6ES7315-7TJ10-0AB0安裝調(diào)試

生產(chǎn)設(shè)備常常要求具有上下,、左右,、前后等正反方向的運動，這就要求電動機能正反向工作，對于交流感應(yīng)電動機,，一般借助接觸器改變定子繞組相序來實現(xiàn),。在該控制線路中，KM1 為正轉(zhuǎn)交流接觸器,，KM2 為反轉(zhuǎn)交流接觸器,，SB1 為停止按鈕、SB2 為正轉(zhuǎn)控制按鈕,，SB3 為反轉(zhuǎn)控制按鈕,。KM1、KM2 常閉觸點相互閉鎖,，當按下SB2 正轉(zhuǎn)按鈕時,，KM1 得電，電機正轉(zhuǎn),；KM1 的常閉觸點斷開反轉(zhuǎn)控制回路,，此時當按下反轉(zhuǎn)按鈕，電機運行方式不變,；若要電機反轉(zhuǎn),，必須按下SB1停止按鈕，正轉(zhuǎn)交流接觸器失電,，電機停止,，然后再按下反轉(zhuǎn)按鈕,，電機反轉(zhuǎn),。若要電機正轉(zhuǎn)，也必須先停下來,，再來改變運行方式,。這樣的控制線路的好處在于避免誤操作等引起的電源短路故障。
PLC 控制電機正反轉(zhuǎn)I/O 分配及硬件接線

1,、接線：按照控制線路的要求,，將正轉(zhuǎn)按紐、反轉(zhuǎn)按紐和停止按紐接入PLC 的輸入端,，將正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器接入PLC 的輸出端,。注意正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制繼電器必須有互鎖,。
2,、編程和下載：在個人計算機運行編程軟件STEP 7 Micro-WIN4.0，首先對電機正反轉(zhuǎn)控制程序的I/O 及存儲器進行分配和符號表的編輯,，然后實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制程序的編制,，并通過編程電纜傳送到PLC 中。在STEP 7 Micro-WIN4.0 中，單擊“查看"視圖中的“符號表",，彈出圖所示窗口,，在符號欄中輸入符號名稱，中英文都可以,，在地址欄中輸入寄存器地址

 在工業(yè)自動化系統(tǒng)中,，為了使系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行，大量選用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器,，甚至在此基礎(chǔ)上組建冗余系統(tǒng)進一步提高系統(tǒng)的可靠性,。冗余的分類方式很多。目前,，采用的PLC冗余方式分為2種,，即軟冗余和硬冗余。西門子公司在這2方面均給出了解決方案,?；赟7-400H的硬冗余的可靠性高，但構(gòu)建系統(tǒng)成本也較高,。而基于S7-300或S7-400的軟冗余是一種綜合考慮提高可靠性和降低成本的折中方案,。目前，軟冗余系統(tǒng)已經(jīng)在污水處理,、冶金,、化工等控制工程中得到了普遍應(yīng)用。但目前對于軟冗余的性能,，仍缺乏系統(tǒng)的研究,。文中首先敘述西門子PLC軟冗余系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，然后重點分析主備切換時間和數(shù)據(jù)同步時間,，以便為類似控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù),。
   6ES7315-7TJ10-0AB0安裝調(diào)試    1、 軟冗余實現(xiàn)原理
   
    典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成案例如圖1所示,。

圖1 典型的PLC軟冗余系統(tǒng)組成

    在系統(tǒng)運行時2個CPU均啟動,，但只有主CPU執(zhí)行控制命令，備用CPU檢測主CPU狀態(tài),，時刻準備接替主CPU繼續(xù)工作,。與主CPU通信的IMl 53—2模塊處于激活狀態(tài)使主CPU能訪問I／0模塊。當系統(tǒng)發(fā)生特定故障時,，系統(tǒng)可以實現(xiàn)主備切換,，備站接替主站繼續(xù)運行。這些故障包括：主機架電源,、背板總線等故障,；CPU故障,；Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)故障；ET200M站的通信接口模塊IMl53故障,。
   
