在重要的工业生产领域和产品设计中，采用冗余技术提高控制系统可靠性的做法越来越普遍。常规的冗余就是采用成倍增加元件的方式来参与控制，以期能够将因控制设备的意外而导致的停机降到最少。
燃油锅炉是输油管道加热系统中的加热设备，锅炉的运行是整个输油管道网络正常工作的保证。在锅炉控制系统中，设计采用两组独立运行的西门子PLC软件冗余控制系统，保证加热系统的可靠、连续、安全运行。
冗余常见的方式是中央处理器冗余、I/O 冗余和通讯冗余。中央处理器单元冗余（即一用一备或一用多备），在主处理器单元失效时，备用处理器单元自动投入运行，接管控制。在控制权的交互方式上又可分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换，不用编程。除了成对的使用处理器外，还用专用的热备模块，热备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余均采用光纤通讯，通讯速度快，系统稳定，切换时间更短，但是成本也比较高。软件冗余方式只需要成对的处理器，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成十分灵活，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式还是非常经济有效的。
1．控制系统构成：
1.1 监控系统整体设计
本控制方案设计采用了SIMATIC WinCC 组态软件来实现过程控制的上位机组态，WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统。下位机控制系统设计采用两套独立的西门子 SIMATIC S7-300系列PLC实现冗余控制，其编程软件STEP-7功能强大，模块化结构，优化了用户程序。
监控系统构成实现如图1：
图1 冗余监控系统
Fig.1 Software redundancy monitoring system
1.2 PLC软件冗余控制系统
软件冗余是Siemens实现冗余功能的一种低成本解决方案,可以应用于对主备系统切换时间要求不高的控制系统中。
1.2.1系统结构
Siemens软件冗余系统的软件、硬件包括：
1套STEP7编程软件（V5.x）加软冗余软件包（V1.x）；
2套PLC控制器及I/O模块，可以是S7-300或S7-400系统；
3条通讯链路，主系统与从站通讯链路（PROFIBUS 1）、备用系统与从站通讯链路（PROFIBUS2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；
软冗余能够实现：
1． 主机架电源、背板总线等冗余；
2． PLC处理器冗余；
3． PROFIBUS现场总线网络冗余（包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余）；
4． ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。
软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行，这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换，这种手动切换过程，对于控制系统的软硬件调整、更换非常有用。
1.2.2 系统工作原理
在软冗余系统进行工作时，A、B控制系统（处理器，通讯、I/O）独立运行，由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余用户程序段和冗余用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。下面我们看一下软冗余系统中PLC内部的运行过程（图2）：
PLC
图2 冗余工作原理
Fig.2 The working principle of software redundancy
1.3 PLC控制系统设计
利用信号采集模块实时采集锅炉的输油管进出口温度和压力，根据设定起炉、转火、停炉温度值控制燃烧机的自动启动、转火、停止等操作。根据温度、压力报警设定值，控制锅炉紧急停炉和故障报警等处理。
控制系统组成：一组CPU 315-2 DP 处理器（带PROFIBUS-DP接口）；2组ET200M模块（各自带2个IM352接口）；一组SM321 DI开关量输入模块；一组SM322 DO开关量输出模块；3组SM331 AI模拟量输入模块。一组CP343-1以太网通信处理器模块。
1.4 WinCC与S7-300的通信实现
根据控制方案的设计，采用WinCC组态作为上位机监控，用西门子的S7_300作为下位机执行机构，我将采用以太网的标准Tcp/IP协议实现WinCC与S7-300的通信，将现场的状态参数、控制参数等上传到监控层。这个变量传递的过程可以用图3来说明：
