探析S7-1515R PLC冗余控制系統設計范文

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［摘要］針對瓦斯抽采監控系統實現冗余控制的需求，介紹了西門子S7-1500R/H冗余系統的網絡構成、工作原理、技術事項等情況，描述了采用S7-1515R控制器的軟件組態步驟和注意事項，設計了具備冗余控制功能的瓦斯抽采監控系統。

［關鍵詞］瓦斯抽采監控；西門子S7-1500R/H冗余系統；網絡構成；軟件組態

0引言

為提高煤礦企業的安全生產水平，國家出臺了相關政策，要求煤與瓦斯突出礦井以及高瓦斯礦井必須建立地面永久瓦斯抽采系統或井下臨時瓦斯抽采系統，并安裝瓦斯抽采監控系統［1］。部分礦井由于地質條件復雜瓦斯涌出量大，一旦抽采系統異常停機，將嚴重威脅礦井和人員安全，因此控制功能的可靠性是抽采監控系統的關鍵?；诖耍疚脑O計了一種基于S7-1515Rplc的具備冗余功能的控制系統。1冗余系統的結構及工作原理目前，西門子公司的S7-1500系列PLC的冗余控制系統主要分為S7-1500R和S7-1500H2類。該系統CPU為冗余，2臺CPU并行處理相同的項目數據和相同的用戶程序［2］。2臺CPU通過冗余連接進行同步，如果其中1臺CPU出現故障，另外1臺CPU將快速接替。S7-1500R和S7-1500H系統在結構、組態限值等性能上均有所不同。

1.1S7-1500R介紹

S7-1500R系統中的冗余連接是支持介質冗余協議（MRP）的PROFINET環網，2臺CPU除了通過環網互聯外，還使用PROFINET電纜連接，以保證環網中斷時仍能繼續相關通信。系統中任意1臺CPU故障都不會影響控制系統運行，由于采用PROFINET環網，任意1根PROFINET電纜發生故障不會導致控制系統停止，有效提高了控制系統的可靠性和穩定性。S7-1500R冗余系統的2臺CPU使用了PROFINET電纜連接，因此電纜的部分帶寬用于進行同步，這一部分帶寬不能用于IO設備通信，2臺CPU的切換時間在200~500ms，S7-1500R冗余系統適用于數據交互速度要求不高的場所。

1.2S7-1500H介紹

S7-1500H冗余系統利用2臺CPU組建閉合的PROFINET環網，而2臺CPU使用2根雙工光纖電纜通過同步模塊組建環網，將CPU直接連接在一起。CPU之間的冗余連接與PROFINET環網分開，因此同步不影響PROFINET電纜上的帶寬，2臺CPU切換時間＜100ms，S7-1500H冗余系統適用于時間要求較高的控制系統中。目前S7-1500冗余CPU主要有CPU1513R、CPU1515R和CPU1517H3種，其中CPU1513R和CPU1515R適合中小型項目應用，CPU1517H適合大型項目應用。

1.3主要技術事項

（1）S7-1500冗余CPU不支持系統電源（PS）模塊、通信模塊、IO模塊、工藝模塊在本地機架的擴展組態，可安裝負載電源（PM）為PLC供電［3］。

（2）當分布式IO設備使用負載電源（PM）或者其它DC24V供電時，IM155-5向背板總線供電，但其功率有限且最大只能連接12個模塊。如模塊數量超出12個，需要增加系統電源（PS）。

（3）S7-1500冗余CPU可通過PROFINET擴展支持PROFINET系統冗余（SR）NAPS2冗余協議的IO設備，選擇分布式IO設備時需要明確支持NAPS2冗余協議，如：ET200MPIM155-5PNHF（6ES7155-5AA00-0AC0）。

（4）MRP環網中的網絡設備需要支持MRP和H-sync轉發，H-sync轉發功能用于MRP環網內轉發主備PLC之間的同步數據。（5）不支持MRP的PROFINET設備，如需接入系統須通過交換機與環網進行分隔。

2系統設計

2.1系統主要功能需求

瓦斯抽采監控系統實現對瓦斯抽采泵、電動閥門、冷卻塔、通風機等設備的集中控制和閥門開度值的采集；控制系統采用硬件冗余設計，如果1臺CPU失效，備用CPU將自動接管控制；抽采管路、環境、工況傳感器數據從安全監控分站直接獲取；上位機在調度室實現抽采泵站和抽采管路的遠程監測控制，并具備冗余功能。

2.2系統設計

系統CPU采用西門子公司S7-1515R控制器,通過電氣接口PROFINETX1接口實現同步，不需要額外的同步模塊。平臺軟件采用Wincc7.3組態軟件，如圖3所示。

2.3S7-1515R冗余系統主要步驟

（1）項目使用博途V16軟件，在項目中添加1515RCPU，系統自動組態X1P2端口互聯。

（2）設置2臺PLC的IP地址。其中，主PLC的X1接口IP地址為192.168.1.10，從PLC的X1接口IP地址為192.168.1.11；主PLC的X2接口IP地址為192.168.2.21，從PLC的X2接口IP地址為192.168.2.22。X2接口的系統IP地址為192.168.2.20。X2系統的IP地址可與HMI設備、組態軟件進行通信。

