全国热线电话：
18390808297全国热线电话：
18390808297
 |
|
湖南嘉普云自动化设备有限公司
一．简述：
软件冗余又称软冗余，和S7-400 H硬件冗余系统相对应，顾名思义是用户使用程序来完成 PLC 系统的冗余功能，可以应用于对主备系统切换时间为秒级的控制系统中，硬件平台一般是S7-300/400, 是Siemens 实现提高系统可用性的一种低成本解决方案，这种PLC软冗余方案已在国内外很多行业和项目中使用。而WinAC RXT 从版本2008起，也开始支持软冗余功能，其原理和编程方式与S7-300/400的软冗余方式基本相同。它不仅能有效提升系统的可用性，又可借助主流PC实现高性能多任务运算，同时具有良好的开放性，是一种高性价比的方案。
WinAC RTX 软冗余系统结构示意图：
系统构成：
A. 两台装有WinAC RTX 2008 的PC作为冗余的控制器（对于较恶略的运行环境，可以使用嵌入式Windows XP作为操作系统，使用无风扇、无硬盘采用电子盘的工业PC硬件平台，实现抗震防尘，比如西门子 MicroBox 427B等）。若其中一台PC可以作为编程设备，也可以使用第三台PC作为PG；
B. 使用 CP5611/5613作为Profibus主站的通讯接口；
C. 作为从站，每个ET200M从站上插有两个IM153-2接口模块，分别与两台WinAC RTX控制器的Profibus相连；
D. 可以选用以太网连接实现两台控制器间的快速数据同步，用户需要在初始化程序（OB100）中定义冗余数据同步区，包括：M区，DB块，过程映像区，IEC定时器/IEC计数器。
该系统结构可以实现：
A. 控制器（PC）冗余；
B. Profibus总线系统冗余（包括：通讯接口，总线接头，总线电缆等）
C. IM153-2冗余
软冗余的基本原理：
本文的实验中所使用的实验设备：
西门子工控机Simatic PC840 V2 配置：
A. 计算机名：CHN840
B. WinXP SP2
C. WinAC RTX 2008 SP1
D. Simatic Net 2008
E. Step7 5.4 SP4
F. 软冗余软件包 V1.2
G. CP5611
H. 板载以太网卡
兼容PC配置 ：
A. 计算机名：chnd
B. WinXP SP2
C. WinAC RTX 2008 SP1
D. Simatic Net 2008
E. 板载以太网卡
F. CP5613
ET200M从站：
A. 6ES7-153-2BA02-0XB0
B. BM IM153/IM153 (6ES7-195-7HD10-0XA0)
C. BM 2X40(6ES7-195-7HB00-0XA0)
D. 8DI/DO SM374 (6ES7-374-2XH01-0AA0)
关于软冗余原理和ET200M更多信息请参考：下载中心A0039 文档《软冗余的原理、调试和例程》，不再复述，本文档只关注用WinAC RTX实现软冗余的过程。
二．组态步骤：
1. 建立项目
使用PC840 为编程设备，打开Simatic Manager，插入两个PC station，分别是CHN840 和chnd，并在组态计算机上设置“PG/PC interface”, S7ONLINE(STEP7)指向“PC internal（local）”。
2. 硬件组态
分别组态两个站的硬件配置：
从硬件目录中分别找到“SIMATIC PC Station”->“Controller”->“ WinLC RTX”->“6ES7 611-4SB00-0YB7”->“V4.4” “V4.4”目录下找到“CP5611/CP5612”和 “CP Industrial Ethernet”->“IE General”，插入PC机架，如下图：
注：V4.4版本的WinLC RTX需要单独安装
CP5611地址为2，为其添加主站系统，并插入ET200M站（6ES7-153-2BA02-0XB0）和IO模块。
两个PC站做相似的硬件配置，此例中：
两个PC站的Profibus站址都为2，ET200M站的站址为5；
在两个PC站的硬件组态中该ET200M站都要存在，并且组态参数相同；
两个PC站的IE General的IP地址分别为192.168.10.222和192.168.10.12，并将它们接入相同的子网（Ethernet1）。
3. 建立连接
进入 NetPro, 为两个PC Station建立S7 连接：