问题：更新CPU 41x的操作系统后MPI和PROFIBUS接口的设置保留吗？
解答： 如果更新了一个CPU操作系统后，必须重新加载程序，因为CPU已经做了一次全面复位。具有一个MPI接口或一个组合MPI/DP接口的CPU只在操作系统更新前保留接口所采用的当前地址和波特率。另一方面，另一个PROFIBUS地址被删除，不能再访问。 重要事项：重新设置PG/PC之后，与CPU之间的通讯只能通过MPI或MPI/DP接口来建立。 注意事项：在操作系统更新之前设置的保护电平和MPI地址一样会被保留。 提供的下载中关于如何更新一个操作系统的详细信息可用于各种CPU的操作系统。
问题：如何在PROFIBUS DP网络中改变响应监测时间？
解答： 如果总线配置文件设置为"user-defined"，那么响应监测时间只能手动改变。否则，相应的域变灰，无法进行更改。 /p 以下是对相关对话框的描述： 选择一个总线构件，双击。 在注册表"General"中，点击按钮"PROFIBUS"，并转到"Parameter"。 点击"Properties"。 总线配置文件可以在"Network settings"中改变。如果点击"Bus parameter"，将会显示响应监测时间。 /li 该时间可以自动计算。为此，点击按钮"Recalculate"或在输入一个位于 15.000 和 975.000.000 t_bit之间的值。响应监测时间对于整个PROFIBUS DP网络有效。
问题：哪种信息存储在SIMATIC S7-CPU的诊断缓冲中？
解答： 系统诊断用于识别，评估和显示发生在自动系统中的错误。为此，在每个有系统诊断能力的CP 和模块中，有一个包含所有诊断结果详细信息的诊断缓冲器。 错误由模块的操作系统识别 作为整个系统内的编号(起因) 包括错误发生的位置和时间并用纯文本显示。错误历史也被记录，因为该错误消息自动存储在诊断缓冲中，无需用户帮助。 系统诊断的基本功能包括操作系统的所有错误事件以及用户程序的程序顺序中的一些特性，它们存储在诊断缓冲器中，并带有时间，错误编号及附加的相关信息。 此外，用户可以在诊断缓冲中输入用户自定义的诊断事件(如关于用户程序的信息)，或发送用户定义的诊断结果到已连接的站中(监测设备如PG，OP，TD)。 诊断缓冲器 诊断缓冲器能够 更快地识别故障源，因而提高系统的可用性。 评估STOP之前的最后事件，并寻找引起STOP的原因。诊断缓冲器是一个带有单个诊断条目的循环缓冲器，这些诊断条目显示在事件发生序列中；第一个条目显示的是最近发生的事件。如果缓冲器已满，g 最早发生的事件就会被新的条目所覆盖。根据不同的CPU，诊断缓冲器的大小或者固定，或者可以通过HW Config中通过参数进行设置。 /p 诊断缓冲器中的条目包括： 故障事件 操作模式转变以及其它对用户重要的操作事件 用户定义的诊断事件(用SFC52 WR_USMSG) 在操作模式STOP下，在诊断缓冲器中尽量少的存储事件，以便用户能够很容易在缓冲器中找到引起STOP的原因。因此，只有当事件要求用户产生一个响应(如计划系统内存复位，电池需要充电)或必须注册重要信息(如固件更新，站故障)时，才将条目存储在诊断缓冲器中。 /p 在操作模式STOP下，不处理用户程序。因此，不存有因用户程序引发的诊断缓冲条目。 诊断缓冲器中的条目不包括： 临时性错误 统计信息或跟踪记录 关于数据或服务质量的信息 循环OB启动调用循环发生的故障事件通常仅在第一次输入，在此之后，只有当引起错误的原因被识别后才输入。这确保溢出不会覆盖重要的条目。通过在线帮助，用户可以分析诊断缓冲条目，并找到可能的原因以及事件的补救措施。 诊断缓冲器的合理评估 诊断缓冲器的合理评估一般是通过诊断工具-如S7 系统诊断来完成。用户程序可以从诊断缓冲器中读出，然而，不能用它来减少控制器对于用户程序的反应。
问题： 为什么在2月29日这天关闭CPU 945后，它不能正确地将日期从29.02改变到01.03？
解答： 如果为CPU 945的硬件时钟设置了一个不等于0的校正因子(当前固件版本为Z03)，并且在日期改变时，C PU位于断电状态，那么在闰年从29.02到01.03日期改变不会正确执行。 示例： 设置日期为29.02。设置时间为23:59:00。现在关闭CPU，一直等到日期已经发生改变。当重新打开时，C PU上的日期仍旧为29.02的23:52:50。 校正因子不等于零的设置导致在闰月时计算了错误的时间校正值。然后，硬件时钟也被设置到该错误时间和日期。 /p 补救措施： 如果使用一个等于零的校正因子，就不再会发生时间漂移行为。可以自己设置校正因子。
问题：哪些驱动器支持SIMATIC的新功能"Clock Synchronization"？
