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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6ES73152EH140AB0
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”
如何快速响应市场变化的需求，如何早于竞争对手将新产品推向市场，如何增加工厂的灵活性和透明度，如何节约成本、降低能耗，一直以来，都是企业孜孜不倦追求的目标。这些任务看似艰巨，但并非是不能够完成。简而言之，这些目标都可以通过西门子产品、解决方案、服务及我们在各行业的专业技术来实现。“工欲善其事，必先利其器”，西门子产品毫无疑问是工业用户的优秀选择。在抚顺石化“千万吨炼油，百万吨乙烯”项目中，西门子以其DCS/SIS的一体化无缝集成解决方案和性能优良的自动化仪表为项目的顺利运行提供了坚实的基础。
“千万吨炼油，百万吨乙烯”项目
"千万吨炼油，百万吨乙烯”项目是一个特大型炼油化工一体化项目，项目集中原油加工、炼油结构调整技术改造工程、100万吨/年乙烯技术改造工程、热电厂“以大代小”扩能改造工程及配套项目、石油一厂新区和化塑厂搬迁工程，是分别立项又相互联系的炼油和化工综合项目。该项目生产流程长、工艺复杂，又有大量易燃、易爆危险装置，安全要求极高，对肩负全厂生产重任的控制系统的性能也提出了更高的要求。控制系统和仪表不仅要采用新的技术、确保安全可靠，而且需要满足石油化工特殊工艺过程的技术要求，除基本的过程控制和检测外，还要建立全厂实时数据库，为厂级计算机信息管理和生产调度建立基础。
图1：中国石油抚顺石化公司项目装置
过程控制与安全控制的融合
面对项目提出的巨大挑战，西门子利用自己在自动化领域的优势，依靠具有丰富经验的团队，为抚顺石化的炼化和化工项目提供了节能降耗、灵活耐用，便捷高效的自动化系统和仪表。在控制系统方面，抚顺石化采用西门子SIMATIC PCS 7作为全厂DCS系统，并与S7-400FH系统联合使用，构成DCS/SIS的一体化无缝集成解决方案。
表：自动控制系统概况
为了确保生产装置的人员和设备安全、保证装置在事故情况下的安全联锁和紧急停车，避免灾难性事故的发生，项目采用SIS系统对重要装置进行保护，并与DCS系统一体化集成。西门子的SIS系统选用具有冗余容错性的SIMATIC S7-400FH控制器，内置完全冗余设计及自诊断功能，能对内部及外部的故障进行快速而有效的诊断，通过不同的模块冗余（FMR）方式，对现场仪表和执行装置进行单模块、双模块和三重化模块配置，完成IEC61511安全规范规定中的安全仪表功能。这样SIMATIC PCS 7与S7-400FH系统将基本过程控制系统与安全仪表系统完全整合在一起，这样既可以减少投资，又可简化系统设计、开发与维护工作，且能更好地满足国际安全标准规定的等级要求。
上位机系统采用客户机/服务器结构，其中客户机用于对现场控制设备的监视和操作，服务器可完成生产过程的数据记录与归档。操作员站、工程师站和自动化系统站与控制系统之间采用西门子SIMATIC NET冗余光纤环网作为通讯网络，通信速率高达1Gbps，有效保证了海量数据高速传输的需求，在环型网络的某一个节点出现故障时，环形网络会在0.3秒内重建通讯通道。
西门子公司提供的高可靠性并且灵活易用的控制系统已经帮助抚顺石化的常减压蒸馏、延迟焦化等装置陆续投入生产，产品收率、质量均达到设计值，确保工厂可靠、稳定运行。
过程仪表遍布生产流程