右键点击选中其中一个站的WinLC RTX，在弹出菜单中选择“Insert New Connection”
在弹出对话框中选择通讯伙伴，并选择连接类型为：“S7 connection”。
点击OK确认。弹出S7连接属性对话框，确认连接接口和 Local ID号。该ID号在程序中会使用到。
点击OK确认，退出。
西门子6ES73146BH040AB0
保存编译。通过菜单View -> With DP-Slaves/IO Devices，可以查看系统的网络结构图：
4. 编写软冗余程序
在两个PC Station中添加冗余程序块：
在Step7中打开Soft Redundancy V1.2的例子程序：“SWR_400_MIN”，或从函数库中找到功能块：FB101,FB105,FC100,FC102，拷贝到Step7 项目中。
FC100 “SWR_START”：初始化程序块，定义系统运行的参数；
FB101“SWR_ZYK”：循环调用同步块，将主系统的冗余数据复制到备用系统；
FC102“SWR_DIAG”：诊断功能块，在OB86中调用，将得到的诊断数据提供给FB101使用；
FB105“SWR_SFBCOM”：在该块内部调用SFB12“BSEND”和SFB13“BRCV”功能块，实现数据同步。
分别在两台PC中插入OB100，其中调用冗余初始化程序：
上图中，分别显示了两台PC中各自OB100调用FC100的参数分配情况。关于FC100参数的说明请参考下表：
分别在两台PC中的OB35中实现冗余数据同步：
添加相应的故障处理块：OB80, OB82,OB83,OB85,OB86,OB122等。在OB86中调用FC102“SWR_DIAG”
S7--200提供了三种方式的开环运动控制：
? 脉宽调制（PWM）--内置于S7--200，用于速度、位置或占空比控制。
? 脉冲串输出（PTO）--内置于S7--200，用于速度和位置控制。
? EM253位控模块--用于速度和位置控制的附加模块。
S7—200的内置脉冲串输出提供了两个数字输出通道（Q0.0和Q0.1），该数字输出可以通过位控向导组态为PWM或PTO的输出。
当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。内置PTO功能仅提供了脉冲串输出。您的应用程序必须通过PLC内置I/O或扩展模块提供方向和限位控制。
PTO按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波（占空比50％），如图1。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串（使用脉冲包络）。可以脉冲数和周期（以微秒或毫秒为增加量）:
? 脉冲个数： 1到4,294,967,295
? 周期： 10μs(100K)到65535μs或者2ms到65535ms。
图1
200系列的PLC的大脉冲输出频率除 CPU224XP 以外均为20kHz。CPU224XP可达100kHz。如表1所示：
表1
2 MAP库的应用
2.1 MAP库的基本描述
现在，200系列 PLC 本体 PTO 提供了应用库MAP SERV Q0.0 和 MAP SERV Q0.1，分别用于 Q0.0 和 Q0.1 的脉冲串输出。如图2所示：
图2
注： 这两个库可同时应用于同一项目。
各个块的功能如表2所示：
| 块 | 功能 |
| Q0_x_CTRL | 参数定义和控制 |
| Q0_x_MoveRelative | 执行一次相对位移运动 |
| Q0_x_MoveAbsolute | 执行一次位移运动 |
| Q0_x_MoveVelocity | 按预设的速度运动 |
| Q0_x_Home | 寻找参考点位置 |
| Q0_x_Stop | 停止运动 |
| Q0_x_LoadPos | 重新装载当前位置 |
| Scale_EU_Pulse | 将距离值转化为脉冲数 |
| Scale_Pulse_EU | 将脉冲数转化为距离值 |
表2
总体描述
该功能块可驱动线性轴。
为了很好的应用该库，需要在运动轨迹上添加三个限位开关，如图3：
? 一个参考点接近开关（home），用于定义位置 C_Pos 的零点。
? 两个边界限位开关，一个是正向限位开关(Fwd_Limit)，一个是反向限位开关(Rev_Limit)。
? 位置? C_Pos 的计数值格式为 DINT ，所以其计数范围为(-2.147.483.648 to +2.147.483.647). ?
