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一、軟件冗余基本信息介紹

軟件冗余是Siemens實現冗余功能的一種低成本解決方案，可以應用于對主備系統切換時間為秒級的控制系統中。

1、系統結構

Siemens軟件冗余系統的軟件、硬件包括：

（1）1套STEP7編程軟件（V5.2或更高）加軟冗余軟件包(V1.x)；

（2）2套PLC控制器及I/O模塊，可以是S7-300（313C-2DP，314C-2DP，31X-2DP）或S7-400（全部S7-400系列CPU）系統；

（3）3條通訊鏈路，主系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 2）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（MPI 或 PROFIBUS 或
Ethernet）；

（4）若干個ET200M從站，每個從站包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/O模塊；Y-Link不能用于軟冗余系統；

（5）除此之外，還需要一些相關的附件，用于編程和上位機監控的PC-Adapter（連接在計算機串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在筆記本的PCMIA槽里）、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線鏈接器等。

系統架構如圖1所示：

圖1軟冗余的系統架構

可以看出，系統是由兩套獨立的S7-300或S7-400 PLC系統組成，軟冗余能夠實現：

主機架電源、背板總線等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現場總線網絡冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

軟冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換，這種手動切換過程，對于控制系統的軟硬件調整，更換，擴容非常有用，即Altering Configuration and Application Program in RUN Mode 。

2、系統工作原理

在軟冗余系統進行工作時，A、B控制系統（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A、B系統中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundant backup）用戶程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。

軟冗余系統內部的運行過程參考圖2。

圖2軟冗余系統內部的運行過程

主系統的CPU將數據同步到備用系統的CPU需要1到幾個程序掃描循環，如圖3所示：

圖3軟冗余同步原理

數據同步所需要的時間取決于同步數據量的大小和同步所采用的網絡方式，MPI方式周期長，PROFIBUS方式適中，Ethernet網方式快。同步通信效率見表1

表1同步通信效率

每60ms 傳送240個字節數據 每48ms 傳送 240個字節數據 每152ms 傳送76個字節數據

用戶需要在初始化程序中（OB100）定義冗余部分的數據區，該數據區可以包括：一個 過程映象區（process image area），一個定時器區（IEC timer area），一個計數器區（IEC counter area），一個 位地址區（memory address area）和一個 數據塊區（data block area），S7-300同步的大數據量為8 kBytes，S7-400同步的大數據量64kBytes。

主備系統的切換時間 = 故障診斷檢測時間 + 同步數據傳輸時間 + DP從站切換時間

如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100－1000毫秒，315－2DP同步1000字節的數據所需的時間大約為200－300ms，8個DP從站的切換時間在100ms左右。可以在軟冗余手冊當中找到關于切換時間的具體說明。

無論控制程序循環掃描到哪里，當前激活的系統（即主系統）隨時都會接收并處理報警信息，這樣，在主系統A與備用系統B進行切換過程中產生的alarm存在被丟失的可能。