西门子冗余PLC系统在高炉中的应用

摘要：本文以具体实例讲解了西门子冗余PLC系统在高炉中的应用，讲述了西门子冗余PLC的系统构成、特性、软硬件组态、故障处理等，同时详细叙述了高炉的数据通讯和故障处理过程。

关键词：冗余PLC；高炉；软硬件组态

该高炉工程包括两套独立的高炉系统、热风炉系统、布袋除尘系统各以及共用的原料运输、综合水泵房等。控制系统采用西门子冗余S7-400H PLC系统，整个系统通过光纤将PLC、操作站、交换机、适配器等串联起一个大的控制环网，各系统之间相互配合，实现高炉的生产工艺控制。

1.冗余PLC系统简介

S7-400H是容错式可编程控制器，是西门子最新一代的具有容错技术的PLC。使用容错式S7-400H可编程控制器时，其用户程序设计和模块的使用方法的各种规则与标准型S7-400 系统的规则一致。

1.1 冗余PLC构成

一套S7-400H PLC包括1个安装机架、2个电源模板、2 个容错 CPU 、4个同步化子模板、 2根光缆等组件构成。

1.1.1中央处理单元：S7-400H 的核心是两个中央处理单元CPU 。须将同步化子模板插到CPU 内，对其进行设置，并决定机架的号码，我们常常把机架0中的CPU 定义为CPU0，机架1中的CPU定义为CPU1；使用CPU后面板上的选择器开关来设置机架号。 开关有两个位置：1（上）和0（下）， 给一个CPU分配机架号0，给另一个 CPU分配机架号1。两个CPU的缺省设置都是机架号0。

1.1.2 S7-400H 的安装机架：使用UR2-H机架安装S7-400H，此机架可以安装2个独立的子系统，每个系统含有9个插槽，适合安装到19 英寸宽的机柜中。

1.1.3电源：可以从S7-400 标准系列单元中选择电源模板，S7-400H系统中的每个子系统都需要一个电源模板。电源模板的额定输入电压可以是24V DC ，也可以是120/230V AC ，输出电流常为10A和20A。

1.1.4同步子模板：用同步化子模板连接两个中央处理器。它们已放置在中央处理器内部，并由光缆完成互连任务。每个CPU 内需配置2 块同步子模板。

1.1.5光纤电缆：光缆用在同步子模板内。用它完成2个中央处理器之间的物理连接，即冗余链接方式。

1.2冗余 PLC组态和编程

如果没有使用附加的硬件部件，与标准型系统相比，编程和组态工作在内容上几乎没有差别，容错式连接只需要进行组态而不需要其它专门的编程工作。容错式通讯所需要的所有通讯功能都已经集成在容错CPU 的操作系统中，并能在后台自动运行，例如，通讯连接的监视以及当故障事件发生后自动切换到冗余连接方式。

在编写用户程序时，所考虑的限定条件也比较少，适合标准S7-400系统设计和编程的规则同样适用于S7-400H，能在S7-400系统上使用的标准软件工具、工程用软件工具和运行软件工具都可以在S7-400H上使用，对编程人员来说，S7-400H的作用几乎和标准系统一样，在用户程序中完全没有必要考虑这些功能。用户程序以相同的形式存贮在两个中央处理器中，并且同时被执行。

1.3冗余PLC CPU的状态

主CPU和热备CPU是通过光缆链接的，通过此种链接，使两CPU保持事件驱动的同步程序扫描。

S7-400H系统第一次运行时，第一个被启动的CPU成为主CPU ，另一个CPU则为热备CPU。一旦主/热备CPU 确定下来，只要电源同时处于上电状态，就一直保持这种地位。主/热备CPU 在下列情况中其地位会发生变化：

1.3.1 热备CPU在主CPU之前启动。

1.3.2在冗余系统工作模式中主CPU 处于STOP状态。

1.3.3在冗余系统工作模式中主CPU 由于种种原因出现故障状态。

在冗余工作模式，主CPU和热备CPU都处在RUN状态；两个CPU同步执行用户程序，并相互检查。总的来说两个CPU具有相同的权力，所以每一个CPU既可以成为主CPU，也可以成为热备CPU。S7-400H的两个CPU在RUN模式时，其性能几乎和S7-400的标准CPU完全一样；同步功能由操作系统自动完成，并不影响用户程序。

1.4外部输入/输出模板的种类

对于外部输入/输出模板的配置则可以根据实际情况进行选择，主要可分为单向单通道I/O、切换式单通道I/O、冗余双通道I/O等三种形式：

1.4.1单通道、单向I/O：采用单通道、单向输入/输出模板，此输入/输出模板只位于一个子系统中，并且只能被此子系统读取。当带有单通道单向I/O的S7-400H 出现故障时，其情形与标准S7-400系统相同，出故障的I/O不能继续使用。

1.4.2单通道，切换式I/O：即带有单通道，切换式配置的单输入/输出模板，在冗余模式下两个子系统都可以对其进行访问；而在单一模式下，主子系统可以访问所有切换式I/O，

1.4.3冗余I/O：当每两个一组I/O组态并冗余成对运行时，I/O模板即认为是冗余配置。在这种情况下，意味着CPU故障和信号模板的故障可以容错，即其中某块模板出故障并不影响系统运行；使用冗余I/O，可以提高整个系统的可靠性。对于双通道冗余配置I/O模板的数量可以加倍并可通过两个子系统寻址。

