和備用CPU的角色由系統(tǒng)自行分配。在博圖軟件項(xiàng)目樹中選擇S7-1500R/H系統(tǒng)并運(yùn)行“下載到設(shè)備”（Download To Device），操作系統(tǒng)會默認(rèn)將項(xiàng)目數(shù)據(jù)下載到主CPU，然后在同步狀態(tài)下，項(xiàng)目數(shù)據(jù)會自動從主CPU傳輸?shù)絺溆肅PU。項(xiàng)目數(shù)據(jù)默認(rèn)下載到主CPU的操作步驟如下。

（1）在項(xiàng)目樹中右鍵單擊選擇S7-1500R/H系統(tǒng)。

（2）從快捷菜單中選擇“下載到設(shè)備>硬件和軟件（僅更改）”（Download To Device>Hardware And Software（Only Changes））命令。

（3）然后在彈出的對話框中，從“PG/PC接口類型”（Type of the PG/PC Interface）下拉列表中選擇子網(wǎng)（PN/IE）；在“PG/PC 接口”（PG/PC Interface）中選擇指向本地網(wǎng)絡(luò)的適配器；從“接口/子網(wǎng)連接”（Connection To Interface/Subnet）下拉列表中選擇“嘗試所有接口”（Try All Interface）條目。如圖6所示。

圖6 擴(kuò)展下載對話框

（4）單擊“開始搜索”（Start Search）按鈕，“選擇目標(biāo)設(shè)備”（Select Target Device） 表中會顯示S7-1500R/H系統(tǒng)中的CPU及其角色，選擇主CPU。

（5）單擊“加載”（Load），即可將項(xiàng)目數(shù)據(jù)下載到冗余系統(tǒng)的主CPU中。

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)方面，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高，本文以西門子S7-1500系列PLC為例，對西門子冗余系統(tǒng)S7-1500R/H系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和運(yùn)用場合進(jìn)行了分析，詳細(xì)描述了S7-1500R/H冗余系統(tǒng)的硬件組成，以及其在軟件組態(tài)的方面的具體步驟和注意事項(xiàng)，為冗余控制系統(tǒng)的構(gòu)建和發(fā)展提供了進(jìn)一步支持。