湖南嘉普云自动化设备有限公司

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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。

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：

西门子6ES79538LL310AA0

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”

1．应用概述
SIMOTION通信函数_xsend与_xreceive适合SIMOTION之间通过MPI－MPI接口、PROFIBUS-PROFIBUS间的数据交换，通信数据大为200个字节，SIMOTION也可以通过调用通信函数_xsend与_xreceive实现与S7-300/400 PLC（在PLC中调用SFC65 X_SEND与SFC66 X-REV）MPI接口间的数据交换，由于受到PLC通信区的限制，大通信数据为64个字节。

2．MPI与PROFIBUS网络介绍
MPI是S7-300/400，SIMOTION的编程接口，对通信数据及实时性要求不高的应用可以利用编程接口进行通信， MPI的通信速率为19.2K～12Mbit/s, 只有可以设置为PROFIBUS接口的MPI口才支持12M的通信速率，例如S7-300中CPU318-2DP及所有的S7-400CPU 、SIMOTION MPI口都可以设定为PROFIBUS接口，所以它们的MPI接口通信速率都可以设置为12M。MPI接口通信速率缺省设置为187.5Kbit/s，无中继情况下大通信通讯距离为50米，通过中继器可以扩展网络长度，扩展的方式有两种，*种，两个站点中间没有其它站，如图1

图1：MPI网络扩展

控制器站点到中继器长为50米，两个中继器之间的距离为1000米，多可以增加10个，所以两个站点之间的长距离为9100米。
第二种，如果在两个中继器中间有MPI站点，那么每个中继器只能扩展50米，在组态时要考虑这两种连接方式。
MPI接口为RS485接口，连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻，如果用其它电缆和接头不能保证通信距离。在MPI网络上多可以有32个站，中继器，WINCC站，操作面板OP/TP也要算一个站点。MPI的站号及通讯速率可以在STEP7或SCOUT硬件组态时修改，下载组态信息到CPU后，站号及通讯速率将改变。
PROFIBUS总线符合EIA RS485[8]标准，PROFIBUS RS485 的传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。传输介质可以是光缆或屏蔽双绞线，电气传输时，每一个RS485传输段为32个站点包括有源网络元件(RS485中间器，OLM等)，在总线的两端为终端电阻，结构如图2：

图2：PROFIBUS网络结构

西门子总线终端一般都配有终端电阻，PROFIBUS使用9针D型连接器，D型连接器插座连接总线站，D型连接器插头与总线电缆相连。总线终端和针脚定义如表1：

表1 总线终端管脚定义

PROFIBUS总线的传输速率为9.6Kbit/s ～12Mbit/s，总线长度与传输速率相关，总的规律是传输速率越高总线长度越短，越容易受到电磁干扰，基于传输速率的大网段长度参考表2：

表2 传输速率与通信长度

总线终端的电阻与PROFIBUS总线相匹配，并配有轴向电感以消除电容性负载而引起的导线反射，选择普通的屏蔽双绞线不能保证总线的段长度。
如果需要扩展总线的长度或者PROFIBUS从站数大于32个时，就要加入RS485中继器，例如，PROFIBUS的长度为500米，而波特率要求达到1.5MBIT/S，对照表2波特率为1.5MBIT/S使大的长度为200米，要扩展到500米，就需要加入两个RS485中继器，拓扑图如图3所示：

图3：PROFIBUS网络扩展

西门子RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条PROFIBUS总线上多可以安装9个RS485中继器，其它厂商的产品要查看其产品规范以确定安装个数。
一个PROFIBUS网段多可有32个站点，如果一条PROFIBUS网上超过32个站点，也需要用RS485中继器隔开，例如一条PROFIBUS总线上有80个站点，那么就需要两个RS485中继器分成3个网段。RS485中继器是一个有源的网络元件，本身也要算一个站点。除了以上两个功能，RS485中继器的还可以使网段之间相互隔离。