? 如果一个限位开关被运动物件触碰，则该运动物件会减速停止，因此，限位开关的安置位置应当留出足够的裕量?ΔSmin 以避免物件滑出轨道尽头。
图3
2.2 输入输出点定义
应用MAP库时，一些输入输出点的功能被预先定义，如表3所示：
| 名称 | MAP SERV Q0.0 | MAP SERV Q0.1 |
| 脉冲输出 | Q0.0 | Q0.1 |
| 方向输出 | Q0.2 | Q0.3 |
| 参考点输入 | I0.0 | I0.1 |
| 所用的高速计数器 | HC0 | HC3 |
| 高速计数器预置值 | SMD 42 | SMD 142 |
| 手动速度 | SMD 172 | SMD 182 |
表3
2.3 MAP库的背景数据块
为了可以使用该库，必须为该库分配 68 BYTE（每个库）的全局变量，如图4所示：
图4
下表是使用该库时所用到的重要的一些变量（以相对地址表示），如表4：
| 符号名 | 相对地址 | 注释 |
| Disable_Auto_Stop | +V0.0 | 默认值=0意味着当运动物件已经到达预设地点时，即使尚未减速到Velocity_SS，依然停止运动； =1时则减速至Velocity_SS时才停止 |
| Dir_Active_Low | +V0.1 | 方向定义，默认值 0 = 方向输出为1时表示正向。 |
| Final_Dir | +V0.2 | 寻找参考点过程中的后方向 |
| Tune_Factor | +VD1 | 调整因子（默认值=0） |
| Ramp_Time | +VD5 | Ramp time = accel_dec_time（加减速时间） |
| Max_Speed_DI | +VD9 | 大输出频率 = Velocity_Max |
| SS_Speed_DI | +VD13 | 小输出频率 = Velocity_SS |
| Homing_State | +VB18 | 寻找参考点过程的状态 |
| Homing_Slow_Spd | +VD19 | 寻找参考点时的低速(默认值 = Velocity_SS) |
| Homing_Fast_Spd | +VD23 | 寻找参考点时的高速(默认值 = Velocity_Max/2) |
| Fwd_Limit | +V27.1 | 正向限位开关 |
| Rev_Limit | +V27.2 | 反向限位开关 |
| Homing_Active | +V27.3 | 寻找参考点激活 |
| C_Dir | +V27.4 | 当前方向 |
| Homing_Limit_Chk | +V27.5 | 限位开关标志 |
| Dec_Stop_Flag | +V27.6 | 开始减速 |
| PTO0_LDPOS_Error | +VB28 | 使用Q0_x_LoadPos时的故障信息(16#00 = 无故障, 16#FF = 故障) |
| Target_Location | +VD29 | 目标位置 |
| Deceleration_factor | +VD33 | 减速因子 =(Velocity_SS – Velocity_Max) / |
| accel_dec_time (格式: REAL) | ||
| SS_Speed_real | +VD37 | 小速度 = Velocity_SS (格式: REAL) |
| Est_Stopping_Dist | +VD41 | 计算出的减速距离 (格式: DINT) |
表4
2.4 功能块介绍
下面逐一介绍该库中所应用到的程序块。这些程序块全部基于PLC-200 的内置PTO输出，完成运动控制的功能。此外，脉冲数将通过的高速计数器 HSC 计量。通过 HSC 中断计算并触发减速的起始点。
2.4.1 Q0_x_CTRL
该块用于传递全局参数，每个扫描周期都需要被调用。功能块如图5，功能描述见表5。
图5
| 参数 | 类型 | 格式 | 单位 | 意义 |
| Velocity_SS | IN | DINT | Pulse/sec. | 启动/停止频率，必须是大于零的数 |
| Velocity_Max | IN | DINT | Pulse/sec. | 大频率 |
