探析S7-1515R PLC冗余控制系统设计范文

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［摘要］针对瓦斯抽采监控系统实现冗余控制的需求，介绍了西门子S7-1500R/H冗余系统的网络构成、工作原理、技术事项等情况，描述了采用S7-1515R控制器的软件组态步骤和注意事项，设计了具备冗余控制功能的瓦斯抽采监控系统。

［关键词］瓦斯抽采监控；西门子S7-1500R/H冗余系统；网络构成；软件组态

0引言

为提高煤矿企业的安全生产水平，国家出台了相关政策，要求煤与瓦斯突出矿井以及高瓦斯矿井必须建立地面永久瓦斯抽采系统或井下临时瓦斯抽采系统，并安装瓦斯抽采监控系统［1］。部分矿井由于地质条件复杂瓦斯涌出量大，一旦抽采系统异常停机，将严重威胁矿井和人员安全，因此控制功能的可靠性是抽采监控系统的关键。基于此，本文设计了一种基于S7-1515Rplc的具备冗余功能的控制系统。1冗余系统的结构及工作原理目前，西门子公司的S7-1500系列PLC的冗余控制系统主要分为S7-1500R和S7-1500H2类。该系统CPU为冗余，2台CPU并行处理相同的项目数据和相同的用户程序［2］。2台CPU通过冗余连接进行同步，如果其中1台CPU出现故障，另外1台CPU将快速接替。S7-1500R和S7-1500H系统在结构、组态限值等性能上均有所不同。

1.1S7-1500R介绍

S7-1500R系统中的冗余连接是支持介质冗余协议（MRP）的PROFINET环网，2台CPU除了通过环网互联外，还使用PROFINET电缆连接，以保证环网中断时仍能继续相关通信。系统中任意1台CPU故障都不会影响控制系统运行，由于采用PROFINET环网，任意1根PROFINET电缆发生故障不会导致控制系统停止，有效提高了控制系统的可靠性和稳定性。S7-1500R冗余系统的2台CPU使用了PROFINET电缆连接，因此电缆的部分带宽用于进行同步，这一部分带宽不能用于IO设备通信，2台CPU的切换时间在200~500ms，S7-1500R冗余系统适用于数据交互速度要求不高的场所。

1.2S7-1500H介绍

S7-1500H冗余系统利用2台CPU组建闭合的PROFINET环网，而2台CPU使用2根双工光纤电缆通过同步模块组建环网，将CPU直接连接在一起。CPU之间的冗余连接与PROFINET环网分开，因此同步不影响PROFINET电缆上的带宽，2台CPU切换时间＜100ms，S7-1500H冗余系统适用于时间要求较高的控制系统中。目前S7-1500冗余CPU主要有CPU1513R、CPU1515R和CPU1517H3种，其中CPU1513R和CPU1515R适合中小型项目应用，CPU1517H适合大型项目应用。

1.3主要技术事项

（1）S7-1500冗余CPU不支持系统电源（PS）模块、通信模块、IO模块、工艺模块在本地机架的扩展组态，可安装负载电源（PM）为PLC供电［3］。

（2）当分布式IO设备使用负载电源（PM）或者其它DC24V供电时，IM155-5向背板总线供电，但其功率有限且最大只能连接12个模块。如模块数量超出12个，需要增加系统电源（PS）。

（3）S7-1500冗余CPU可通过PROFINET扩展支持PROFINET系统冗余（SR）NAPS2冗余协议的IO设备，选择分布式IO设备时需要明确支持NAPS2冗余协议，如：ET200MPIM155-5PNHF（6ES7155-5AA00-0AC0）。

（4）MRP环网中的网络设备需要支持MRP和H-sync转发，H-sync转发功能用于MRP环网内转发主备PLC之间的同步数据。（5）不支持MRP的PROFINET设备，如需接入系统须通过交换机与环网进行分隔。

2系统设计

2.1系统主要功能需求

瓦斯抽采监控系统实现对瓦斯抽采泵、电动阀门、冷却塔、通风机等设备的集中控制和阀门开度值的采集；控制系统采用硬件冗余设计，如果1台CPU失效，备用CPU将自动接管控制；抽采管路、环境、工况传感器数据从安全监控分站直接获取；上位机在调度室实现抽采泵站和抽采管路的远程监测控制，并具备冗余功能。

2.2系统设计

系统CPU采用西门子公司S7-1515R控制器,通过电气接口PROFINETX1接口实现同步，不需要额外的同步模块。平台软件采用Wincc7.3组态软件，如图3所示。

2.3S7-1515R冗余系统主要步骤

（1）项目使用博途V16软件，在项目中添加1515RCPU，系统自动组态X1P2端口互联。

（2）设置2台PLC的IP地址。其中，主PLC的X1接口IP地址为192.168.1.10，从PLC的X1接口IP地址为192.168.1.11；主PLC的X2接口IP地址为192.168.2.21，从PLC的X2接口IP地址为192.168.2.22。X2接口的系统IP地址为192.168.2.20。X2系统的IP地址可与HMI设备、组态软件进行通信。