控制系统犹如工厂中的“神经中枢”，管理着生产过程中的每一个环节。而过程中配备的每一个自动化过程仪表，担负着数据采集等工作。自动化过程仪表遍布在生产过程中，就好比是生产过程中的“手足”。自动化过程仪表的性能优劣对生产过程具有决定性的影响。好的过程仪表，将为企业带来更多的收获与惊喜。
项目总共使用了SIPART PS2智能电气阀门定位器4000台，此外还使用了全集成过程仪表，包括温度变送器模块SITRANS TH300，雷达物位计SITRANS LR460，音叉物位开关SITRANS LVS200和音叉液位开关SITRANS LVL200，超声波流量计SITRANS FUS。这些过程仪表在变温控温、流量监测、过程控制中扮演者不可替代的角色，为企业节约了成本，降低了能耗，实现了项目运行轻松无忧。
以自动化过程仪表中广泛使用的阀门定位器为例。在“千万吨炼油，百万吨乙烯”项目中，使用的阀门有数千个，而每一个阀门都要安装与之配套的阀门定位器。由于阀门定位器以仪表空气为动力源，在使用过程中消耗大量的仪表空气。数千阀门定位器的仪表空气消耗对于企业来说是一笔不小的开支。因此，抚顺石化方面希望使用的阀门定位器，在保证设备运行稳定、可靠的同时，具有良好的节能减排的性能，大限度的节约成本。
作为在智能阀门定位器市场占有主导地位的自动化过程仪表供应商，西门子的SIPART PS2智能电气阀门定位器正是为实现该目的，量身定做的自动化过程仪表。
图2：项目中使用的SIPART PS2智能电气阀门定位器
SIPART PS2阀门定位器是由西门子公司开发研制的智能阀门定位器，在节能方面具有良好的口碑。SIPART PS2阀门定位器与传统的电气阀门定位器相比，是一款可以实现节能减排的自动化过程仪表，并且具有性能可靠、操作便捷等优势。传统的阀门定位器采用喷嘴--挡板结构，在稳态时，喷嘴挡板结构中的喷嘴仍然在排气状态，会消耗大量的仪表空气；而西门子SIPART PS2阀门定位器采用压电阀结构，在稳态时，关闭压电阀，其仪表空气的消耗量基本为零。这一技术将使得作为阀门定位器动力源的仪表空气的消耗大大减少，从根本上解决了仪表空气能耗的问题，实现了企业提出的节约成本的目标。
西门子SIPART PS2智能电气阀门定位器可以对阀门进行预防性维护，通过检测阀门各项参数并实时提供数据，通过自动控制系统的处理器进行数据处理后，报告阀门工作状态，工作人员根据处理后的数据可以对阀门工作是否正常做出判断，以实现对阀门的预防性维护，大大减少了不必要的定期维护，为企业节约了人力物力，降低了成本。
图3：西门子SIPART PS2三级报警状态监测
根据统计，西门子的SIPART PS2智能电气阀门定位器在仪表空气支出这一项可以为抚顺炼油和化工项目节约400多万元，节能率超过了95%，圆满的解决了抚顺石化的节能问题。
一体化过程控制系统助企业腾飞
随着全球能源成本的不断提升，越来越多的企业把目光投向了自动化控制系统，利用先进的过程集成技术来实现优化管理，降低运营成本。在抚顺石化“千万吨炼油，百万吨乙烯”项目中，一方面，大型项目的高效运行离不开自动化控制系统；另一方面，企业希望通过在集成自动化方面的投入，实现节约项目整体运行成本的目的。在双方的通力打造之下，使得这一联合炼油厂成为世界上采用 SIMATIC PCS 7 作为主自动化系统的大型集成式炼油及乙烯工厂。
西门子以其独有的自动化理念，形成完整解决方案，并且配备以高效稳定、节能降耗的自动化过程仪表，从整体性角度解决用户的系统性问题。可以说通过西门子控制系统，被集成的不仅仅是兼具模块化和扩展性的执行器、传感器和控制器等产品，还包括从工业流程、工程组态到生产线运行的集成，以及企业中所有自动化组件的无缝协同，必将成为企业的优秀选择。
