西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8详解说明
2.2 Profibus或ET200M主站故障分析
当后2种故障发生时，发生故障的ET200M从站的备IMl53将检测到主IMl53故障，自动将自己切换为主IMl53。主CPU将因为与故障IMl53失去连接而引发OB86(故障诊断)中断，并在中断中调用诊断模块FCl02完成所有从站的切换，并将自己置为备用。主CPU将故障信息发送到备CPU。备CPU收到故障信息后将自己切换成主CPU。这时的切换时间为
(3)
式中tR为OB86中断响应时间，CPU315—2DP为1ms；tE为OB86执行时问；ts为故障状态发送时间；tD为数据接收完毕到备站切换成主站的时间间隔。
因为OB86中只调用FCl02诊断模块，tE由FCl02的执行时间决定。为分析OB86中调用FCl02时FCl02的执行顺序，对FCl02进行了适当的修改以便采集数据。这些修改主要包括：在FCl02的开始加入采集状态程序段；在跳转指令处采集跳转条件。在手动触发一些故障之后，对得到的数据进行分析便得到了FCl02的执行顺序。在各个代码段两端插入读系统时间功能块，对FCl02的程序执行时间进行分段测量。结果如表1所示(表中， 为SFC58执行时间；t(2ss)8为2次SFC58执行时间；t’为其余时间；t(PC102)为FCl02总执行时间)。
测量结果中FCl02执行时间并不等于各个时间段之和，这是因为读系统时间功能块的测量精度只能达到lms。但从表中仍不难看出FCl02执行时间主要集中在调用系统功能SFC58向ET200M写数据(控制从站切换)的操作上，SFC58的调用次数等于ET200M从站个数，可以近似得出tE=3ms×ET200M从站个数。
式(3)中ts与主CPU的OB86中断产生的时刻有很大关系。
如果主CPU在调用FB101执行发送功能之前产生OB86中断，则在发送数据时主CPU直接把故障状态发送给备站，在这种情况下ts短，为发送一次数据所用时间tt，即
(4)
若主CPU调用FBl01执行完发送功能时产生OB86中断，则主CPU要把先前数据发送完毕才能发送故障状态到备站。在这种情况下，由于先前数据发送完毕的时刻不同，ts也会得到不同的值。
a．若先前数据发送完毕在主CPU调州FB101执行发送功能之前，将立即发送主站的状态，则
(5)
b．若先前数据发送完毕在主CPU执行完发送功能之后，则要等到下个周期调用发送功能时才能发送主站的故障状态。此时，ts是长的。
(6)
式(3)中tD与备站接收完故障状态的时刻有密切关系。
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之前，则备CPU将马上得到主CPU状态，并在调用发送功能时备CPU切换成主CPU。此时tD小，仅为一个FBl01的执行时间，即
(7)
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之后，则备CPU要等到下个周期调用接收功能时才能获得主站的状态，并在调用发送功能时切换成主CPU。此时tD是大的。
(8)
由以上分析可知，在以下2种情况将得到这2类故障主备CPU切换时间的极限值。
a．如果故障发生后主CPU马上发送故障状态，并且备CPU接收完数据是在备CPU调用接收功能之前，主备切换时间是短的。
(9)
b．如果故障发生时主CPU已经开始发送数据。并且此数据发送完毕是在主CPU调用完发送数据功能之后，而备CPU接收完数据是在备CPU调用完接收功能时，主备切换时问是长的。
(10)
以上所涉及的时间中，tE、t．和k所占比重大，其余时问经测量均约为1ms。如果要减小主备切换时间，必须减小tE、t，和k。要减小tE就要减少ET200M从站数量，即在满足要求的情况下减少I／0数量。减少t。好的方法是选择主站与备站之间较快的数据同步通信方式。如Profibus总线方式比西门子PLC自带的MPI方式能在较短的时间内发送更多个字节数据。但前一种方式需要配置通信模块。k为PLC循环扫描周期，与用户程序长度有关。典型的中等规模的PLC控制系统，经计算主备切换时间的极限值范围约为150---500ms
在工业自动化系统中，为了使系统长期稳定可靠地运行，大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，甚至在此基础上组建冗余系统提高系统的可靠性。冗余的分类方式很多。目前，采用的PLC冗余方式分为2种，即软冗余和硬冗余。西门子公司在这2方面均给出了解决方案。基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7-300或S7-400的软冗余是一种综合考虑提高可靠性和降低成本的折中方案。目前，软冗余系统已经在污水处理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍应用。但目前对于软冗余的性能，仍缺乏系统的研究。文中叙述西门子PLC软冗余系统的实现原理，重点分析主备切换时间和数据同步时间，以便为类似控制系统设计提供参考依据。
1、 软冗余实现原理
典型的PLC软冗余系统组成案例如图1所示。
图1 典型的PLC软冗余系统组成
在系统运行时2个CPU均启动，但只有主CPU执行控制命令，备用CPU检测主CPU状态，时刻准备接替主CPU继续工作。与主CPU通信的IMl53—2模块处于激活状态使主CPU能访问I／0模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。这些故障包括：主机架电源、背板总线等故障；CPU故障；Profibus现场总线网络故障；ET200M站的通信接口模块IMl53故障。