（3）在PLC模块的“介质冗余”项检查介质冗余角色，默认为“管理员（自动）”；在“连接机制”项中激活“允许来自远程对象的PUT/GET通信访问”功能。

（4）在“网络视图”窗口将接口模块IM155-5PNHF作为IO设备从硬件目录拖动到任务窗口，并将所需功能模块拖动到IO设备中的相应插槽中。

（5）在“网络视图”窗口选择IO设备并右键点击设备上的“未分配”提示符，在其下拉框中点击“分配给新IO控制器”项，在弹出的对话框中选择2个冗余PLC并点击“确定”。该IO控制器上“未分配”提示符变为“多重分配”。

（6）IO设备依据项目规划修改IP地址，并在“介质冗余”项中设置介质冗余角色为“客户端”，在“实时设定”项中修改“接受的更新周期”参数。

（7）程序编译完成后点击“下载到设备”按钮，在对话框中设置“PG/PC接口类型”、“PG/PC接口”、“接口/子网连接”项的参数并点击“开始搜索”按钮。在“选择目标设备”表中会显示系统中的CPU及其角色，选择主CPU并点击“下载”按钮。冗余PLC的程序下载只能下载主PLC，备用PLC只有在启动时将组态和程序从主PLC同步备份到备PLC。

（8）在网络视图窗口选择相应的IO设备并点击“右键”，在下拉菜单中选择“分配设备名称”项，在对话框中设置“PG/PC接口类型”、“PG/PC接口”项的参数并点击“更新列表”按钮。在“网络中的可访问的节点”表中选择需要分配设备名称的设备，点击“分配名称”按钮。IO控制器将自动为从站分配组态的IP地址。

2.4控制功能设计

控制程序主要完成抽采泵、循环水泵、电动阀门、冷却塔及排风扇等被控设备的控制以及保护联动，主要分为集中和远程2种控制模式。其中，集中控制模式主要是就地显示控制柜进行设备启、停操作［4］；远程控制模式是用户在值班室的上位机上操作相应设备的启动和停止。

（1）抽采泵缺水保护功能。在抽采泵运行时，监控系统实时监测供水情况，在供水管路无水流时，视为抽采泵缺水，发出声光报警，缺水情况持续2min发出停泵指令。

（2）环境甲烷超限保护功能。监控系统实时监测泵房内、管路间的环境甲烷浓度，当甲烷浓度＞0.5％时，发出报警并启动排风装置；当环境甲烷浓度＞1.0％时，控制器切断相关设备的电源，保障抽采系统安全。

（3）机电设备超温保护功能。监控系统实时监测抽采泵轴承温度、电机轴承与定子温度，当抽采泵轴承温度＞65℃时发出报警信号，＞70℃时发出停泵指令；当电机的轴承温度＞80℃或定子温度＞120℃时，发出报警信号。

2.5位机设计

瓦斯抽采监控系统以西门子WinCC7.3组态软件作为监控平台，通过驱动与S7-1515R控制器实现通信连接、数据归档、脚本编写等功能，实现上位机与PLC实时监控［5］。根据瓦斯抽采工艺流程，在WinCC7.3软件中以图形界面的方式展示了抽采系统工艺流程，实现抽采监控系统的动态展示、数据监测、数据归档、报表打印等。2台上位机保持联网运行，其中1台设为主机，另1台设为备机，组态软件的冗余功能实现2台上位机的自动同步匹配。当主机出现故障后，备机可以快速接替，保障了过程监控的可靠性。

3结语

分析了西门子S7-1500R/H冗余系统的硬件构成、工作原理和运用场合，并介绍了软件组态的主要步骤和注意事项。借助于国家大力推行“机械化换人,自动化减人”科技强安的机遇，基于西门子S7-1515R冗余PLC的瓦斯抽采泵站控制系统，实现了可靠的冗余功能、稳定的通信传输。该系统在山西晋城某矿瓦斯抽采泵站投入运行，其稳定性和可靠性保障了瓦斯抽采泵站安全运行，为后续抽采泵站无人化建设提供了参考。

［参考文献］

［1］李健威，万勇.基于WinCC的无人值守瓦斯抽采智能控制系统研究［J］.自动化与仪表，2019，34（5）：49-52.

［2］胡鹏，唐坚.西门子S7-1500R/H冗余系统概述［J］.锻压装备与制造技术，2020，55（2）：78-81.

［3］西门子（中国）有限公司.SIMATICS7-1500与TIA博途软件使用指南［M］.北京：机械工业出版社，2017.

［4］刘东科，谢国军，刘健康.基于力控和S7_300的煤矿瓦斯抽放监控系统的设计［J］.工业控制计算机，2014，27（6）：67-68.

［5］西门子（中国）有限公司.西门子SIMATICWinCC使用指南［M］.北京：机械工业出版社，2018.

作者：蒋志龙 单位：天地（常州）自动化股份有限公司