    PLC軟冗余系統(tǒng)要實現(xiàn)軟冗余功能,，需要存程序中調(diào)用冗余軟件包的功能模塊，其主要包括：初始化冗余系統(tǒng)運行參數(shù)的FCl00模塊,；故障診斷,、主備切換的FCl02模塊；發(fā)送／接收數(shù)據(jù)的FBl03模塊,；調(diào)用FBl03進行數(shù)據(jù)同步,、分析系統(tǒng)狀態(tài)的FBl01模塊。帶有冗余功能的程序結(jié)構(gòu)見圖2,。

圖2 帶有冗余功能的程序結(jié)構(gòu)

    在PLC每個循環(huán)執(zhí)行周期中,，主系統(tǒng)先凋用FBl01接收并分析備系統(tǒng)狀態(tài)，然后執(zhí)行冗余程序,，最后再調(diào)用FBl01將需要同步的數(shù)據(jù)發(fā)送到備系統(tǒng),。備系統(tǒng)先調(diào)用FBl01接收并分析主系統(tǒng)狀態(tài)，跳過冗余程序,，然后將備系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送到主系統(tǒng),。需注意的是，實現(xiàn)冗余功能的最重要模塊FBl01執(zhí)行時先分析主備系統(tǒng)狀態(tài),，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)(或接收數(shù)據(jù)),。由于軟件是順序執(zhí)行，將導(dǎo)致接收到對方故障信息后,，對故障處理的滯后,。軟件順序執(zhí)行機制是導(dǎo)致軟冗余切換時間較長的一個重要原因。
   
    2,、主備切換時間分析
   
    主備切換時間是指系統(tǒng)發(fā)生故障到備站接替主站正常丁作所需要的時間,。
   
    2.1 主CPU或電源模塊故障分析
   
    當前2種故障發(fā)生時，ET200M站的主通信接口模塊IMl53與主CPU失去連接,。自動在主備通信接口模塊IM]53之間實現(xiàn)切換。同時備CPU在向主CPU發(fā)送備站狀態(tài)時將檢測到同步線數(shù)據(jù)傳輸錯誤,，繼而主動切換成主CPU,。
   
    如果主CPU故障出現(xiàn)在備CPU調(diào)用FBl01執(zhí)行發(fā)送功能之前，那么接下來備CPU在調(diào)用發(fā)送功能時就能檢測到與主CPU通信連接故障,，并在下一個周期調(diào)用接收功能時備CPU切換成主CPU,。此時主備切換時間t最短。
    
       (1)

    式中t為主備切換時間,；Tcyc為PLC循環(huán)掃描周期,；t（FB101）為冗余功能塊FBl01執(zhí)行時間,。
   
    如果主CPU故障發(fā)生時備CPU剛調(diào)用FB101執(zhí)行完發(fā)送功能，那么備CPU要在下一個周期調(diào)用發(fā)送功能時才能檢測到與主CPU通信連接故障,，并且還要等待調(diào)用接收功能時備CPU切換成主CPU,。此時主備切換時間t最長。

      (2)
   
    2.2 Profibus或ET200M主站故障分析
   
    當后2種故障發(fā)生時,，發(fā)生故障的ET200M從站的備IMl53將檢測到主IMl53故障,，自動將自己切換為主IMl53。主CPU將因為與故障IMl53失去連接而引發(fā)OB86(故障診斷)中斷,，并在中斷中調(diào)用診斷模塊FCl02完成所有從站的切換,，并將自己置為備用。然后,，主CPU將故障信息發(fā)送到備CPU,。備CPU收到故障信息后將自己切換成主CPU。這時的切換時間為

         (3)
   
    式中tR為OB86中斷響應(yīng)時間,，CPU315—2DP為1 ms,；tE為OB86執(zhí)行時問；ts為故障狀態(tài)發(fā)送時間,；tD為數(shù)據(jù)接收完畢到備站切換成主站的時間間隔,。

