6ES7315-7TJ10-0AB0安裝調試

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生產設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，對于交流感應電動機，一般借助接觸器改變定子繞組相序來實現。在該控制線路中，KM1 為正轉交流接觸器，KM2 為反轉交流接觸器，SB1 為停止按鈕、SB2 為正轉控制按鈕，SB3 為反轉控制按鈕。KM1、KM2 常閉觸點相互閉鎖，當按下SB2 正轉按鈕時，KM1 得電，電機正轉；KM1 的常閉觸點斷開反轉控制回路，此時當按下反轉按鈕，電機運行方式不變；若要電機反轉，必須按下SB1停止按鈕，正轉交流接觸器失電，電機停止，然后再按下反轉按鈕，電機反轉。若要電機正轉，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I/O 分配及硬件接線

1、接線：按照控制線路的要求，將正轉按紐、反轉按紐和停止按紐接入PLC 的輸入端，將正轉繼電器和反轉繼電器接入PLC 的輸出端。注意正轉、反轉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，然后實現電機正反轉控制程序的編制，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

 在工業自動化系統中，為了使系統長期穩定可靠地運行，大量選用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，甚至在此基礎上組建冗余系統進一步提高系統的可靠性。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。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但構建系統成本也較高。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，軟冗余系統已經在污水處理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍應用。但目前對于軟冗余的性能，仍缺乏系統的研究。文中首先敘述西門子PLC軟冗余系統的實現原理，然后重點分析主備切換時間和數據同步時間，以便為類似控制系統設計提供參考依據。
   6ES7315-7TJ10-0AB0安裝調試    1、 軟冗余實現原理
   
    典型的PLC軟冗余系統組成案例如圖1所示。

圖1 典型的PLC軟冗余系統組成

    在系統運行時2個CPU均啟動，但只有主CPU執行控制命令，備用CPU檢測主CPU狀態，時刻準備接替主CPU繼續工作。與主CPU通信的IMl 53—2模塊處于激活狀態使主CPU能訪問I／0模塊。當系統發生特定故障時，系統可以實現主備切換，備站接替主站繼續運行。這些故障包括：主機架電源、背板總線等故障；CPU故障；Profibus現場總線網絡故障；ET200M站的通信接口模塊IMl53故障。
   
    PLC軟冗余系統要實現軟冗余功能，需要存程序中調用冗余軟件包的功能模塊，其主要包括：初始化冗余系統運行參數的FCl00模塊；故障診斷、主備切換的FCl02模塊；發送／接收數據的FBl03模塊；調用FBl03進行數據同步、分析系統狀態的FBl01模塊。帶有冗余功能的程序結構見圖2。

圖2 帶有冗余功能的程序結構

    在PLC每個循環執行周期中，主系統先凋用FBl01接收并分析備系統狀態，然后執行冗余程序，最后再調用FBl01將需要同步的數據發送到備系統。備系統先調用FBl01接收并分析主系統狀態，跳過冗余程序，然后將備系統狀態發送到主系統。需注意的是，實現冗余功能的最重要模塊FBl01執行時先分析主備系統狀態，然后再發送數據(或接收數據)。由于軟件是順序執行，將導致接收到對方故障信息后，對故障處理的滯后。軟件順序執行機制是導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發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之間實現切換。同時備CPU在向主CPU發送備站狀態時將檢測到同步線數據傳輸錯誤，繼而主動切換成主CPU。
   
    如果主CPU故障出現在備CPU調用FBl01執行發送功能之前，那么接下來備CPU在調用發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循環掃描周期；t（FB101）為冗余功能塊FBl01執行時間。
   
    如果主CPU故障發生時備CPU剛調用FB101執行完發送功能，那么備CPU要在下一個周期調用發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種故障發生時，發生故障的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OB86(故障診斷)中斷，并在中斷中調用診斷模塊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中斷響應時間，CPU315—2DP為1 ms；tE為OB86執行時問；ts為故障狀態發送時間；tD為數據接收完畢到備站切換成主站的時間間隔。

  因為OB86中只調用FCl02診斷模塊，所以tE由FCl02的執行時間決定。為分析OB86中調用FCl02時FCl02的執行順序，對FCl02進行了適當的修改以便采集數據。這些修改主要包括：在FCl02的開始加入采集狀態程序段；在跳轉指令處采集跳轉條件。在手動觸發一些故障之后，對得到的數據進行分析便得到了FCl02的執行順序。在各個代碼段兩端插入讀系統時間功能塊，對FCl02的程序執行時間進行分段測量。結果如表1所示(表中，為SFC58執行時間；t(2ss)8為2次SFC58執行時間；t’為其余時間；t(PC102)為FCl02總執行時間)。
    
