西门子变频器1FL6024-2AF21-1AA1

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S7-400H冗余容错自动化系统设计

 冗余设计的容错自动化系统S7-400H

  1.S7-400H的使用场合

  在许多生产领域中，要求容错和高度可靠性的应用越来越多，某些领域由于故障引起的停机将会带来重大的经济损失。S7-400H特别适合在下列场合使用

  1)停机将会造成重大的经济损失。

  2)过程控制系统发生故障后再启动的费用十分昂贵。

  3)某些使用贵重的原材料的过程控制(例如制药工业)会因突发的停机而产生废品。4)无人管理的场合或需要减少维修人员的场合。

  西门子的S7 Software Redundancy(S7软件冗余)可选软件可以在S7-300和S7-400标准系统上运行。生产过程出现故障时，在几秒钟内切换到替代系统，可以用于水厂水处理系统或交通流量控制系统等场合。

  S7-400H是按冗余方式设计的，主要器件都是双重的，可以在事件发生后继续使用备用的器件。设计成双重器件的有中央处理器CPU、电源模块以及连接两个中央处理器的硬件。用户可以自行决定系统是否需要更多的双重器件，以增强设备的冗余性。

  2.S7-400H的结构

  S7-400H由两个子系统组成，典型的结构是使用分为两个区(每个区9个槽)的机架UR2H，每个区可以视为一个中央控制器，也可以使用两个立的中央控制器(即中央机架)UR1/UR2。每个中央控制器有一块具备容错功能的CPU414-4H或CPU417-4H，一块PS407冗余(Redundant)电源模块。同步子模块用于连接两个中央处理器，它们放置在中央处理器内部，并由光缆互连。

  每个中央控制器上有S7 I/O 模块，中央控制器也可以有扩展机架或ET200M分布式I/O。中央功能总是冗余配置的，I/0模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置。

  若要提高供电的冗余能力，每个子系统可以采用冗余供电的方式。在这种情况下需使用PS407或PS405冗余电源模块，输出电流为10A。

  通过冗余的PROFIBUS-DP网络连接ET200M(见图2-14)，冗余接口由两个标准IM

图2-14 冗余控制系统

  153-2 总线模块组成。可以通过一个冗余 DP/PA链接器连接 PROFIBUS-PA网络，也可以通过Y形链接器在冗余PROFIBUS中连接非冗余设备。

  S7-400H可以使用系统总线(例如工业以太网)或点对点通信，从简单的线性网络结构到冗余式双光缆环路。S7的通信功能完全支持PROFIBUS或工业以太网的容错通信。

  出现通信故障时，通过多4个冗余连接，使通信继续下去。切换过程不需要用户编程，在参数设置时建立冗余功能，用户的通信程序与标准通信程序一样。S7-400H和PC支持冗余通信，PC冗余需要有连接程序软件包。由于对冗余的要求不同，网络可以配置为冗余的或非冗余的总线，可以是总线型或环形结构。

  3. S7-400H冗余控制 PLC的工作原理

  CPU 417H的操作系统自动地执行 S7 -400H需要的附加功能，包括数据通信、故障响应(切换到备用控制器)、两个子单元的同步和自检功能等。

  S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余原理，在发生故障时，无扰动地自动切换。无故障时两个子单元都处于运行状态，如果发生故障，正常工作的子单元能立完成整个过程的控制。为了无扰动切换，实现中央控制器链路之间的快速、可靠的数据交换。两个控制器使用相同的用户程序，自动地接收相同的数据块、过程映像和相同的内部数据。这样可以确保两个子控制器同步地更新内容，任意一个子系统出现故障时，另一个可以承担全部控制任务。

  S7-400H采用“事件驱动同步”，当两个子单元的内部状态不同时，例如在直接I/O访问、中断、报警和修改实时钟时，就会进行同步操作。通过通信功能修改数据，由操作系统自动执行同步功能，不需要用户编程。S7-400H对中央控制器之间的链接、CPU模块、处理器/ASIC和存储器进行自检。再启动后每个子单元完整地执行所有的测试功能。

  4. S7-400H冗余控制PLC的编程与组态

  容错式连接只需要进行组态，不需要其他的编程工作。从用户程序的观点看，S7-400H的作用几乎和标准系统一样。运行容错功能所需的通信功能和同步功能都已经集成在容错CPU的操作系统中，通信连接的监视以及发生故障事件时的自动切换在后台自动运行。用户程序完全没有必要考虑这些功能。

  S7-400H用STEP7进行组态和编程，完成配置后可以把S7-400H看成一般的S7-400系统。冗余单元的工作由操作系统来监视，出现故障后可以立地执行切换工作，用STEP7组态时已经将所需信息组态进去，并通知系统。

