西门子变频器6SE6430-2UD31-8DB0

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S7-400PLC标准型,冗余型,故障安全型

从PLC构造与功能上分类，S7-400PLC可以分为标准型(S7-400)、冗余型(S7-400H)、故障安全型(S7-400F/FH)三种基本类型，适用于不同场合的控制。

  ①标准型 PLC 标准型(S7-400)是S7-400系列中的常用产品，它可以适用于绝大多数对安全性能无特别严格要求的一般控制场合。标准型PLC可以实现除特殊安全要求外的全部功能，产品涵盖S7-400的全部系列，其品种多、规格全。

  同S7-300系列一样，标准型S7-400PLC的性能通过CPU模块的不同型号CPU (CPU412、CPU414、CPU416、CPU417)进行区分，性能差别主要体现在其运算速度与存储器容量上。

  ②冗余型PLC “冗余”型PLC(S7-400H系列)用于对控制系统可靠性要求、不允许控制系统出现停机的控制场合。所谓“冗余”系统，事实上是通过一套在系统正常工作时并不需要的、完整的“多余”系统作为系统的备件(称为备用系统或待机系统)，而且，备用系统始终处于待机状态(也称“热待机”)，只要工作控制系统(亦称为工作系统)发生故障(亦称为"宕机")，"备用系统"可以立即投入正常工作，并成为工作控制系统，以整个控制系统连续、不间断运行(见图2-73)。

  在备用系统投入工作期间，可以对故障系统进行整机维修、更换等处理，维修结束后再装入系统，并成为新的“备用系统”。

  "冗余'系统在结构上可以采用两套完整的PLC控制系统，也可以是将一个机架分割为两个区域，并安装两套模块(包括CPU、I/O等)，两个CPU间采用"跟踪电缆"(一般为光缆)进行连接，并通过PLC的切换指令实现工作系统与备用系统间的切换(参见图2-74)。

  “冗余”的设计规模可大可小，对于现场控制PLC可以是整机“冗余”(包括电源、CPU、基板、全部安装模块，参见图2-75)，也可以是仅仅对重要模块(如CPU、电源模块等)采用“冗余”(参见图2-76)。对于大型、复杂控制系统，为了提高可靠性，可以在系统中多层次、重复使用"冗余"设计的方式，如同时对系统中的网络通信PLC、现场控制PLC、现场控制PLC中的关键模块(如CPU模块、电源模块)等进行冗余设计。

  “冗余”系统使用S7-400H系列冗余CPU模块，其外形如图2-77所示。PLC“冗余”系统的组成应包括如下基本组件：a.2个S7-400H系列CPU模块;

  b.2套安装CPU模块的机架，或者是一个可以分割为2个相同区域的机架;

  c.根据“冗余”的需要，配置、选择需要的其他模块(如I/O模块、扩展单元与扩展模块，分布式I/O模块、通信接口模块与通信线路等)。

  PLC系统中的1/O模块(或功能模块、通信模块等)，根据冗余系统的要求可以选择"单通道配置"(也称单边配置或常规配置)与"双通道切换配置"两种不同的形式。

  所谓单通道配置是指PLC系统中只安装有一套1/O模块，在2个CPU模块中定义同样的I/O地址，CPU信号通过"跟踪电缆"同时传送到2个CPU模块上，2个CPU模块同时同步运行用户程序，一旦工作CPU发生故障，即退出运行，同时由备用CPU接管I/O控制权。此种方式可以用于系统CPU需要不间断工作，但CPU模块可以满足系统安全、可靠性要求的场合。所谓双通道切换配置，是指PLC系统中同时安装有2套CPU 模块，输入/输出信号同时连接到2套PLC中，2个CPU模块同时同步运行用户程序。但是，实际输出只受其中一个CPU模块的控制(工作CPU)，另一个CPU处于“热待机”状态(备用CPU)。一旦工作系统发生故障，其全部模块均退出运行，同时由备用系统接管对系统的控制。此种方式可以用于系统CPU需要不间断工作，而且对I/O模块可靠性要求特别高的场合。

  ③故障安全型PLC S7-400系列故障安全型包括S7-400F与S7-400FH两种规格。

  a.S7-400F为故障安全型PLC，其CPU模块上安装有经德国技术监督认可的基本功能块与安全型1/O模块参数化工具.

  故障安全型CPU可以通过自检、结构检查、逻辑顺序流程检查等措施，进行运行过程的故障诊断与检测。它可以在系统出现故障时立即进入安全状态或安全模式，以确保人身与设备的安全。

  b.S7-400PH为故障安全冗余型PLC，它兼有故障安全与冗余两方面的功能，可以在系统出现故障时立即切换PLC，在确保人身与设备的安全的基础上使设备保持连续、不间断地运行。

  S7-400F/FH系列安全型PLC可以用于具有如下安全要求的场合：

  a.安全要求达到DINV19250/DINVVDE0801 AKl～AK6标准;

  b.安全要求达到IEC61508 SIL1～SIL3标准;c.安全要求达到EN 954-1标准。

  安全型PLC程序的设计需要“S7-F系统”编程工具软件，并且在如下软件下才能运行：

  a. STEP7 V5.1或更高版本;

  b. CFC V5.0 Service Pack3或更高版本;

  c. S7-SCLV5.0或更高版本;

  d. S7H V5.1或更高版本。

为什么说用PLC实现对系统的控制是非常可靠的

  用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。

    1·在硬件方面：

    PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。

    PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。

    在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。

    有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。

    还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。

    2．在软件方面：

    PLC的工作方式为扫描加中断，这既可它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争"，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