    測量結果中FCl02執行時間并不等于各個時間段之和，這是因為讀系統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執行時間主要集中在調用系統功能SFC58向ET200M寫數據(控制從站切換)的操作上，SFC58的調用次數等于ET200M從站個數，因此可以近似得出tE=3 ms×ET200M從站個數。
   
    式(3)中ts與主CPU的OB86中斷產生的時刻有很大關系。
   
    如果主CPU在調用FB101執行發送功能之前產生OB86中斷，則在發送數據時主CPU直接把故障狀態發送給備站，在這種情況下ts最短，為發送一次數據所用時間tt，即

         (4)
   
    若主CPU調用FBl01執行完發送功能時產生OB86中斷，則主CPU要把先前數據發送完畢才能發送故障狀態到備站。在這種情況下，由于先前數據發送完畢的時刻不同，ts也會得到不同的值。
   
    a．若先前數據發送完畢在主CPU調州FB 101執行發送功能之前，將立即發送主站的狀態，則

         (5)
   
    b．若先前數據發送完畢在主CPU執行完發送功能之后，則要等到下個周期調用發送功能時才能發送主站的故障狀態。此時，ts是最長的。

        (6)
   
    式(3)中tD與備站接收完故障狀態的時刻有密切關系。
   
    若數據接收完成是在備CPU調用FBl01執行接收功能之前，則備CPU將馬上得到主CPU狀態，并在調用發送功能時備CPU切換成主CPU。此時tD最小，僅為一個FBl01的執行時間，即

        (7)
   
    若數據接收完成是在備CPU調用FBl01執行接收功能之后，則備CPU要等到下個周期調用接收功能時才能獲得主站的狀態，并在調用發送功能時切換成主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．如果故障發生后主CPU馬上發送故障狀態，并且備CPU接收完數據是在備CPU調用接收功能之前，主備切換時間是最短的。

         (9)
   
    b．如果故障發生時主CPU已經開始發送數據。并且此數據發送完畢是在主CPU調用完發送數據功能之后，而備CPU接收完數據是在備CPU調用完接收功能時，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從站數量，即在滿足要求的情況下減少I／0數量。減少t。方法是選擇主站與備站之間較快的數據同步通信方式。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發送更多個字節數據。但前一種方式需要另外配置通信模塊。k為PLC循環掃描周期，與用戶程序長度有關。典型的中等規模的PLC控制系統，經計算主備切換時間的極限值范圍約為150---500 ms。
   
    3、數據同步時間分析
   
    在PLC軟冗余系統中，要使主系統發生故障時，備系統接替主系統繼續工作，則系統在正常運行時，主控制器必須把需要同步的數據發送給備控制器，從而當故障發生時能夠實現無擾切換。
   
    數據同步時間是指系統正常運行時，主站將同步數據發送至備站所需時間。西門子軟冗余系統的數據同步是根據數據量的大小通過定時中斷方式分多次進行，單次同步的數據量相同。主CPU在同步開始時將所有需要同步的數據保存起來，然后每次發送相同長度的數據塊到備CPU。備CPU每接收到一個數據塊就將其分配到對應的地址空間中去。這種方式將時間平均分配到了各個執行周期，避免了單次發送所有數據消耗過多時間。但是這也導致了備站得到的數據將滯后手主站。

通過分析可知，數據同步時間為

        (11)
   
    其中，LD為同步數據量。它為PLC輸出過程映像區、位地址區所有冗余數據塊、定時器和計數器的背景數據塊和非冗余數據塊長度之和。N為1次數據傳送量，與數據同步方式有關。如Profibus總線方式可在1．5 Mbit／s傳輸速率下。每60 ms傳送240個字節數據。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個字節數據。行為傳送1次數據程序執行周期數，即

         (12)

    式中td為傳送1次數據的時間，與數據同步方式有關；Tob35為定時中斷間隔時間。
   
    為減小數據同步時間，應盡量減少同步數據量LD，選擇較快的數據同步方式以增加1次數據傳送量N和減少傳送1次數據時間td。典型的中等規模PLC控制系統，數據同步時間可能超過l s。
   
    4、結論
   
    綜上所述，PLC軟冗余系統出現特定故障時，系統通過軟件冗余主備切換機制，使備站在經過主備切換時間后接替主站保持系統繼續T作，避免系統停止運行。主備切換完成后，備用系統以最后一次完整的同步數據作為基礎執行控制任務。PLC軟冗余系統主備切換的功能，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軟冗余系統比較適合應用于實時性要求較低的過程控制應用場合