西门子6ES7231-7PC22-0XA0物优**

西门子6ES7231-7PC22-0XA0物优**

在重要的工业生产领域和产品设计中，采用冗余技术提高控制系统可靠性的做法越来越普遍。常规的冗余就是采用成倍增加元件的方式来参与控制，以期能够将因控制设备的意外而导致的停机降到较少。

燃油锅炉是输油管道加热系统中的加热设备，锅炉的无故障运行是整个输油管道网络正常工作的保证。在锅炉控制系统中，设计采用两组独立运行的西门子PLC软件冗余控制系统，保加热系统的可靠、连续、安全运行。

冗余常见的方式是*处理器冗余、I/O冗余和通讯冗余。*处理器单元冗余（即一用一备或一用多备），在主处理器单元失效时，备用处理器单元自动投入运行，接管控制。在控制权的交互方式上又可分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换，不用编程。除了成对的使用处理器外，还用**的热备模块，热备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余均采用光纤通讯，通讯速度快，系统稳定，切换时间更短，但是成本也比较高。软件冗余方式只需要成对的处理器，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成十分灵活，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式还是非常经济有效的。

1．控制系统构成：

1.1监控系统整体设计

本控制方案设计采用了SIMATICWinCC组态软件来实现过程控制的上位机组态，WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统。下位机控制系统设计采用两套独立的西门子SIMATICS7-300系列PLC实现冗余控制，其编程软件STEP-7功能强大，模块化结构，优化了用户程序。

1.2PLC软件冗余控制系统

软件冗余是Siemens实现冗余功能的一种解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中。

1.2.1系统结构

Siemens软件冗余系统的软件、硬件包括：

1套STEP7编程软件（V5.x）加软冗余软件包（V1.x）；

2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统；

3条通讯链路，主系统与从站通讯链路（PROFIBUS1）、备用系统与从站通讯链路（PROFIBUS2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI或PROFIBUS或Ethernet）；

软冗余能够实现：

1．主机架电源、背板总线等冗余；

2．PLC处理器冗余；

3．PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余）；

4．ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。

软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统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当中执行，这时，B系统为主，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。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、更换非常有用。

1.2.2系统工作原理

在软冗余系统进行工作时，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程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成，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。

1.3PLC控制系统设计

利用信号模块实时采集锅炉的输油管进出口温度和压力，根据设定起炉、转火、停炉温度值控制燃烧机的自动启动、转火、停止等操作。根据温度、压力报警设定值，控制锅炉紧急停炉和故障报警等处理。

控制系统组成：一组CPU315-2DP处理器（带PROFIBUS-DP接口）；2组ET200M模块（各自带2个IM352接口）；一组SM321DI开关量输入模块；一组SM322DO开关量输出模块；3组SM331AI模拟量输入模块。一组CP343-1以太网通信处理器模块。

1.4WinCC与S7-300的通信实现

根据控制方案的设计，采用WinCC组态作为上位机监控，用西门子的S7_300作为下位机执行机构，我将采用以太网的标准Tcp/IP协议实现WinCC与S7-300的通信，将现场的状态参数、控制参数等上传到监控层。

1.5WinCC组态冗余的实现

通过两立计算机同时运行项目功能完全相同的WinCC组态项目，构成并行服务器来实现组态冗余结构，两台服务器通过以太网连接，并与PLC连接。每台服务器都带有其自身的过程连接和可用的数据归档，工作PLC站将过程数据和消息同时发送到两台冗余服务器。如果一台服务器发生故障，另一台将继续接收和归档来自PLC工作站的过程值和消息。出现故障的服务器重新工作后，冗余服务器为故障时间的归档执行同步，通过将丢失的数据重新传送到出故障的服务器，来故障引起的归档差别。

冗余服务器的组态实现：1．必须在两个冗余服务器上组态功能完全相同的WinCC组态项目（建议使用WinCC项目）。2.对于WinCC冗余，需要同步服务器（建议使用设备的时间同步）。3.配置冗余用户归档，实现用户归档同步。4.组态在线消息同步。5.打开冗余编辑器，在“冗余伙伴服务器”项，输入冗余服务器的名称，并在“用户归档”项下，“用户归档的同步”。

本系统通过动态向导设置读取IP冗余地址，实现主S7-300数据监控。

1.6软冗余程序的设计

软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7，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**时，调用该块）、OB82（DP-SlaveET200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链接断开或链接重新建立时调用该块）、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OB100、OB35、OB86进行编程。

首先，用户需要在初始化程序中（OB100）定义冗余部分的数据区，该数据区可以包括：一个过程映像区，一个定时器区，一个计数器区和一个数据块区，S7-300同步的较大数据量为8kBytes。本控制系统将每台锅炉的温度、压力采集值和运行状态参数分别放置在不同的DB数据块，并定义为需要冗余的数据块。

使用的是OB35的默认属性，即每100ms中断触发一次，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FB101S’WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段，实现冗余功能。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。

OB35中的程序段也可以在OB1中实现，只是不使用中断的方式，而使用主循环的方式。

调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功，原因是CP342-5之间的FDL链接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