  组态和编程需要可选的S7HSystem软件包，能在S7-400系统上使用的所有的标准软件工具、工程用软件工具和运行软件工具都可以在S7-400H上使用。

  除了那些既可以在S7-400上使用也可以在S7-400H上使用的功能块外，S7-400H系列还提供了一些与冗余功能有关的组织块，例如 OB70(I/O冗余故障)和 OB72(CPU冗余故障)。使用系统功能SFC90“H_CTRL”，用户可以禁用或重新启用容错CPU的链接和刷新。

西门子S7-300CPU代理商

应用

各种性能级别的 CPU 可用于 SIMATIC S7-300。除标准型 CPU 外，还可以使用紧凑型 CPU。

还提供了 T-CPU 和故障安全 CPU。

提供了以下标准 CPU

CPU 312，用于小型工厂

CPU 314，用于对程序量和指令处理速率有额外要求的工厂

CPU 315-2 DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的工厂

CPU 315-2 PN/DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

CPU 317-2 DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的工厂

CPU 317-2 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

CPU 319-3 PN/DP，用于具有容量程序量何组网能力以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

提供有以下紧凑型 CPU：

CPU 312C，具有集成数字量 I/O 以及集成计数功能的紧凑型 CPU

CPU 313C，具有集成数字量和模拟量 I/O 的紧凑型 CPU

CPU 313C-2 PtP，具有集成数字量 I/O 、2个串口和集成计数功能的紧凑型 CPU

CPU 313C-2 DP，具有集成数字量 I/O 、PROFIBUS DP 接口和集成计数功能的紧凑型 CPU

CPU 314C-2 PtP，具有集成数字量和模拟量 I/O 、2个串口和集成计数、定位功能的紧凑型 CPU

CPU 314C-2 DP，具有集成数字量和模拟量 I/O、PROFIBUS DP 接口和集成计数、定位功能的紧凑型 CPU

CPU 314C-2 PN/DP 带有集成数字量和模拟量 I/O 和集成计数和定位功能的紧凑型 CPU，

可通过 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO 实现分布式拓扑；

可在作为 PROFINET 上基于组件的自动化 (CBA) 中的分布式智能设备

提供了以下技术 CPU

CPU 315T-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有中等/较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP和 PROFINET IO，并且需要对多 8 个轴执行可调节运动控制。

CPU 317T-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP 和PROFINET IO，还需要对多 32 个轴执行可调节运动控制。

CPU 317TF-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP 和PROFINET IO，需要有安全功能并对多 32 个轴执行可调节运动控制。

提供有以下故障安全型 CPU：

CPU 315F-2 DP，用于采用 PROFIBUS DP 进行分布式组态、对程序量有中/高要求的故障安全型工厂

CPU 315F-2 PN/DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

CPU 317F-2 DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的故障安全工厂

CPU 317F-2 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

CPU 319F-3 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINETIO进行分布式组态的故障安全型工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

设计

所有 CPU 均具有坚固、紧凑的塑料机壳。在前面板上的部件有：

状态和故障 LED

模式选择开关

MPI 端口

CPU 还具有以下配置：

SIMATIC 微型存储卡（MMC 卡）插槽；

MMC 卡替代集成的装载存储器，因此是操作*品。

使用前连接器连接到集成的 I/O 端口（紧凑型 CPU）

连接 PROFIBUS 总线(于DP型CPU)

RS 422/485 的连接（仅 PtP CPU）

连接 PROFINET(于PN型CPU)

功能

SIMATIC S7-300 CPU 具有、所需空间小以及小的维护成本，因此提高了性价比。

高处理速度；

例如，在 CPU 315-2 DP 中，位运算时，0.05 μs；浮点运算时，0.45 μs，

在 CPU 319-3 PN/DP 中，位运算时，0.004 μs；浮点运算时，0.04 μs

扩展数量

作为装载存储器的型存储卡（MMC）：

可在微型存储卡中存储一个完整的项目，包括符号和注释。RUN 模式下也可以进行读/写操作。这样可以降低服务成本

无需电池即可在 MMC 上备份 RAM 数据

  ①S7-200PLC的地址分配方式与特点

  S7-200PLC采用的是自动分配型地址分配方式。CPU模块本身带有集成的1/O，这些I/O点具有固定不变的地址，地址从字节0开始分配;通过扩展模块，PLC可以增加1/O点，扩展模块布置在CPU模块的右侧。扩展模块的I/O地址取决于模块的类型与模块在扩展连接中的安装位置。

  S7-200 PLC地址分配的特点如下。

  a.S7-200 PLC采用的是自动分配型地址分配方式，地址连续、有序。

  b.开关量输入/输出的地址以字节为单位进行分配，当模块输入/输出点的数量不为整字节时，该字节多余的输入/输出点不可以再作为实际输入/输出点分配给后续的其他模块，但可以作为内部标志位使用。

  c.模拟量输入、模拟量输出的地址是以字为单位各自独立分配的，而且Zui少需要分配2个字(即使模块只使用1点模拟量输入/输出)。如果模块本身无物理输入/输出与之对应，多余地址不但不可以分配给后续模块，而且也不可再作其他用途。