PLC软冗余系统要实现软冗余功能，需要存程序中调用冗余软件包的功能模块，其主要包括：初始化冗余系统运行参数的FCl00模块；故障诊断、主备切换的FCl02模块；发送／接收数据的FBl03模块；调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。带有冗余功能的程序结构见图2。
图2 带有冗余功能的程序结构
在PLC每个循环执行周期中，主系统先凋用FBl01接收并分析备系统状态，执行冗余程序，后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。备系统先调用FBl01接收并分析主系统状态，跳过冗余程序，将备系统状态发送到主系统。需注意的是，实现冗余功能的重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态，再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行，将导致接收到对方故障信息后，对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。
2、主备切换时间分析
主备切换时间是指系统发生故障到备站接替主站正常丁作所需要的时间。
2.1 主CPU或电源模块故障分析
当前2种故障发生时，ET200M站的主通信接口模块IMl53与主CPU失去连接。自动在主备通信接口模块IM]53之间实现切换。备CPU在向主CPU发送备站状态时将检测到同步线数据传输错误，继而主动切换成主CPU。
如果主CPU故障出现在备CPU调用FBl01执行发送功能之前，那么备CPU在调用发送功能时就能检测到与主CPU通信连接故障，并在下一个周期调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t短。
(1)
式中t为主备切换时间；Tcyc为PLC循环扫描周期；t（FB101）为冗余功能块FBl01执行时间。
如果主CPU故障发生时备CPU刚调用FB101执行完发送功能，那么备CPU要在下一个周期调用发送功能时才能检测到与主CPU通信连接故障，并且还要等待调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t长。
(2)
1、引 言
可编程控制器（PLC）由于其结构紧凑、可靠性高、编程简单、指令强大、灵活性强、能适用于比较恶劣环境等诸多优点，现已在工业控制领域得到广泛应用。现普遍采用触摸屏加plc的方法来监控设备，但触摸屏视角窄，不适应恶劣环境，且数据存储容量有限，不易实现大规模网络互联。我们采用plc与计算机通讯的方式实现实时监控，克服了触摸屏的缺点。
2、s7-200cpu自由口通讯方式的应用
的plc很多，如西门子、欧姆龙、松下、三菱等等，本人仅以西门子s7-200小型可编程控制器的cpu22×系列为例，介绍plc在计算机网络中与计算机通讯的功能。
s7-200cpu支持多样的通讯功能，根据所使用的s7-200cpu，其网络可以支持一个或多个以下协议：
点到点（point-to-point）接口（ppi）
多点接口（multi-point）（mpi）
profibus
用户定义协议（自由口）
自由口通讯是通过用户程序可以控制s7-200cpu通讯口的操作模式。利用自由口模式，可以实现用户定义的通讯协议连接多种智能设备。通过使用接收中断、发送中断、发送指令和接收指令，用户程序控制通讯口操作。在自由口通讯模式下，通讯协议完全由用户程序控制。通过smb30（口0）允许自由口模式，只有在cpu处于run模式时才能允许。当cpu出于stop模式时，自由口通讯停止，通讯口转换成正常的ppi协议操作。
近年来，随着我国铁路运输环境的改善，列车速度越来越高，势必对铁道车辆提出较高的要求，其表现在对列车的舒适性和运行可靠性、安全性的要求提高，车辆上设备的自动化程度越来越高。自动化程度的提高，带动了网络技术在列车控制和监控上的应用。车辆网络控制、监控简图如图1所示。
整列车设有车辆级计算机，每个车厢设有本车计算机，车辆级计算机与各个本车计算机组成车辆的主网，本车计算机与本车厢内的各个设备间组成子网。plc由于其自身的优点，作为控制核心在车辆上的多种设备中得以应用，例如列车自动门的控制、列车空调机的控制等，使其可以作为整个列车网络系统中的一个节点。
3、通讯协议
siemenss7-200系列plc可以采用用户定义通讯协议（自由口）模式实现计算机与plc、plc与plc的通讯。笔者所描述的例子中，车辆计算机系统和车辆上的其它设备分别是多个设备供应商的产品，只要制定好通讯协议，就能满足相互通讯的要求。s7-200系列的plc正是由于其自由口通讯是通过用户程序控制cpu串行通讯口的操作模式，可以方便地与车辆计算机通讯。
计算机（主站）每隔100ms查询plc（从站）一次，主站发出从站动作控制命令给从站，从站收到命令后发给主站应答帧，从站接收到主站发送来的一帧数据，计算出其校验码fcs，与接收到的一帧数据中的fcs比较，检查是否有数据错误。如果有数据有误，从站发送信息给主站，请求重发。
·字符结构：每个字符由11位构成，奇偶校验位采用奇校验方式。
起始位：1位；
数据： 8位 d7…d0；
奇偶校验位：1位；
停止位：1位。
·传输数据帧格式
byte（0）…byte（n）fcs
byte（0）…byte（n）为字符串；
fcs为异或校验码，是发送的所有数据字节和地址字节之异或值。
·主站命令帧结构
从站地址从站地址补码控制字节命令字节fcs
·从站应答帧结构
从站地址从站地址补码控制字节应答字节fcs
4、通讯口初始化
plc内部特殊存储器位smb30和smb130分别配置通讯端口0和1，为自由端口通讯选择波特率、奇偶校验和数据位数。自由端口的控制字节描述如下所示。
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评论
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