解答： 从固件版本V3.1 开始，SIMATIC S7-400 系列的CPU支持新的TIA系统功能"Clock Synchronization"。时钟同步在等距DP循环，I/O模块和用户程序之间做一个直接的链接。 时钟同步功能由完整的产品组"SIMODRIVE"和"MASTERDRIVE MC"所支持。 组态驱动器的要求是从V5.2 版本以上的Drive ES Basic，STEP 7 V5.2 和用于S7 400 CPU的固件版本V3.1。在此请注意仅有CPU的内部DP接口可用于通信。
问题： 在冗余数字输入模块上有差异时，在映像中输入什么？
解答： 在PII(输入的过程映像)中，冗余数字输入模块的最后一个均值有效，直到错误定位。在出现差异的情况下，由 CPU识别为故障的模块处于钝化状态(CPU不再读入有关的输入字节)。在这种情况下，处于非钝化状态模块的值有效。在此之后，错误不再可以被识别，因为在非钝化模块上的信号总是被CPU以正确的信号来接受。 确保故障数字输入模块的本地化仅可通过I O类型(互连)与FLF(故障本地化工具)才能实现。
问题： 为什么需要在一些外围模块中使用一个SIFI-C滤波器？这些模块是如何连接的？
解答： 对于几个外围模块，必须使用一个SIFI C滤波器，因为在CE认证中使用了该滤波器，以满足HF吸收和散发的要求。关于在模块上该使用哪种滤波器的信息可以在当前目录或在当前系统手册中找到。 对于数字输出模块，滤波器必须切换到负载电压源，对于数字输入模块，必须切换到模块/传感器电源。对于模拟模块，滤波器必须切换到模块电源。可以使用同一种滤波器，用于一组输入输出模块。
图3 变量监控过程
Fig.3 Course of variable monitoring
1.5 WinCC组态冗余的实现
通过两计算机同时运行项目功能相同的WinCC组态项目，构成并行服务器来实现组态冗余结构，两台服务器通过以太网连接，并与PLC连接。每台服务器都带有其自身的过程连接和可用的数据归档，工作PLC站将过程数据和消息同时发送到两台冗余服务器。如果一台服务器发生故障，另一台将继续接收和归档来自PLC工作站的过程值和消息。出现故障的服务器重新工作后，冗余服务器为故障时间的归档执行同步，通过将丢失的数据重新传送到出故障的服务器，来消除故障引起的归档差别。
冗余服务器的组态实现：1．必须在两个冗余服务器上组态功能相同的WinCC组态项目（建议使用WinCC项目复制器）。2. 对于WinCC冗余，需要同步服务器（建议使用设备的时间同步）。3. 配置冗余用户归档，实现用户归档同步。4. 组态在线消息同步。5. 打开冗余编辑器，在“冗余伙伴服务器"项，输入冗余服务器的名称，并在“用户归档"项下，激活“用户归档的同步"。
本系统通过动态向导设置读取IP冗余地址，实现主S7-300数据监控。
1.6 软冗余程序的设计
软冗余程序需要西门子提供的软冗余软件包及STEP7，在A站的Block中插入OB1（主循环程序块）、OB35（定时中断组织块）、OB100（暖启动调用程序块）、OB80（在主系统与备用系统切换时间超时，调用该块）、OB82（DP-Slave ET200站上的IM153-2模块出错报警，调用该功能块）、OB83（DP从站的接口模块与主站链接断开或链接重新建立时调用该块）、OB86（主从站通讯出错调用该块）、OB87（通讯失败调用该块）、OB122（外围设备访问出错调用该块）、OB121等组织块，并对其中的OB100、OB35、OB86进行编程。
首先，用户需要在初始化程序中（OB100）定义冗余部分的数据区，该数据区可以包括：一个过程映像区，一个定时器区，一个计数器区和一个数据块区，S7-300同步的最大数据量为8kBytes。本控制系统将每台锅炉的温度、压力采集值和运行状态参数分别放置在不同的DB数据块，并定义为需要冗余的数据块。
使用的是OB35的默认属性，即每100ms中断触发一次，可以根据实际的需要在CPU属性中修改中断的时间间隔。在OB35里调用FB101S ’WR_ZYK’功能块，FB101块中封装了冗余功能的程序段，实现冗余功能。当执行‘SWR_START’程序块时，系统分配这些数据区，不能用S7 的定时器和计数器，只能使用IEC标准的定时器和计数器。
OB35中的程序段也可以在OB1中实现，只是不使用中断的方式，而使用主循环的方式。
调用FB101时，你可以在线地读出RETURN_VAL参数的数值，如果为0，说明冗余链接正常。如果为8015说明数据同步的连接不成功，原因是CP342-5之间的FDL链接建立的不正确或物理链路不通，或者是FC100的VERB_ID参数与NETPRO中的ID号不一致。
2．结束语：
以上简要介绍了SIEMENS软件冗余系统的系统组成、工作原理、程序编制，整个系统组成简单、构成灵活、程序编制比较容易。系统在某输油站投入运行以来,保证了系统停机运行,提高了工作效率,降低了维护费用，以其可靠性、灵活性、便利性受到用户好评。
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