    为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了"看门狗"（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清"看门狗"定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个"看门狗"监控程序，可PLC用户程序的正常运行，可避免出现"死循环"而影响其工作的可靠性。

    PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

    PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

    正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。

    曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的指标。

1. PLC的初始化控制

  在工业控制中，常常需要给许多设备初始化后才能进入正常的控制阶段。这些初始化仅仅只在PLC通电一开始的阶段运行，当PLC正常运行后，不再执行这些初始化程序，使用顺序控制继电器指令很容易实现这样的控制。其梯形图和语句表程序如图6-1所示。

  特殊继电器SM0.1仅在PLC通电开始产生的第一个扫描周期接通，因此S0.1所控制的顺序程序段仅在PLC通电的第一个扫描周期内运行，也就是实现了设备的初始化控制。

  2. PLC故障控制

  在PLC运行过程中会出现许多料想不到的故障，为了避免故障发生所带来严重的后果，需要采用一定的手段保证PLC正常运行或者使其停止运行。在这些情况下往往会用到有条件结束指令、停止指令以及看门狗复位指令。

  PLC故障控制的梯形图和语句表如图6-2所示。

  图6-1 设备初始化控制的梯形图和语句表

  (a)梯形图;(b)语句表

  图6-2 PLC故障控制的梯形图和语句表

  (a)梯形图;(b)语句表

  在这个过程中，PLC在一下3种情况下会执行STOP停止指令，从而停止PLC的运行，以防止事故的发生。

  1) 在PLC运行过程中如果现场出现了特殊情况，按下与10.1相连接的按钮，使得I0.1位为1。

  2) PLC系统出现I/O错误。

  3) PLC监测到系统程序出现了问题。

  当循环程序很多或者中断很多时，虽然PLC是正常运行的，但会大大延长PLC的扫描周期而造成WDT 故障。为了使PLC顺利运行，可以在适当的位置执行看门狗复位指令，重新触发WDT，使其复位。

  在PLC运行过程中，若不希望运行某一部分程序，则可在这段不希望运行的程序前面加上图6-2所示的Zui后一条指令，这样只要接通与10.0相连的按钮，就会执行END指令，PLC就会返回主程序起点，重新执行。

  3. PLC的复电输出禁止控制

  在实际控制工程中，可能遇到突发停电情况。在复电时，控制环境可能仍处于原先得电的工作状态，从而会使相应的设备立即恢复工作，这极易引发设备动作逻辑错乱，甚至发生严重事故。为了避免这种情况的发生，在PLC控制程序中需要对一些关键设备的控制端口(PLC输出端口)做复电输出禁止控制。

  复电输出禁止程序运用了西门子PLC的特殊标志位存储器SMO.3，SMO.3为加电接通一个扫描周期，使M1.0置位为"1"，Q1.0和Q1.1无论在12.0、12.1处于什么状态，均无输出，该程序如图6-3所示。

  由“继电器-接触器”控制电路的工作原理可知，“继电器-接触器”控制电路图中各行元器件是并列执行的，而复电输出禁止程序反映了PLC程序(用户程序)执行时不是并列执行的，而是按先后顺序执行的。这完全是由PLC的扫描工作原理所决定的，这对于正确编制PLC控制程序是至关重要的。

  在PLC复电进入RUN状态后，PLC在自检及通信处理后，进行输入采样，而后按用户梯形图程序指令的要求，对于输出线圈按照从上到下的顺序执行，对于同一线圈按照由左向右的顺序依次执行，动作不可逆转(使用跳转指令的情况除外)，Zui后输出刷新，之后循环往复执行，直至停止。对用户程序执行过程的理解是设计PLC用户程序的关键。

  PLC复电输出禁止程序循环扫描执行过程如图6-4所示。PLC加电进入RUN状态后，SM0.3接通一个扫描周期，使MLO置位为"1"，M1.0的动断触点断开，从而切断了输出线圈QL0、QL1的控制逻辑，达到了输出被禁止的目的。当QL.0、QL.1所控制的设备准备好之后，譬如进入第2个循环时，可以转换IL.0 的状态，使其为"1"，则M1.0被复位为"0"，对输出Q1.0、Q1.1的控制解除，并将控制权转移给12.0、12.1，此时若12.0、12.1为“1”，Q1.0、Q1.1置位为“1”。这样就避免了PLC复电后倘若12.0、12.1均处于ON状态而导致Q1.0、Q1.1直接输出。

  图6-3 复电输出禁止程序

  图6-4 PLC复电输出禁止程序循环扫描执行过程

  复电输出禁止程序在工程实际中经常能用到，本程序可以根据工程具体情况，稍加改造就可应用。

  4. PLC系统的多工况选择控制

  在许多工业控制场合，不仅仅需要有自动控制的功能，还需要有手动控制的功能。若选择开关(或按钮)处于自动挡的时候，PLC自动执行自动控制程序而不执行手动程序；若选择开关(或按钮)处于手动挡的时候，PLC自动执行手动控制段序而不执行自动控制程序。以此类推，还可以有更多的工况功能选择，如返回原位、单步操作、单循环操作、自动多循环操作等。这种多工况选择功能可以用顺序控制来实现。用顺序控制实现自动/手动切换的程序梯形图和其所对应的语句表如图6-5所示。