  因為OB86中只調(diào)用FCl02診斷模塊，所以tE由FCl02的執(zhí)行時間決定,。為分析OB86中調(diào)用FCl02時FCl02的執(zhí)行順序,，對FCl02進行了適當?shù)男薷囊员悴杉瘮?shù)據(jù)。這些修改主要包括：在FCl02的開始加入采集狀態(tài)程序段,；在跳轉(zhuǎn)指令處采集跳轉(zhuǎn)條件,。在手動觸發(fā)一些故障之后，對得到的數(shù)據(jù)進行分析便得到了FCl02的執(zhí)行順序,。在各個代碼段兩端插入讀系統(tǒng)時間功能塊,，對FCl02的程序執(zhí)行時間進行分段測量。結(jié)果如表1所示(表中,，為SFC58執(zhí)行時間,；t(2ss)8為2次SFC58執(zhí)行時間；t’為其余時間,；t(PC102)為FCl02總執(zhí)行時間),。
    
    測量結(jié)果中FCl02執(zhí)行時間并不等于各個時間段之和，這是因為讀系統(tǒng)時間功能塊的測量精度只能達到l ms,。但從表中仍不難看出FCl02執(zhí)行時間主要集中在調(diào)用系統(tǒng)功能SFC58向ET200M寫數(shù)據(jù)(控制從站切換)的操作上,，SFC58的調(diào)用次數(shù)等于ET200M從站個數(shù)，因此可以近似得出tE=3 ms×ET200M從站個數(shù),。
   
    式(3)中ts與主CPU的OB86中斷產(chǎn)生的時刻有很大關(guān)系,。
   
    如果主CPU在調(diào)用FB101執(zhí)行發(fā)送功能之前產(chǎn)生OB86中斷,，則在發(fā)送數(shù)據(jù)時主CPU直接把故障狀態(tài)發(fā)送給備站，在這種情況下ts最短,，為發(fā)送一次數(shù)據(jù)所用時間tt,，即

         (4)
   
    若主CPU調(diào)用FBl01執(zhí)行完發(fā)送功能時產(chǎn)生OB86中斷，則主CPU要把先前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢才能發(fā)送故障狀態(tài)到備站,。在這種情況下,，由于先前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的時刻不同，ts也會得到不同的值,。
   
    a．若先前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢在主CPU調(diào)州FB 101執(zhí)行發(fā)送功能之前,，將立即發(fā)送主站的狀態(tài)，則

         (5)
   
    b．若先前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢在主CPU執(zhí)行完發(fā)送功能之后,，則要等到下個周期調(diào)用發(fā)送功能時才能發(fā)送主站的故障狀態(tài),。此時，ts是最長的,。

        (6)
   
    式(3)中tD與備站接收完故障狀態(tài)的時刻有密切關(guān)系,。
   
    若數(shù)據(jù)接收完成是在備CPU調(diào)用FBl01執(zhí)行接收功能之前，則備CPU將馬上得到主CPU狀態(tài),，并在調(diào)用發(fā)送功能時備CPU切換成主CPU,。此時tD最小，僅為一個FBl01的執(zhí)行時間,，即

        (7)
   
    若數(shù)據(jù)接收完成是在備CPU調(diào)用FBl01執(zhí)行接收功能之后,，則備CPU要等到下個周期調(diào)用接收功能時才能獲得主站的狀態(tài)，并在調(diào)用發(fā)送功能時切換成主CPU,。此時tD是最大的,。

         (8)
   
    由以上分析可知，在以下2種情況將得到這2類故障主備CPU切換時間的極限值,。
   
    a．如果故障發(fā)生后主CPU馬上發(fā)送故障狀態(tài),，并且備CPU接收完數(shù)據(jù)是在備CPU調(diào)用接收功能之前，主備切換時間是最短的,。

         (9)
   
    b．如果故障發(fā)生時主CPU已經(jīng)開始發(fā)送數(shù)據(jù),。并且此數(shù)據(jù)發(fā)送完畢是在主CPU調(diào)用完發(fā)送數(shù)據(jù)功能之后，而備CPU接收完數(shù)據(jù)是在備CPU調(diào)用完接收功能時,，主備切換時問是最長的,。

        (10)
   
