周國棟

(太平洋水處理工程有限公司)

  【內容摘要】本文介紹了吳江凈水廠西門子軟冗余控制系統的調試應用情況，并分析了其優缺點及應用前景。

  【關鍵詞】軟冗余，PLC

　　一、項目簡介

　　吳江凈水廠為吳江市的主力水廠，生產能力30萬m³/d。承擔著為吳江市城區和大部分鄉鎮的供水任務。水廠的工藝流程如下圖所示：

　　由圖可見，吳江凈水廠整個水處理工藝成熟可靠，技術先進。為了保證水廠的正常運行，同時又不至于大幅增加投資，須采用一套穩定可靠、性價比較高的控制系統。經反復論證，該廠自動控制系統采用了SIEMENS公司的S7-300PLC為平臺的軟冗余控制系統，既控制了水廠的投資，又大大提高了整個系統的可靠性。

　　二、軟冗余系統的特點

　　吳江凈水廠自控系統是利用SIEMENS公司成熟的軟冗余技術，結合最新推出的新一代S7-300硬件產品所建立的可靠性高、模塊化、可擴充能力及容錯性較好的控制系統。不但使用了最新的硬件，同時在網絡、硬件、軟件等各方面進行了冗余設計。

　　廠區自控系統共分為五個PLC主站：取水泵房、加礬間、沖洗泵房、加氯間、送水泵房。均采用軟冗余PLC結構，同時中央控制室采用C/S結構，采用兩臺I/O服務器（互為備用）實現現場數據的采集功能，一臺數據庫服務器用于存放生產數據。客戶機可通過I/O服務器對全廠的生產情況進行監控。

　　上位機監控軟件采用了WINCC6.0,其采用了當前最先進的技術，組態功能強大，畫面動態連接多樣，同時具有C/VBA腳本編輯功能，可通過腳本實現更加靈活強大的功能。體現了良好的通用性、靈活性。尤其在與SIEMENS PLC組成監控系統時，優點尤為明顯，通訊配置方便，性能穩定，同時內置了對SIEMENS PLC軟冗余、硬冗余的支持，僅須進行簡單的設置而無須編寫腳本即可實現與冗余PLC的通訊切換。

　　整個廠區自控系統架構清晰明了，同時實現了網絡、PLC、HMI系統的冗余功能，大大提高了系統的可靠性。

　　PLC冗余：系統硬件采用了SIEMENS公司的S7-300系列PLC，每站皆采用雙CPU、雙以太網通訊模塊，下接冗余的ET200M子站，實現了PLC處理器冗余、背板總線冗余、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）、ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

　　電源冗余：該控制系統中，每PLC主站皆采用雙SITOP電源（6EP1 336-2BA00），實現了電源冗余，同時雙電源可自動平衡負載電流，提高了系統供電的可靠性。

　　網絡冗余：采用OSM連接環形光纖100兆工業以太網進行通訊。當網絡上某一段出現故障時仍能正常通信。

　　上位機監控系統冗余：監控系統為C/S結構，采用了兩臺數據采集服務器進行數據采集，互為備用，當主數據采集服務器發生故障時，監控計算機可自動切換連接到備用數據采集服務器上，繼續對生產過程進行監控。

　　三、軟冗余系統介紹

　　1.S7-300軟冗余系統構成

　　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切換時間要求不高的控制系統中。

　　軟冗余系統的構成如下圖示：

　　2.軟冗余系統的運行方式介紹

　　軟冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統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B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，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切換，

　　在軟冗余系統進行工作時，A、B控制系統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A、B系統中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundant backup）用戶程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。

　　軟冗余系統中的主備系統的切換時間  = 故障診斷檢測時間 + 同步數據傳輸時間 + DP從站切換時間，如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100－1000毫秒，同步數據所需的時間大約為200－300ms，DP從站的切換時間在100ms左右。一般根據經驗，系統切換的時間一般小于1S，用于水廠等實時性要求不高的場合已經足夠了。

　　數據同步所需要的時間取決于同步數據量的大小和同步所采用的網絡方式，MPI方式周期最長，PROFIBUS方式適中，Ethernet網方式最快。應盡量采用Ethernet網通訊方式，數據同步時間縮短，主備PLC之間的切換也較快。

　　3.在軟冗余系統調試中，須注意任務的規劃，將冗余部分的程序與非冗余程序分開，同時應進行數據區的規劃，將共享數據區域與其它應用區域分開。

　　四、結束語

　　 整個系統于2004年年底投入生產運行，獲得了用戶的好評。

　　在項目進行當中，通過對西門子軟冗余系統的調試使用，我們認為其相對于硬冗余優點如下：

　　1．價格低、可靠性好。適用于水廠等比較重要但控制實時性要求不高的場合。

　　2．軟冗余的應用方便、靈活，可使用兩個不同型號的CPU進行軟冗余，可對部分I/O進行冗余而對不太重要的設備由一臺PLC進行控制，方便靈活，適用于改造項目，可大大節省投資。