3．网络设置
下面以SIMOTION D435与S7-300 PLC 通过MPI网络通信为例介绍通信函数_xsend与_xreceive的使用。首先打开SCOUT软件插入D435，点击D435使用右键进入硬件配置界面如图4所示：

图4：SIMOTION MPI接口设置

双击X136接口（只有X136接口可以设置为MPI接口），将该接口设置为MPI接口，选择MPI站地址，如图5所示：

图5： MPI接口参数配置

注意MPI站地址与通信方的站地址不能冲突，同样在STEP7中设置S7-300 PLC的站地址，本例中SIMOTION的MPI地址为2，PLC的站地址为4。

4．编程

4.1 SIMOTION侧编程
在D435中的“PROGRAM”中插入编程单元“LAD/FBD UNIT”，如MPI，在“UNIT”中插入程序如“SEND”和“RECEIVE”编写发送和接收程序如图6所示，也可以将通信程序编写在同一个程序中。

图6： SIMOTION 程序的创建

本例中在“SEND”程序中编写发送程序，在“RECEIVE”程序中编写接收程序，发送和接收函数可以在函数库中的位置如图7所示：

图7： 函数块的位置

? 调用_xsend函数
在程序SEND中调用_xsend函数发送数据，与PLC编写方式相似，将发送函数_xsend拖曳到LAD网络中，如图8所示：

图8： _xsend函数块

给所有的参数赋值，变量可以任意定义，如“COMMODE”变量，键入后选择变量类型如图9所示：

图9： 配置参数类型

数据类型自动定义，在变量类型中选择变量存储的类型，如全局变量或区域变量，如图9中变量类型只能在一个“UNIT”中使用，如果需要在其它“UNIT”或HMI中使用，将在“INTERFACE”中创建变量。
_xsend函数参数含义如下：

COMMUNICATIONMODE:
枚举数据类型，元素中包括“ABORT_CONNECTION ”和“HOLD_CONNECTION”，
“ABORT_CONNECTION ”：通信完成之后释放连接资源。
“HOLD_CONNECTION”：通信完成之后占用连接资源。
枚举类型变量的赋值可以使用MOVE指令，如图10所示：

图10： 参数赋值

ADDRESS:
结构体数据类型，结构体元素参考表3：

表3 _xsend函数ADRESS参数结构体数据

deviceId：使用的接口，1表示D435 X126接口，2表示D435 X136接口，本例中选择2。
remoteSubnetIdLength：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0，设置为0。

remoteStaddrLength：MPI、PROFIBUS通信设置为1。

nextStaddrLength：预留参数，MPI通信中无意义，，缺省为0，设置为0。

remoteSubnetId：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0。

remoteStaddr：数组类型，在remoteStaddr[0]中赋值通信方的MPI地址，其它元素无意义，本例中S7-300 MPI地址为4，可以使用MOVE（LAD）指令赋值。

nextStaddr：预留参数，MPI通信中无意义，缺省为0。

MESSAGEID:
UDINT数据类型，定义发送报文的标识符，本例中定义为6，在PLC接收块参数REQ_ID可以读出。
NEXTCOMMAND:
枚举数据类型，元素中包括“IMMEDIATELY ”和“WHEN_COMMAND_DONE”，
“IMMEDIATELY”：下一个命令同步执行。
“WHEN_COMMAND_DONE”：命令执行或失败后执行下一个命令，异步执行。
例子程序中使用“WHEN_COMMAND_DONE”。

COMMANDID:
COMMANDID数据类型，可以跟踪命令的状态。

DATA:
数组数据类型，发送数据缓存区，必须为200个字节。

DATALENGTH:
UDINT数据类型，发送数据的长度，本例中发送为10个字节。

OUT:
DINT数据类型，函数调用返回值，包含通信状态。

在程序receive中调用_xreceive函数接收数据，与PLC编写方式相似，将接收函数_xreceive拖曳到LAD网络中，如图11所示：

图11： _xreceive函数块

调用_xreceive函数
函数_xreceive的输入参数MESSAGEID、COMMANDID和NEXTCOMMAND与_xsend函数输入参数意义相同，发送与接收函数的参数MESSAGEID必须相同，本例中_xreceive输入参数定义的数据包标识符为8，与PLC发送块参数REQ_ID定义的标识符必须相同。
_xreceive函数的输出变量 “OUT”为结构体数据类型，元素参考表4：