2.高炉系统控制

2.1 高炉系统的软硬件配置

高炉控制系统对重要的PLC和操作站采用冗余设计，而输入输出信号模板所在的4个远程站则采用单通道、单向I/O的形式；其中冗余PLC CPU 414-4H系统主要包括电源、PLC、存储卡、原配电池、以太网卡、同步光纤等两套冗余组件，而冗余系统软件则已内置在两个4兆的存储卡里。软件设计则我们采用了西门子最新的PCS7软件系统。

冗余PLC系统需要严格按照西门子的安装说明装配好，冗余PLC系统中的两套PLC有主从设置，确认PLC模板上对应的跳线开关设置正确，注意同步光纤不要接反；同时在PCS7工程师站上设置与外部硬件型号完全一致的PLC类型，设好两块以太网网卡模块的实际MAC地址和IP地址，并配置好相应的远程站点。

高炉冗余PLC系统硬件配置如下图1所示：

图1：冗余PLC系统硬件配置

由于高炉操作站与冗余PLC间也是使用冗余连接，同时需要在操作站上配置好CP1613网卡，保障整个冗余系统的正常运行。

2.2 高炉系统的网络组态和通讯

冗余PLC系统使用不同的通讯方法来满足不同的实际需要，通讯方法可以是简单的线性网络结构也可以是冗余式双光缆环路，PROFIBUS 或工业以太网采用的容错式通讯技术完全支持S7 产品的通讯功能，在本系统中我们采用以太网进行网络数据通讯。

该高炉PLC系统分别与两台高炉操作站、热风炉PLC、水处理PLC、上料PLC和干法除尘PLC等系统进行通讯，分别采用以太网冗余通讯方式，保障了通讯系统的稳定性和可靠性，与干法除尘PLC之间的通讯例外。

PLC之间采用两块CP4431通过交换机进行互连，先在同一个项目里做好两套PLC的硬件组态，分配好IP地址，打开NetPro，选择其中一个PLC，双击连接列表上的空白行，添加一个S7 connection，起个合适的名字以示区分；选择连接的另一个PLC，记住连接的ID号。通讯双方的其中一个为Client端，激活对应的“Establish an active connection”的选项，这样配置组态就完成了，根据需要可以选择SFB12/13或SFB14/15进行通讯连接编程，设置好对应的ID号和接收发送区域，对双方通讯程序分别进行编译，若无错误下载到对应PLC即可完成。网络组态如下图2所示：

图2：网络组态

图中本地ID号100、120、310、601分别对应的是高炉PLC与高炉操作站1、高炉操作站2、热风炉PLC、水处理PLC、上料PLC之间的冗余连接；而ID号401则代表高炉PLC与干法除尘PLC之间的连接，由于干法除尘PLC并未采用冗余系统，于是这两者之间的通讯采用的是非冗余通讯；从图中可以看出通讯都已连接正常（最左边绿色的三角表示连接正常）。

高炉控制程序编好并测试后将程序下载至冗余PLC内，下载相对简单，将冗余PLC和操作站分别与交换机连通后即可下载，与单一PLC操作过程大体一致，只是冗余PLC需要选择通过哪个MAC地址下载，我们一般选择主PLC的MAC地址进行下载，下载完成后无需人工干预，两个冗余PLC会自动完成同步工作；需要注意的是冗余PLC有自己独有的OB控制块，不可与单机版混用；同时，应该将OB70、OB72、OB80、OB82、OB83、OB85、OB86、OB87、OB88、OB121、OB122等错误OB下载到S7-400H CPU中，若略过此步骤则出现错误时PLC系统将进入STOP状态。

3.故障处理

在冗余PLC的故障处理中，由于冗余CPU模板上的指示灯可以较好的显示其目前的状态，起到了很好提示作用，可以帮我们确定故障，缩小范围；若冗余PLC不能正常工作，可先查看其指示灯的状态，简单做出判断，再根据实际情况做出进一步处理。

常见故障及处理：

3.1冗余电源模块故障（CPU0电源模块故障）：CPU1上的LED灯REDF、IFM1F和IFM2F亮起。CPU1进入单模式并继续处理用户程序。

处理过程：更换电源并重新上电，CPU0将执行自动链接和更新，CPU0切换到RUN模式，现在以备用模式工作，同时S7-400H系统恢复冗余模式。

3.2同步光缆故障：两个CPU上的LED灯REDF和IFM1F或IFM2F （取决于断开哪根光缆）现在都亮起，备用 CPU 将切换到故障诊断模式，另一个CPU仍为主CPU并在单模式下继续运行。

处理过程：重新连接光缆，备用CPU将执行自动链接和更新，S7-400H系统恢复冗余模式。

3.3冗余系统不同步故障：冗余PLC在实际使用中也出现了一些莫名的故障，如运行的程序中若有强制的信号，此时修改程序并在线下载，则冗余的PLC间便不能实现同步，其中的一个PLC运行指示灯一直闪烁，不能正常运行。

处理过程：此时可以将两个PLC中的程序都清掉，然后重新下载，当然还有一种简单的解决方式：只将不能正常运行PLC中的程序清掉，然后再将开关拨到运行状态，经过短暂的时间后冗余系统自动恢复同步。

4.结束语

该高炉控制系统从试生产至今，各系统运行可靠、稳定，维护简单，满足了高炉系统稳定、高效的工艺要求，保障了高炉生产的安全顺行，获得各方好评。