第七章 软件冗余的原理和配置
7.1 软件冗余基本信息介绍
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 时间为秒级的控制系统中。
7.1.1 系统结构
Siemens 软件冗余系统的软件、硬件包括：
（1）1 套 STEP7 编程软件（V5.2 或更高）加软冗余软件包(V1.x)；
（2）2 套 PLC 控制器及 I/O 模块，可以是 S7-300（313C-2DP，314C-2DP，31X-2DP）或 S7-400（全部 S7-400 系列 CPU）系统；
（3）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
（PROFIBUS 2）、主系统与备用系统的数据同步通讯链路（MPI 或 PROFIBUS 或 Ethernet）；
（4）若干个 ET200M 从站，每个从站包括 2 个 IM153-2 接口模块和若干个 I/O 模块；Y-Link 不能用于软冗余系统；
（5）除此之外，还需要一些相关的附件，用于编程和上位机监控的 PC-Adapter（连接 在计算机串口）或 CP5611（插在主板上的 PCI 槽上）或 CP5511（插在笔记本的 PCMIA 槽里）、PROFIBUS 电缆、PROFIBUS 总线链接器等。
系统架构如图 7－1 所示：
可以看出，系统是由两套独立的 S7-300 或 S7-400 PLC 系统组成，软冗余能够实现：
主机架电源、背板总线等冗余；PLC 处理器冗余；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）；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，扩容非常有用，即 Altering Configuration and Application Program in RUN Mode 。
7.1.2 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（non-duplicated）用户程序段和冗余（redundant backup）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。
CPU on master unit fails (e.g. CPU in STOP mode
OB-Cyc-4 Master
OB-Cyc Master OB-Cyc-1 Master OB-Cyc-2 Master OB-Cyc-3 Master OB-Cyc-4 Master
PIQ OB-Cyc-2 PIQ
OB-Cyc-3 PIQ
OB-Cyc-4 PIQ
OB-Cyc-5
1)
Cycles required depends on communication and data volume (e.g. 2)
2) Data output to signal
modules
Data transferred from master to reserve PIQ
OB-Cyc-2 PIQ
OB-Cyc-4
M
Dependent on the number of slaves and the type of fault Temporarily frozen PIQ is output (PIQ-M: OB-Cyc-1)
Last completely transferred PIQ is output (PIQ-M: OB-Cyc-3) Current PIQ is output
PIQ consistent
=Master:
OB-Cyc-incomplete Transfer2 of a
consistent PIQ
PIQ consistent
=Master: OB-Cyc-5
Fault detection and switch-over time 1)
Master-reserve change-over completed
R OB-Cyc+4 PIQ
OB-Cyc+4 Reserve OB-Cyc+3 Reserve OB-Cyc+2 Reserve OB-Cyc+1 Reserve OB-Cyc Reserve OB-Cyc-1 Reserve OB-Cyc-2 Reserve OB-Cyc-3 Reserve OB-Cyc-4 Reserve OB-Cyc-5 Reserve
图 7-3 软冗余同步原理
数据同步所需要的时间取决于同步数据量的大小和同步所采用的网络方式， MPI 方式周 期最长，PROFIBUS 方式适中，Ethernet 网方式最快。同步通信效率见表 7－1
表 7－1 同步通信效率 PROFIBUS 网络 1.5 Mbaud
Ethernet 以太网 10 MBaud
MPI 网络 187.5 kBaud
每60ms 传送240个字节数据 每48ms 传送 240个字节数据 每152ms 传送76个字节数据 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 过程映象区（process image area），一个定时器区（IEC timer area），一个计数器 区（IEC counter area），一个 位地址区（memory address area）和一个 数据块区
（data block area），S7-300 同步的最大数据量为 8 kBytes，S7-400 同步的最大数据 量 64kBytes。
主备系统的切换时间 = 故障诊断检测时间 + 同步数据传输时间 + DP 从站切换时间
CPU314C-2DP 6ES7 314-6CF00-0AB0 S7-300 系列只能够实现软件冗余，
CPU313C-2DP 6ES7 313-6CE00-0AB0
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无硬件冗余的功能。
CPU 31x-2DP 6ES7 315-2AFxx-0AB0 6ES7 315-2AG10-0AB0 6ES7 316-2AGxx-0AB0 6ES7 318-2AJxx-0AB0 CPU 412-1
CPU 412-2
6ES7 412-1XFxx-0AB0 6ES7 412-1FK03-0AB0 6ES7 412-2XGxx-0AB0
S7-400 全系列的 CPU 都可以应用于
CPU 413-1 CPU 413-2DP
6ES7 413-1XGxx-0AB0 6ES7 413-2XGxx-0AB0 CPU 414-1
CPU 414-2DP CPU 414-3DP
6ES7 414-1XGxx-0AB0 6ES7 414-2XGxx-0AB0 6ES7 414-2XJxx-0AB0 6ES7 414-3XJxx-0AB0 CPU 416-1
CPU 416-2DP CPU 416-3DP CPU 417-4
6ES7 416-1XJxx-0AB0 6ES7 416-2XKxx-0AB0 6ES7 416-2XLxx-0AB0 6ES7 416-3XLxx-0AB0 6ES7 417-4XLxx-0AB0 CP 通讯处理器系列（数据同步 Redundant-backup link）
CP 342-5 PROFIBUS通 讯模块
6ES7 342-5DA00-0XE0 6GK7 342-5DA02-0XE0 CP 343-1 Ethernet 通讯模
块
6GK7 343-1BA00-0XE0 6GK7 343-1EX11-0XE0 CP 443-5 Extended
PROFIBUS通讯模块
6EK7 443-5DXxx-0XE0
CP 443-1 ISO Ethernet 通 讯模块
6EK7 443-1BXxx-0XE0
ET200 系列
2x DP slave interface IM 153-2
6ES7 153-2AA02-0XB0 6ES7 153-2AB01-0XB0 适于ET200M的所有数字 CP 341 6ES7 341-1xH01-0AE0 串口通讯模板
FM 350 6ES7 350-1AH0x-0AE0 计数器功能模板 相关软件及附件
STEP7 编程软件 6ES7810-4CC07-0YA5 软冗余软件包（Software
Redundancy）
6ES7862-0AC01-0YA0 包括冗余功能块的安装软件和授权 PROFIBUS标准电缆 6XV1 830-0EH10 按米订货
RS485总线连接器 6ES7 972-0BA12-0XA0 PROFIBUS 网络连接头
CP5611通讯卡 6GK1 561-1AA00 进行编程和上位机监控的通讯卡 注：
1) 只有 S7-300 315-2DP（除 CPU314C-2DP、CPU313C-2DP）型号以上的 PLC 才支 持软冗余功能，所有的 S7-400 都支持软冗余功能；
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2) 主系统与备用系统的 CPU 型号可以不同，如主系统采用一套 S7-400 系统，而备用系 统采用一套 S7-300 系统；