| accel_dec_time | IN | REAL | sec. | 大加减速时间 |
| Fwd_Limit | IN | BOOL | 正向限位开关 | |
| Rev_Limit | IN | BOOL | 反向限位开关 | |
| C_Pos | OUT | DINT | Pulse | 当前位置 |
表5
Velocity_SS 是小脉冲频率，是加速过程的起点和减速过程的终点。
Velocity_Max 是大小脉冲频率，受限于电机大频率和PLC的大输出频率。
在程序中若输入超出（Velocity_SS，Velocity_Max）范围的脉冲频率，将会被Velocity_SS 或 Velocity_Max 所取代。
accel_dec_time 是由 Velocity_SS 加速到 Velocity_Max 所用的时间（或由Velocity_Max 减速到 Velocity_SS 所用的时间，两者相等），范围被规定为 0.02 ~ 32.0 秒，但好不要小于0.5秒。
警告：超出 accel_dec_time 范围的值还是可以被写入块中，但是会导致定位过程出错！
2.4.2 Scale_EU_Pulse
该块用于将一个位置量转化为一个脉冲量，因此它可用于将一段位移转化为脉冲数，或将一个速度转化为脉冲频率。功能块如图6，功能描述见表6。
图6
| 参数 | 类型 | 格式 | 单位 | 意义 |
| Input | IN | REAL | mm or mm/s | 欲转换的位移或速度 |
| Pulses | IN | DINT | Pulse /revol. | 电机转一圈所需要的脉冲数 |
| E_Units | IN | REAL | mm /revol. | 电机转一圈所产生的位移 |
| Output | OUT | DINT | Pulse or pulse/s | 转换后的脉冲数或脉冲频率 |
表6
下面是该功能块的计算公式：
2.4.3 Scale_ Pulse_EU
该块用于将一个脉冲量转化为一个位置量，因此它可用于将一段脉冲数转化为位移，或将一个脉冲频率转化为速度。功能块如图7，功能描述见表7。
图7
| 参数 | 类型 | 格式 | 单位 | 意义 |
| Input | IN | REAL | Pulse or pulse/s | 欲转换的脉冲数或脉冲频率 |
| Pulses | IN | DINT | Pulse /revol. | 电机转一圈所需要的脉冲数 |
| E_Units | IN | REAL | mm /revol. | 电机转一圈所产生的位移 |
| Output | OUT | DINT | mm or mm/s | 转换后的位移或速度 |
表7
下面是该功能块的计算公式：
2.4.4 Q0_x_Home
功能块如图8，功能描述见表8。
图8
| 参数 | 类型 | 格式 | 单位 | 意义 |
| EXECUTE | IN | BOOL | 寻找参考点的执行位 | |
| Position | IN | DINT | Pulse | 参考点的位移 |
| Start_Dir | IN | BOOL | 寻找参考点的起始方向 | |
| （0=反向，1=正向） | ||||
| Done | OUT | BOOL | 完成位（1=完成） | |
| Error | OUT | BOOL | 故障位（1=故障） |
表8
该功能块用于寻找参考点，在寻找过程的起始，电机首先以 Start_Dir 的方向，Homing_Fast_Spd 的速度开始寻找；在碰到limit switch (“Fwd_Limit” or “Rev_Limit”)后，减速至停止，然后开始相反方向的寻找；当碰到参考点开关(input I0.0; with
Q0_1_Home: I0.1)的上升沿时，开始减速到 “Homing_Slow_Spd”。如果此时的方向与 “Final_Dir” 相同，则在碰到参考点开关下降沿时停止运动，并且将计数器HC0的计数值设为 “Position” 中所定义的值。
如果当前方向与 “Final_Dir” 不同，则必然要改变运动方向，这样就可以保证参考点始终在参考点开关的同一侧（具体是那一侧取决于 “Final_Dir”）。
西门子6ES73146BH040AB0