表4 _xreceive函数OUT参数结构体数据

functionResult：
函数调用的返回值，可以判断接收状态，数据类型为 DINT。
dataLength：
接收数据的长度(字节数)，大长度为200个字节，数据类型为 UDINT。
Data：
数据接收区,大长度为200个字节，在编程中定义的接收区必须大于数据发送区，数据类型为数组。

通信参数赋值完成之后，将整个程序进行编译，如果需要在线监控通信程序，必须在编译程序之前进行配置，如图12所示，点击程序单元，本例中为“MPI”，右键进入属性界面，点击菜单“Compiler”选择“Permit program status”选项，这样经过编译之后，程序可以在线监控。

图12： 配置程序在线监控

通信程序编写和编译完成后，将程序放置到D435的执行系统中调用（程序只有被调用才能执行），如图13所示：

图13： 调用通信程序

本例中将通信程序放置于“BackgroundTask”运行（循环运行）。将整个项目编译后，联机下传通信程序。

4.2 PLC侧编程
调用发送程序块
PLC侧调用SFC65用于数据发送，发送程序参考图14程序：

图14： PLC中调用发送程序

SFC65的参考解释如下，
REQ：
发送请求，为1时发送。
CONT：
相当于SIMOTION发送函数_xsend 参数“COMMUNICATIONMODE”，为0时通信完成之后释放连接资源，为1时通信完成之后占用连接资源。
DEST_ID：
通信方的MPI地址，本例中SIMOTION的MPI地址为2。
REQ_ID：
相当于SIMOTION发送函数_xsend 参数“MESSAGEID”，定义发送报文的标识符，在接收块中除接收到数据外，本例中与函数_xreceive中参数MESSAGEID定义必须相同。
SD ：
发送区，以指针的格式，本例中将DB1中DBB0 以后10个字节作为发送区，大为76个字节。
RET_VAL：
发送块返回值。
BUSY ：
为1时，端口占用，发送中止。
PLC侧调用发送块，在SIMOTION中需要调用函数_xreceive接收。

调用接收程序块
PLC侧调用SFC66用于接收数据，接收程序参考图15程序：

图15： PLC中调用接收程序

SFC65的参考解释如下，
EN_DT：
为1使能接收功能。
RET_VAL ：
接收块返回值。
REQ_ID：
接收数据包的标识符，本例中接收SIMOTION _xsend函数MESSAGEID参数定义的报文的标识符6。在SIMOTION中，接收、发送函数MESSAGEID参数为输
入参数，发送和接收的报文标识符必须提前定义，在PLC中发送块REQ_ID参数为输入参数，接收块REQ_ID参数为输出参数，识别接收数据包的标识符。
NDA ：
接收到新的数据包时产生脉冲信号。
RD：
接收区，本例中接收SIMOTION发送的10个字节，并将接收的数据存储于DB2中DBB0以后的10个字节中。
将PLC中的通信程序编译下传到PLC中，通信建立。

5．状态监控
在SCOUT联机状态中，点击程序单元如“MPI”，然后点击“Symbol browser”标签，可以监控“MPI”程序单元中定义的全局变量，如发送数据区、接收区等。如图16所示：

图16： 监控SIMOTION侧通信变量

在STEP7中打开变量监控表同样可以对数据发送区、接收区进行监控，如图17所示：

图17： 监控PLC侧通信变量

6．示例程序
示例程序参考文档附件程序，名称为Mpitest.rar。（示例程序使用STEP7 V5.4和SCOUT V4.0编写）

西门子6ES79538LL310AA0