    以上所涉及的時間中，tE,、t．和k所占比重最大，其余時問經(jīng)測量均約為1 ms,。如果要減小主備切換時間,，必須減小tE,、t，和k,。要減小tE就要減少ET200M從站數(shù)量,，即在滿足要求的情況下減少I／0數(shù)量。減少t,。方法是選擇主站與備站之間較快的數(shù)據(jù)同步通信方式,。如Profibus總線方式比西門子PLC自帶的MPI方式能在較短的時間內(nèi)發(fā)送更多個字節(jié)數(shù)據(jù)。但前一種方式需要另外配置通信模塊,。k為PLC循環(huán)掃描周期,，與用戶程序長度有關(guān)。典型的中等規(guī)模的PLC控制系統(tǒng),，經(jīng)計算主備切換時間的極限值范圍約為150---500 ms,。
   
    3、數(shù)據(jù)同步時間分析
   
    在PLC軟冗余系統(tǒng)中,，要使主系統(tǒng)發(fā)生故障時,，備系統(tǒng)接替主系統(tǒng)繼續(xù)工作，則系統(tǒng)在正常運行時,，主控制器必須把需要同步的數(shù)據(jù)發(fā)送給備控制器,，從而當故障發(fā)生時能夠?qū)崿F(xiàn)無擾切換。
   
    數(shù)據(jù)同步時間是指系統(tǒng)正常運行時,，主站將同步數(shù)據(jù)發(fā)送至備站所需時間,。西門子軟冗余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步是根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小通過定時中斷方式分多次進行，單次同步的數(shù)據(jù)量相同,。主CPU在同步開始時將所有需要同步的數(shù)據(jù)保存起來,，然后每次發(fā)送相同長度的數(shù)據(jù)塊到備CPU。備CPU每接收到一個數(shù)據(jù)塊就將其分配到對應(yīng)的地址空間中去,。這種方式將時間平均分配到了各個執(zhí)行周期,，避免了單次發(fā)送所有數(shù)據(jù)消耗過多時間。但是這也導(dǎo)致了備站得到的數(shù)據(jù)將滯后手主站,。

通過分析可知,，數(shù)據(jù)同步時間為

        (11)
   
    其中，LD為同步數(shù)據(jù)量,。它為PLC輸出過程映像區(qū),、位地址區(qū)所有冗余數(shù)據(jù)塊、定時器和計數(shù)器的背景數(shù)據(jù)塊和非冗余數(shù)據(jù)塊長度之和,。N為1次數(shù)據(jù)傳送量,，與數(shù)據(jù)同步方式有關(guān)。如Profibus總線方式可在1．5 Mbit／s傳輸速率下,。每60 ms傳送240個字節(jié)數(shù)據(jù),。而西門子PLC自帶的MPI方式只能在187．5 Kbit／s傳輸速率下,，每152 ms傳送76個字節(jié)數(shù)據(jù)。行為傳送1次數(shù)據(jù)程序執(zhí)行周期數(shù),，即

         (12)

    式中td為傳送1次數(shù)據(jù)的時間,，與數(shù)據(jù)同步方式有關(guān)；Tob35為定時中斷間隔時間,。
   
    為減小數(shù)據(jù)同步時間,，應(yīng)盡量減少同步數(shù)據(jù)量LD，選擇較快的數(shù)據(jù)同步方式以增加1次數(shù)據(jù)傳送量N和減少傳送1次數(shù)據(jù)時間td,。典型的中等規(guī)模PLC控制系統(tǒng),，數(shù)據(jù)同步時間可能超過l s。
   
    4,、結(jié)論
   
    綜上所述,，PLC軟冗余系統(tǒng)出現(xiàn)特定故障時，系統(tǒng)通過軟件冗余主備切換機制,，使備站在經(jīng)過主備切換時間后接替主站保持系統(tǒng)繼續(xù)T作,，避免系統(tǒng)停止運行。主備切換完成后,，備用系統(tǒng)以最后一次完整的同步數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)執(zhí)行控制任務(wù),。PLC軟冗余系統(tǒng)主備切換的功能，達到了提高可靠性,、降低成本的目的,。
   
    但是，由于主備切換時間較長,，在主備切換過程中系統(tǒng)暫時失去了控制功能,，故不適合實時性要求較高的控制場合。PLC軟冗余系統(tǒng)比較適合應(yīng)用于實時性要求較低的過程控制應(yīng)用場合