西門子S7-400H冗余系統(tǒng)西門子S7-400H冗余系統(tǒng)

有冗余設計的容錯自動化系統(tǒng)

• 在容錯技術下用于需要可靠性的場合：再啟動或停機將會造成較大損失的生產(chǎn)領域；需要少量管理和維護的工廠

• 冗余的功能

• 加強 I/O 的可用性：可切換 I/O 的配置

• 也可應用常規(guī)的 I/O：單邊配置

• 熱備：在故障事件發(fā)生時自動地切換到備用單元

• 2 個單獨的或一個分隔的機架配置

• 連接到冗余 PROFIBUS -DP 或者 PROFINET 上的可切換 I/O

應用

在許多自動化領域中，要求容錯和可靠性的自動化系統(tǒng)的應用越來越多。特別是在某些領域，停機將帶來巨大的經(jīng)濟損失。在這種情況下，只有冗余系統(tǒng)才能滿足可靠性的要求。可靠性的 SIMATIC S7-400H 能充分滿足這些要求。它能連續(xù)運行，即使控制器的某些部件由于一個或幾個故障而失效也不受影響。由于 SIMATIC S7-400H 具有很的可用性，它特別適合于以下的應用領域：

• 控制器發(fā)生故障后再啟動的費用十分昂貴（一般在過程控制工業(yè)）

• 如發(fā)生停機，將會造成重大的經(jīng)濟損失

• 過程控制中包含有貴重的材料（如制藥工業(yè)）

• 無人管理的應用場合

• 需減少維護人員的場合

SIMATIC S7-400H 包括以下部件：

• 2 個控制器（機架）：2 個分立的控制器（UR1/UR2），或 1 個分割為 2 個區(qū)的控制器（UR2-H）。

• 每個控制器有 2 個同步模塊，通過光纖連接這兩個控制器

• 每個控制器有一個 CPU412-5H、CPU414-5H、CPU416-5H、CPU417-5H

• 在控制器機架有 S7-400 I/O 模板

• UR1/UR2/ER1/ER2 擴展單元與/或有 I/O 模板組的 ET 200M 分布式 I/O功能總是冗余配置的。

I/O 模板可以是常規(guī)配置或切換型配置。

在單邊配置中，I/O 模板是單通道設計的，只能由二個控制器中的一個配置地址。單邊配置的 I/O 模板可進行：

• 插入到一個控制器以及/或

• 插入到擴展機架或分布式 I/O 站在單邊配置中，讀到的信息同時提供給 2 個控制器，使訪問 I/O 的操作正確地運行。如發(fā)生故障，屬于故障控制器的 I/O模板退出運行。單邊配置適用于

• 不需要增加可靠性的應用場合

• 連接到以用戶程序為基礎的冗余 I/O 站。基于此種目的，系統(tǒng)對稱的配置設計在切換式配置中，I/O 模板雖為單通道設計，但是兩個控制器均可通過冗余的總線網(wǎng)絡訪問 I/O 模板。切換式 I/O 模板只能插入

• ET 200M 遠程 I/O 站。

通過 PROFIBUS-DP 或者 PROFINET 連接到控制器。

切換式配置 1

切換式配置 2

單邊配置（常規(guī)的可用性）

FM 和 CP 的冗余功

FM 和 CP 的冗余

功能模板（FM）和通訊模板有兩種冗余配置：

• 可切換的冗余設置：FM/CP 可插到分立的 ET 200M 中，或成對的插入到可切換的ET200M 中的一個。

• 雙通道冗余配置：FM/CP 可插到兩個子單元或者是和這些子單元接口的擴展設備中（參考單邊配置）實現(xiàn)模板的冗余有不同的方法。

• 由用戶編程：利用功能模塊和 SIMATIC CP 可以由用戶編程實現(xiàn)冗余功能。選擇主動模板并檢測任何故障以便啟動轉(zhuǎn)換機制。所要求的程序和帶冗余 FM/CP 的非冗余 CPU 的結(jié)構相一致。

• 操作系統(tǒng)直接支持：在 SIMATIC NET-CP（CP-443-1，CP 443-1TCP，CP 443-5 基本型和 CP 443-5 擴展型）上，操作系統(tǒng)直接支持冗余結(jié)構，詳細內(nèi)容見通訊手冊。CPU412-5H、CPU414-5H、CPU416-5H、CPU417-5H 操作系統(tǒng)自動地執(zhí)行所有 S7-400H 需要的附加功能：

• 數(shù)據(jù)通訊

• 故障響應（切換到備用控制器）

• 2 個子單元的同步功能

• 自檢“熱備”模式的 S7-400H 的運行是根據(jù)主動冗余原理（在發(fā)生故障時，無擾動地自動切換）。根據(jù)這個原理，*時兩個子單元都在運行狀態(tài)。如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立地完成整個過程的控制。為了保證無擾動地切換，做到控制器鏈路之間快速、可靠的數(shù)據(jù)交換。為此控制器自動的接收

• 相同的用戶程序

• 相同的數(shù)據(jù)塊

• 過程映象內(nèi)容

• 相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)，如計時器、計數(shù)器、位存儲器等這樣確保兩個子控制器要隨時更新內(nèi)容，并在任何時間只要一個有故障，另一個可承擔全部控制任務，因此CPU的切換時間為零，連接I/O站大切換時間100ms。為了無擾動地切換，兩個單元保持同步。S7-400H 運行于“事件驅(qū)動同步”。這就是說兩個子單元有不同的內(nèi)部狀態(tài)時，就會進行同步操作。

例如在下列情況：

• 直接 I/O 訪問

• 中斷，報警

• 刷新用戶時間

• 通過通訊功能修改數(shù)據(jù)由操作系統(tǒng)自動地執(zhí)行同步功能，編程時不需要考慮。

S7-400H 執(zhí)行擴展的自檢。包括如下內(nèi)容：

• 控制器間的鏈接

• CPU 模板

• 處理器/ASIC

• 存儲器檢測到的每一個故障都給出報告。運行后的自檢，當再起動時，每個子單元完整地執(zhí)行所有的測試功能。周期運行時的自檢：全部自測試被分配到幾個周期中進行。每個周期只執(zhí)行自檢中的一部分，以減輕控制器的負擔。SIMATIC 的可用性的通訊，為用戶提供了一種新型的通訊類型，它具有以下特點：

• 增強了可用性：發(fā)生故障時，通過多達 4 個冗余連接，使通訊仍能繼續(xù)進行。對用戶來說，需要的切換過程是看不到的。

• 用戶友好特點從用戶觀點來看，可用性是看不到的，可使用含標準通訊的用戶程序，不需要做修改。冗余功能只在參數(shù)化階段建立。目前 S7-400H（冗余和非冗余配置）和 PC 支持容錯通訊。PC

冗余需要有連接程序軟件包。

由于對容錯的要求不同，其配置也是各種各樣的：

• 非冗余或冗余總線

• 總線型或環(huán)形結(jié)構S7-400H 的編程和 S7-400 相同，可使用所有 SIMATIC S7 的

編程語言。

編程 S7-400H 需使用 STEP7 V5.5 SP2 HF1 版本。組態(tài) S7-400H 的基本步驟和組態(tài) S7-400 的基本步驟相同，例如

• 建立項目和站

• 配置硬件和網(wǎng)絡

• 裝載系統(tǒng)數(shù)據(jù)到目標系統(tǒng)