随着我国经济建设的发展，能源的开发和利用也显得日益紧张起来。3月份以来，我国多地出现淡季“电荒”现象，而电能利用效率低下是导致“电荒”的重要原因之一，在这种情况下，提高电能效率迫在屠睫。而随着城市路网建设的不断发展，路灯数量增多，使得人们对电能节约以及路灯的管理要求也越来越高。采用先进技术节约能源以及提高路灯自动化控制与管理水平，已成为城市照明系统建设的当务之急。

1 路灯照明管理现状

1）照明设施开关灯统一性差，智能化水平低，不具备远程修关灯时间，不能根据实际情况修关灯时间，能源浪费大，增加了财政负担；

2）路灯设备分散，管理人员少，管理困难，不能实时、准确、全面地监控设备运行状况，缺乏灵活的控制手段；3）人工巡检工作量大，效率低，成本高，浪费人力、物力、财力，缺乏有效的故障预警机制。

2 ZigBee简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低耗功、低传输速率、的双向无线组网通讯技术。它是一种介于RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）和蓝牙之间的技术。

3 GPRS简介

GPRS通用分组无线业务是一种新的承载业务，提供了一种、的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的。GRPS永远在线，接入速度快，用户可随时与无线网络保持连接，可使远程数据采集的效率大幅提高。

4 PLC简介

PLC即可编程控制器，是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口，能够完成逻辑，顺序、定时、等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

5 系统工作原理

运用组态软件作为上位机的控制平台，通过GPRS与现场控制器PLC通讯。监控中心软件通过GPRS网络向各个现场控制器发送动作指令，使现场控制器完成各种配置和数据采集工作，并对现场控制器发送上来的数据进行分析和处理。现场控制器通过ZigBee无线通讯设备接收单灯控制器所发送来的信号，进行分析处理并通过GPRS通讯系统向监控中心发送信息，以此来实现对路灯的远程无线控制。

6 系统组成

系统由3部分组成：现场控制器、单灯控制器、监控中心。

6.1 现场控制器

由PLC独立控制模块、GPRS通信模块、ZigBee无线通信模块等组成，完成数据采集、控制输出、数据通信、故障报警等功能。现场控制器通过GPRS与照明管理监控中心服务器相连，通过ZigBee无线通信模块与单灯控制器相连，以此实现实时通信。

6. 2 单灯控制器

每盏路灯都装有单灯控制器，由ZigBee无线通信模块、完成电量采集和模块遥信功能的单片机模块组成。ZigBee无线模块具有网状拓扑结构，这样ZigBee子网就有内置冗余保，如果网络中有节点脱离网络，无法工作，节点数据将自动路由到一个替换节点保系统的可靠、稳定。单灯控制器是路灯监控系统中控制功能的执行部分，控制路灯的状态并监测路灯运行的电流、电压、功率因素等，将这些参数通过无线方式传送到现场控制器，同时接收来自现场控制器的所有控制指令，从而实现远程控制功能。

6. 3 监控中心

监控中心由监控中心软件、GPRS通信模块组成，对整个照明系统进行集中控制。监控中心软件可实现远程监控、采集数据、建立数据库、数据分析等功能，通过GPRS通信模块实时扫描各路灯电量数据和输出状态，也可将监控中心软件发送的各种有效指令发送给现场控制器。遇到报警信息，通过GSM短信方式送至巡检人员手机。

7 监控中心软件介绍

组态软件是用于数据采集和过程控制的**软件，本系统采用组态王作为开发工具，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发等优点，能充分利用图形编辑功能，为用户提供了友好的可视化界面。

监控中心软件是整个路灯监控系统的控制中心，它负责跟控制现场中的监控终端进行远程通信，对获取的数据进行处理，主要功能如下：

1）查询功能现场控制器将单灯的电压、电流、功率、设备运行状态等参数通过无线信道发送回监控中心，监控中心主机对这些数据进行分析、处理后，以直观的报表或图表形式提供管理，为决策提供准确的依据。

2）控制功能手控与自控相结合，提供灵活、可靠的开关控制功能，通过“设置参数”里的开关灯方案及开关灯时间，下发给现场控制器，让现场控制器按*的方案运行。

3）设置参数监控中心可自动或手动执行全控开关灯，也可控制任一单灯执行开关灯，可随意设置半夜灯或全夜灯模式，并对设置的参数和要求进行保存。

4）报警功能当现场控制器主动报警或检测单灯控制器时发现有故障，监控中心软件发出声光报警信号提醒工作人员，并在画面上显示故障报警位置状况和类型，保存报警的同时以短信息的方式通知现场巡检人员。

5）数据统计与报表统计备采集参数的数据信息，形成报表，便于分析研究，可打印报表。

8 结束语

本系统从路灯控制的具体要求出发，建立了友好的可视化界面，集无线通讯技术、自动化控制技术、监控系统组网于一体，有效的解决了路灯控制的灵活性、实时性、可靠性、经济性等问题，抗干扰力强，通信稳定，上位机给监控终端发出的命令能准确到位。不仅大大节约了铺设通信电缆的费用，更达到了节能能源的目的。

