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如何实现 Multi Panel（多功能面板）和 S7-300软冗余系统的工业以太网通讯

1 简介
软件冗余是低成本的冗余解决方案，适用于对切换时间要求不是很高的场合，主备切换
时间为秒级的控制系统。软冗余系统为两个站，一个为主站，一个为备用站；主备站的数据通讯链路为标准西门子通讯协议 (MPI/Profibus/Ethernet)；冗余范围内的I/O模板需通过Profibus-DP网络连接到ET200M从站上；西门子的软件冗余 可以在S7-300或S7-400的标准系统中实现，只需调用软冗余软件包中的程序块。
西门子的多功能面板支持和软冗余CPU通讯，系统架构如图1所示，并且当某个CPU
连接中断，面板可以自动切换连接到另一个CPU；如果两个CPU主备切换，面板可以切换到主CPU。

图1

本文描述的是用WinCC flexible组态的多功能面板通过脚本的方式实现切换连接的方
法；本文只描述面板和CPU的集成PN口之间通过工业以太网通讯，面板和CPU之间通过其他通讯方式（如MPI/Profibus）连接也可以参考本文。

本文所使用的硬件和软件如下：
(A) S7-300 soft redundancy
CPU 315-2PN/DP (6ES7315-2EH13-0AB0, Firmware V2.5)
CPU 317F-2PN/DP (6ES7317-2FK14-0AB0, Firmware V3.2)
CP342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0, Firmware V5.0)
IM153-2 (6ES7153-2BA02-0XB0)
(B) Panel
MP377 12”Touch (6AV6 644-0AA01-2AX0)
(C) Software
WinCC flexible 2008 SP3
Step7 V5.5 SP2+HF1

此方法只适用于支持三个以上连接，支持脚本及ChangeConnection函数的面板，如
TP/OP270、TP/OP277、MP270、MP277、MP370、MP377等。

本文不介绍软件冗余的原理及组态方法，详细可以参考：
《SIEMENS PLC系统软件冗余的说明与实现》
下载中心文档编号：A0039
78604454

2 组态Multi Panel和S7-300软冗余系统的通讯

2.1 CPU组态
A站：315-2PN/DP+IM153-2
B站：317F-2PN/DP+IM153-2
AB站之间通过CP342-5建立连接，实现冗余数据同步。

2.1.1 Step7中的硬件组态
A站：在Step7中组态315-2PN/DP，在DP总线上添加IM153-2，如图2所示。

图2

在CPU的属性中选择Clock Memory，设置Memory byte为MB0，如图3所示。

图3

B站：在Step7中组态317F-2PN/DP，在DP总线上添加IM153-2，如图4所示。

图4

在CPU的属性中选择Clock Memory，设置Memory byte为MB0，如图5所示。

图5

2.1.2 Step7中的网络组态
A站和B站之间通过CP342-5建立FDL连接，此连接为AB站之间的数据链路通道，打开Netpro界面，新建一个FDL连接，如图6所示。

图6

2.1.3 Step7中的CPU编程
说明：本文描述的编程只涉及实现软冗余功能的部分，其他功能的实现不予介绍。
A站：OB100中调用FC100，实现初始化，如图7所示。

图7

OB35中调用FB101，必须在执行冗余用户程序的前/后分别调用FB101，如图8所示，而FB101内部调用了FB104、FC5、FC6，必须装载这三个块。

图8

OB86中调用FC102，当DP总线有故障时CPU可以实现主备切换，如图9所示。

图9

B站：OB100中调用FC100，实现初始化，如图10所示。

图10

OB35和OB86中的编程和A站相同。
组态好的项目分别下载到CPUA和CPUB中，做好硬件接线。

2.2 在WinCC flexible中组态Multi Panel
在Step7中插入一个Simatic HMI station，选择设备类型为MP377 12” Touch，如图
11所示。
（说明：本文描述的是在Step7中集成组态MP377的项目，这不是必须的，也可以分开
组态，即单独组态CPU和MP377。）

图11

2.2.1 组态连接
在项目中组态三个连接，分别对应A站、B站和实际连接。
Conn_A对应A站，CPU的参数是A站的参数，如图12所示。

图12

Conn_B对应B站，CPU的参数是B站的参数，如图13所示。

图13

建立Conn_real用于创建过程变量，通信驱动程序选择“SIMATIC S7 300/400”，PLC
的地址参数默认设置为192.168.0.2，扩展插槽是2，机架号是0。切换连接的脚本会根据切换条件给conn_real分配不同的参数。

2.2.2 组态变量
在Conn_A下建立变量，如图14所示。其中trigger_PLCA的地址是M0.4，采集模式是
“循环连续”，采集周期是500ms。

图14

在Conn_B下建立变量，如图15所示。其中trigger_PLCB的地址是M0.4，采集模式是
“循环连续”，采集周期是500ms。

图15

项目中的其他变量如图16所示，test1~test5是测试变量，用于测试conn_real的连接状
态。

图16

2.2.3 切换连接的脚本逻辑解释
在变量trigger_PLCA的“事件—更改数值”中添加脚本connection_PLCA，实现切换连
接到conn_A，如图17。脚本逻辑参见下文。