（3）在PLC模塊的“介質冗余”項檢查介質冗余角色，默認為“管理員（自動）”；在“連接機制”項中激活“允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問”功能。

（4）在“網絡視圖”窗口將接口模塊IM155-5PNHF作為IO設備從硬件目錄拖動到任務窗口，并將所需功能模塊拖動到IO設備中的相應插槽中。

（5）在“網絡視圖”窗口選擇IO設備并右鍵點擊設備上的“未分配”提示符，在其下拉框中點擊“分配給新IO控制器”項，在彈出的對話框中選擇2個冗余PLC并點擊“確定”。該IO控制器上“未分配”提示符變為“多重分配”。

（6）IO設備依據項目規劃修改IP地址，并在“介質冗余”項中設置介質冗余角色為“客戶端”，在“實時設定”項中修改“接受的更新周期”參數。

（7）程序編譯完成后點擊“下載到設備”按鈕，在對話框中設置“PG/PC接口類型”、“PG/PC接口”、“接口/子網連接”項的參數并點擊“開始搜索”按鈕。在“選擇目標設備”表中會顯示系統中的CPU及其角色，選擇主CPU并點擊“下載”按鈕。冗余PLC的程序下載只能下載主PLC，備用PLC只有在啟動時將組態和程序從主PLC同步備份到備PLC。

（8）在網絡視圖窗口選擇相應的IO設備并點擊“右鍵”，在下拉菜單中選擇“分配設備名稱”項，在對話框中設置“PG/PC接口類型”、“PG/PC接口”項的參數并點擊“更新列表”按鈕。在“網絡中的可訪問的節點”表中選擇需要分配設備名稱的設備，點擊“分配名稱”按鈕。IO控制器將自動為從站分配組態的IP地址。

2.4控制功能設計

控制程序主要完成抽采泵、循環水泵、電動閥門、冷卻塔及排風扇等被控設備的控制以及保護聯動，主要分為集中和遠程2種控制模式。其中，集中控制模式主要是就地顯示控制柜進行設備啟、停操作［4］；遠程控制模式是用戶在值班室的上位機上操作相應設備的啟動和停止。

（1）抽采泵缺水保護功能。在抽采泵運行時，監控系統實時監測供水情況，在供水管路無水流時，視為抽采泵缺水，發出聲光報警，缺水情況持續2min發出停泵指令。

（2）環境甲烷超限保護功能。監控系統實時監測泵房內、管路間的環境甲烷濃度，當甲烷濃度＞0.5％時，發出報警并啟動排風裝置；當環境甲烷濃度＞1.0％時，控制器切斷相關設備的電源，保障抽采系統安全。

（3）機電設備超溫保護功能。監控系統實時監測抽采泵軸承溫度、電機軸承與定子溫度，當抽采泵軸承溫度＞65℃時發出報警信號，＞70℃時發出停泵指令；當電機的軸承溫度＞80℃或定子溫度＞120℃時，發出報警信號。

2.5位機設計

瓦斯抽采監控系統以西門子WinCC7.3組態軟件作為監控平臺，通過驅動與S7-1515R控制器實現通信連接、數據歸檔、腳本編寫等功能，實現上位機與PLC實時監控［5］。根據瓦斯抽采工藝流程，在WinCC7.3軟件中以圖形界面的方式展示了抽采系統工藝流程，實現抽采監控系統的動態展示、數據監測、數據歸檔、報表打印等。2臺上位機保持聯網運行，其中1臺設為主機，另1臺設為備機，組態軟件的冗余功能實現2臺上位機的自動同步匹配。當主機出現故障后，備機可以快速接替，保障了過程監控的可靠性。

3結語

分析了西門子S7-1500R/H冗余系統的硬件構成、工作原理和運用場合，并介紹了軟件組態的主要步驟和注意事項。借助于國家大力推行“機械化換人,自動化減人”科技強安的機遇，基于西門子S7-1515R冗余PLC的瓦斯抽采泵站控制系統，實現了可靠的冗余功能、穩定的通信傳輸。該系統在山西晉城某礦瓦斯抽采泵站投入運行，其穩定性和可靠性保障了瓦斯抽采泵站安全運行，為后續抽采泵站無人化建設提供了參考。

［參考文獻］

［1］李健威，萬勇.基于WinCC的無人值守瓦斯抽采智能控制系統研究［J］.自動化與儀表，2019，34（5）：49-52.

［2］胡鵬，唐堅.西門子S7-1500R/H冗余系統概述［J］.鍛壓裝備與制造技術，2020，55（2）：78-81.

［3］西門子（中國）有限公司.SIMATICS7-1500與TIA博途軟件使用指南［M］.北京：機械工業出版社，2017.

［4］劉東科，謝國軍，劉健康.基于力控和S7_300的煤礦瓦斯抽放監控系統的設計［J］.工業控制計算機，2014，27（6）：67-68.

［5］西門子（中國）有限公司.西門子SIMATICWinCC使用指南［M］.北京：機械工業出版社，2018.

作者：蔣志龍 單位：天地（常州）自動化股份有限公司