 PLC的种类非常多，可以根据控制要求及PLC的功能、I/O点数、存储容量，以及、维修方便、性价比高等因素加以综合考虑。对于一个企业，应尽量统一 PLC的机型，这样其外部设备通用，资源可共享，也易于联网通信，便于组成分布式控制系统。
    1．PLC的I/O点数选择
    首先要考虑控制要求，在这一前提下，还要兼顾价格及备用裕量。通常I/O点数是根据受控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%--30%的备用量来确定的。
    2．PLC结构形式的选择
    对于整体结构式的PLC，其每一个I/O点的平均价格比模块式便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的系统；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、I／0模块的种类等方面，选择余地大，维修时只需更换模块，同时故障判断也很方便，因此，模块式PLC -般用于较复杂的系统和工作环境较差的场合。
    3．PLC安装方式的选择
    PLC的安装方式可分为集中式、远程式和多台联网分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、。大型系统经常采用远程I/O式，因为它们的装置分布范围很广。对于多台联网的分布式控制，采用多台设备分别独立控制且相互之间采用通信联系方式时，则要选择具有较强通信功能的小型机。
    4．PLC功能的选择
    PLC的功能主要有逻辑运算、算术运算、计时、计数、数据处理、PID运算和通信功能。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可以选用小型的且能配接A/D和D/A转换，具有加减算术运算、数据传送功能的PLC。对于控制系统较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可按控制规模的大小及复杂程度，选用中型或大型PLC。N:N网络中有系统*的共享数据区域，即网络中的每一台PLC都要提供各自的辅助继电器和数据寄存器组成网络交换数据的共享区间。网络编程元件的共享区域如表5.3所示。
    对于网络中的每一台PLC，都可以将自身用于网络交换的数据存入共享数据区。网络中的每一台PLC，使用网络中其他PLC自动传来的数据就像读本身区的数据一样方便。采用N:N网络通信，能链接一个小规模系统中的数据，每一个PLC都可以监视网络中其他PLC共享区域中的数据。N:N网络的设置只有在程序运行或PLC启动时才有效。N:N网络的参数设置内容如下。
    (1)站号设置(D8176)。D8176的取值范围为0～7，主机应设置为0，从机设置为1～7。
    (2)设置从机个数(D8177)。该设置只适用于主机，设定范围为1～7，默认值为7。
    (3)设置刷新范围(D8178)。刷新范围是指对通信联网中所有PLC的共享寄存器复位操作的范围。设置刷新范围实际上是设定联网PLC的共享区域辅助继电器、数据寄存器的范围，对于不同型号的PLC，其内部编程元件的地址和范围有差异，所以要根据PLC的机型设置刷新范围。
    刷新范围的设定有两步：首先由主机的D8178设置刷新模式（0、1、2共三种。默认值为0），参见表5:4的内容。当刷新模式设定后，N:N网络中主机和从机的刷新范围也就确定了，其主、从机的共享辅助继电器和数据寄存器的使用范围也就确定了。设采用FX2N型PLC进行联网，如果设定模式1，则参考表5.3的内容就可以知道采用模式1编程元件的共享区域了。
表5.3网络编程元件的共享区域
站号     模式0     模式1     模式2
    4点字元件     32点位元件  4点字元件     64点位元件  8点字元件
 0     D0-D3  M1000-M1031 DO-D3  M1000-M1063  D0-D7
 1     D10-D13  M1064-M1095  D10-D13 M1064-M1127  D10-D17
 2     D20-D23  M1128 -M1159  D20-D23 M1128-M1191  D20-D27
 3     D30-D33  M1192-M1223  D30-D33 M1192 - M1255  D30-D37
 4     D40-D43  M1256-M1287  D40-D43 M1256 -M1319  D40-D47
 5     D50-D53  M1320-M1351  D50-D53 M1320-M1383  D50-D57
 6     D60-D63  M1384-M1415  D60-D63 M1384-M1447  D60-D67
 7     D70-D73  M1448-M1479  D70-D73 M1448-M1511  D70-D77
表5.4刷新模式
     刷新模式（刷新范围）
 通信元件     模式0      模式1      模式2 
(FX0N. FX1s. FX1N. FX2N. FX2NC) (FX1N. FX2N. FX2NC) (FX1N. FX2N. FX2NC)
    位元件     0点     32点     64点
    字元件     4点     4点     8点
    (4)其他相关标志和数据寄存器。
    ①M8038:设置网络参数；
    ②M8183：在主机的通信错误时为ON;
    ③M8184～M8190:在从机产生错误时为ON;
    ④M8191:在与其他从机通信时为ON;
    ⑤D8179：主机设定通信重试次数，设定值为0～10（默认值为3），该设置仅用于主机，
当通信出错时，主机就会根据设置的次数自动重试通信。
    ⑥D8180:设置主机和从机间的通信驻留时间，设定值为5～255，对应设置的通信驻留
时间为50～2550ms。