图17

在变量trigger_PLCB的“事件—更改数值”中添加脚本connection_PLCB，实现切换连
接到conn_B，如图18。脚本逻辑参见下文。

图18

在项目树下面的“设备设置—调度器”中建立一个作业，每分钟执行一次，在函数列表
中添加脚本connection_lost，用于检测是否和两个CPU的连接都中断，如果都中断，提示“connection lost”，如图19所示。

图19

本文附件中包含三个脚本文件。在项目树的“脚本”下添加脚本“connection_PLCA”,
将附件中的connection_PLCA.txt文件内容拷贝到connection_PLCA中，注意ChangeConnection的参数必须和conn_A的参数*，如图20所示。

图20

继续添加脚本“connection_PLCB”，将附件中的connection_PLCB.txt文件内容拷贝
到connection_PLCB中，注意ChangeConnection的参数必须和conn_B的参数*，如图21所示。

图21

继续添加脚本“connection_lost”，将附件中的connection_lost.txt文件内容拷贝到
connection_lost中，如图22所示。

图22

以connection_PLCA为例解释脚本逻辑。
(1) 触发变量trigger_PLCA的地址M0.4，每0.8秒0/1变化一次，如果面板和CPU连接正常，能一直检测到变量数值变化，即能触发connection_PLCA动作；
(2) 初始化。给”connected_to”变量赋值"Conn_A, 192.168.0.2"；
(3) 给A站的连接状态值"conn_state_PLCA"复位为1，表明连接正常；
(4) 判断B的连接状态值"conn_state_PLCB"，如小于10则加1，如果检测到B站断开，则B的连接状态值会加到11；
(5) 切换连接。给出切换条件：
(A) 如果B的连接状态值>=11，说明B站断开；
(B) 如果B的连接状态值<=5，即连接正常，但同时读A站的软冗余状态字SwitchPLCA和B站的软冗余状态字SwitchPLCB，如果A状态字=5同时B状态字=10，说明A为主B为备；
(C) 如果B的连接状态值<=5，即连接正常，但A站的软冗余状态字SwitchPLCA=0h25（十进制37），B站的软冗余状态字SwitchPLCB=9，说明A运行而B停机。
以上三个条件只要满足一个，就可以切换连接到CPUA，因此三个条件做“或”运算。
CPU状态与状态字变量SwitchPLCA（DB5.DBB9）和SwitchPLCB（DB5.DBB9）的对

应关系请参考表1。

表1

连接状态变量conn_state_PLCA/B的值和连接的对应关系如表2。

表2

(6) 如果检测到无连接的状态，则切换到A站。
脚本connection_PLCB的逻辑和connection_PLCA基本相同，只是在第⑤步的切换条
件上不同，具体如下。
(A) 如果A的连接状态值>=11，说明A站断开；
(B) 如果A的连接状态值<=5，即连接正常，但同时读A站的软冗余状态字SwitchPLCA和B站的软冗余状态字SwitchPLCB，如果A状态字=6同时B状态字=9，说明B为主A为备；
(C) 如果A的连接状态值<=5，即连接正常，但A站的软冗余状态字SwitchPLCA=5，B站的软冗余状态字SwitchPLCB=0h29（十进制41），说明B运行而A停机。
以上三个条件只要满足一个，即切换连接到CPUB。
脚本connection_lost的逻辑如下。
(1)每分钟读一次两个连接的状态变量，如果连接正常，将连接变量conn_state_PLCA/B设为5；
(2)如果读到连接状态变量的值大于等于5，则设为100，表明连接无效；
(3)如果两个连接的状态变量值均为100，说明两个连接都无效，显示“connection lost”。

2.2.4组态画面
组态一个画面，如图23所示。其中current connection后面的IO域连接的是
“connected_to”变量，显示当前conn_real连接的是哪个CPU；plc A/B connection status后面的IO域连接的是“conn_state_PLCA/B”变量，显示两个CPU的连接状态变量；trigger_PLCA/B后面的IO 域连接的是“trigger_PLCA/B”变量；test1~test5后面的IO域连接的是“test1~test5”变量，是测试变量； Status of PLC A/B后面的IO域连接的是“StatusOfPLCA/B(DB5.DBW8)”变量，用于显示两个CPU的状态信息。

图23

2.3 项目下载测试
组态后的项目编译下载到MP377中，在MP377和两个CPU之间连好网线，做如下调
试。
(1)上电初始化，A为主站、run，B为备站、run，变量trigger_PLCA/B都在0/1变化，
MP377默认和A站连接，如图24所示。

图24

(2) 手动停止CPUA，A站为stop状态，B站为主、run。Conn_A无效，变量
trigger_PLCA无效，连接变量conn_state_PLCA为100，连接conn_real切换到CPUB，如图25所示。

图25

(3) 再次启动A站，A为备、run，B为主、run。Conn_A恢复，trigger_PLCA/B都在
0/1变化，conn_real保持和CPUB连接，如图26所示。

图26

(4) 拔掉B和屏之间的网线，conn_B断开，trigger_PLCB无值，conn_real切换到和
CPUA连接，如图27所示。

图27

(5) 再拔掉A和屏之间的网线，两个连接都无效，因此屏上显示“connection lost”，
conn_real连接中断，如图28所示。

图28

(6) 连上A站和B站与屏之间的网线，conn_A和conn_B均恢复，trigger_PLCA/B都在
0/1变化，conn_real和CPUB连接，因为B为主、Run，A为备、Run，如图29所示。

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