西门子软冗余系统在吴江净水厂的应用

周国栋

(太平洋水处理工程有限公司)

  【内容摘要】本文介绍了吴江净水厂西门子软冗余控制系统的调试应用情况，并分析了其优缺点及应用前景。

  【关键词】软冗余，PLC

　　一、项目简介

　　吴江净水厂为吴江市的主力水厂，生产能力30万m³/d。承担着为吴江市城区和大部分乡镇的供水任务。水厂的工艺流程如下图所示：

　　由图可见，吴江净水厂整个水处理工艺成熟可靠，技术先进。为了保证水厂的正常运行，同时又不至于大幅增加投资，须采用一套稳定可靠、性价比较高的控制系统。经反复论证，该厂自动控制系统采用了SIEMENS公司的S7-300PLC为平台的软冗余控制系统，既控制了水厂的投资，又大大提高了整个系统的可靠性。

　　二、软冗余系统的特点

　　吴江净水厂自控系统是利用SIEMENS公司成熟的软冗余技术，结合最新推出的新一代S7-300硬件产品所建立的可靠性高、模块化、可扩充能力及容错性较好的控制系统。不但使用了最新的硬件，同时在网络、硬件、软件等各方面进行了冗余设计。

　　厂区自控系统共分为五个PLC主站：取水泵房、加矾间、冲洗泵房、加氯间、送水泵房。均采用软冗余PLC结构，同时中央控制室采用C/S结构，采用两台I/O服务器（互为备用）实现现场数据的采集功能，一台数据库服务器用于存放生产数据。客户机可通过I/O服务器对全厂的生产情况进行监控。

　　上位机监控软件采用了WINCC6.0,其采用了当前最先进的技术，组态功能强大，画面动态连接多样，同时具有C/VBA脚本编辑功能，可通过脚本实现更加灵活强大的功能。体现了良好的通用性、灵活性。尤其在与SIEMENS PLC组成监控系统时，优点尤为明显，通讯配置方便，性能稳定，同时内置了对SIEMENS PLC软冗余、硬冗余的支持，仅须进行简单的设置而无须编写脚本即可实现与冗余PLC的通讯切换。

　　整个厂区自控系统架构清晰明了，同时实现了网络、PLC、HMI系统的冗余功能，大大提高了系统的可靠性。

　　PLC冗余：系统硬件采用了SIEMENS公司的S7-300系列PLC，每站皆采用双CPU、双以太网通讯模块，下接冗余的ET200M子站，实现了PLC处理器冗余、背板总线冗余、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）、ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。

　　电源冗余：该控制系统中，每PLC主站皆采用双SITOP电源（6EP1 336-2BA00），实现了电源冗余，同时双电源可自动平衡负载电流，提高了系统供电的可靠性。

　　网络冗余：采用OSM连接环形光纤100兆工业以太网进行通讯。当网络上某一段出现故障时仍能正常通信。

　　上位机监控系统冗余：监控系统为C/S结构，采用了两台数据采集服务器进行数据采集，互为备用，当主数据采集服务器发生故障时，监控计算机可自动切换连接到备用数据采集服务器上，继续对生产过程进行监控。

　　三、软冗余系统介绍

　　1.S7-300软冗余系统构成

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

　　软冗余系统的构成如下图示：

　　2.软冗余系统的运行方式介绍

　　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，

　　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（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）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。

　　软冗余系统中的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100－1000毫秒，同步数据所需的时间大约为200－300ms，DP从站的切换时间在100ms左右。一般根据经验，系统切换的时间一般小于1S，用于水厂等实时性要求不高的场合已经足够了。

　　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，MPI方式周期最长，PROFIBUS方式适中，Ethernet网方式最快。应尽量采用Ethernet网通讯方式，数据同步时间缩短，主备PLC之间的切换也较快。

　　3.在软冗余系统调试中，须注意任务的规划，将冗余部分的程序与非冗余程序分开，同时应进行数据区的规划，将共享数据区域与其它应用区域分开。

　　四、结束语

　　 整个系统于2004年年底投入生产运行，获得了用户的好评。

　　在项目进行当中，通过对西门子软冗余系统的调试使用，我们认为其相对于硬冗余优点如下：

　　1．价格低、可靠性好。适用于水厂等比较重要但控制实时性要求不高的场合。

　　2．软冗余的应用方便、灵活，可使用两个不同型号的CPU进行软冗余，可对部分I/O进行冗余而对不太重要的设备由一台PLC进行控制，方便灵活，适用于改造项目，可大大节省投资。