  ②地址分配实例

  【例3-1】某配套S7-200PLC的控制系统，采用CPU224模块，并选配一个4/4点输入/输出混合模块、一个8点输入模块、一个8点输出模块与两个4/1点模拟量输入/输出混合模块，其输入/输出地址的分配如图3-13所示。

  a.开关量输入地址的分配。CPU模块集成的输入点为14点，占用2个字节。其中，10.0～11.5为物理输入，可以连接外部输入信号：11.6、11.7为CPU模块占用的多金输入，既不可以连接输入信号，也不能分配给后续单元。

  从CPU模块向右，PLC安装的第一个具有输入点的扩展模块为4/4点输入/输出混合模块，需要占用1个字节的输入地址，地址从12.0开始进行分配。其中，12.0～12.3为物理输入，可以连接引部输入信号I2.4～12.7为CPU模块占用的多余输入，不能再分配给后续单元。

  PLC安装的第2个扩展模块为8点输入模块，占用1个字节的输入地址，地址从13.0 开始进行分配，无多余输入。

  b.开关量输出地址的分配。CPU模块集成的输出点为10点，占用2个字节。其中，Q0.0～Q1.1为物理输出，可以连接外部输出信号;Q1.2～Q1.7为CPU模块占用的多余输出，不可以连接外部输出信号，也不能分配给后续单元，但在PLC编程时可以作为内部标志位使用。

  从CPU模块向右，PLC安装的第一个具有输出点的扩展模块为4/4点输入/输出混合模块，同样需要占用1个字节的输出地址，地址从Q2.0开始进行分配。其中，Q2.0～Q2.3为物理输入，可以连接外部输出芯号;Q2.4～Q2.7为CPU模块占用的多余输出，不能再分配给后续单元，但在PLC编程时同样可以作为内部标志位使用。

  PLC安装的第2个具有输出点的扩展模块为8点输出模块，占用1个字节的输出地址，地址从Q3.0开始进行分配，无多余输出。

  c.模拟量输入地址的分配。CPU224模块无集成模拟量输入点，不占用模拟量输入地址。从CPU模块向右，PLC安装的第一个只有模拟量输入的扩展模块为4/1点模拟量输入/输出混合模块，以字为单位，4点模拟量需要占用8个字节，地址从AIWO开始进行分配，依次为AIWO、AIW2、AIW4、AIW6。

  PLC安装的第2个具有模拟量输入的扩展模块仍然为4/1点模拟量输入/输出混合模块，同样占用8个字节，地址从AIW8开始连续分配，依次为AIW8、AIW10、AIW12、AIW14。

  d.模拟量输出地址的分配。CPU224模块无集成模拟量输出点，不占用模拟量输出地址。从CPU模块向右，PLC安装的第一个具有模拟量输出的扩展模块为4/1点模拟量输入/输出混合模块，以字为单位，1点模拟量需要占用2个字节，但由于模拟量地址分配的Zui小单位是2个字，因此，模块实际需要占用2个字(4个字节)。模拟量输出地址AQW0具有物理输出，AQW2被占用，不可以分配给后续模块，也不可再作其他用途。

  PLC安装的第2个具有模拟量输出的扩展模块仍然为4/1点模拟量输入/输出混合模块，模块同样实际需要占用2个字(4个字节)，地址从AQW4开始分配，AQW4具有物理输出，AQW6被占用，不可以分配给后续模块，也不可再作其他用途。

6ES7211-1BE40-0XB0CPU 1211C  AC/DC/Rly,6输入/4输出,集成2AI6ES7211-1AE40-0XB0CPU 1211C   DC/DC/DC,6输入/4输出,集成2AI6ES7211-1HE40-0XB0CPU 1211C   DC/DC/Rly,6输入/4输出,集成2AI6ES7212-1BE40-0XB0CPU 1212C   AC/DC/Rly,8输入/6输出,集成2AI6ES7212-1AE40-0XB0CPU 1212C   DC/DC/DC,8输入/6输出,集成2AI6ES7212-1HE40-0XB0CPU 1212C   DC/DC/Rly,8输入/6输出,集成2AI6ES7214-1BG40-0XB0CPU 1214C   AC/DC/Rly,14输入/10输出,集成2AI6ES7214-1AG40-0XB0CPU 1214C   DC/DC/DC,14输入/10输出,集成2AI6ES7214-1HG40-0XB0CPU 1214C   DC/DC/Rly,14输入/10输出,集成2AI6ES7215-1BG40-0XB0CPU 1215C   AC/DC/Rly,14输入/10输出,集成2AI/2AO6ES7215-1AG40-0XB0CPU 1215C   DC/DC/DC,14输入/10输出,集成2AI/2AO6ES7215-1HG40-0XB0CPU 1215C   DC/DC/Rly,14输入/10输出,集成2AI/2AO6ES72171AG400XB0CPU 1217C   DC/DC/DC,14输入/10输出,集成2AI/2AO