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冗余設計的容錯自動化系統(tǒng)S7-400H

??1. S7-400H的使用場合

??在許多生產(chǎn)領域中，要求容錯和高度可靠性的應用越來越多，某些領域由于故障引起的停機將會帶來重大的經(jīng)濟損失。S7-400H特別適合在下列場合使用

??1)停機將會造成重大的經(jīng)濟損失。

??2)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障后再啟動的費用十分昂貴。

??3)某些使用貴重的原材料的過程控制(例如制藥工業(yè))會因突發(fā)的停機而產(chǎn)生廢品。4)無人管理的場合或需要減少維修人員的場合。

??西門子的S7 Software Redundancy(S7軟件冗余)可選軟件可以在S7-300和S7-400 標準系統(tǒng)上運行。生產(chǎn)過程出現(xiàn)故障時，在幾秒鐘內(nèi)切換到替代系統(tǒng)，可以用于水廠水處理系統(tǒng)或交通liuliang控制系統(tǒng)等場合。

??S7-400H是按冗余方式設計的，主要器件都是雙重的，可以在事件發(fā)生后繼續(xù)使用備用的器件。設計成雙重器件的有中央處理器CPU、電源模塊以及連接兩個中央處理器的硬件。用戶可以自行決定系統(tǒng)是否需要更多的雙重器件，以增強設備的冗余性。

??

2. S7-400H的結構

??S7-400H由兩個子系統(tǒng)組成，典型的結構是使用分為兩個區(qū)(每個區(qū)9個槽)的機架UR2H，每個區(qū)可以視為一個中央控制器，也可以使用兩個獨立的中央控制器(即中央機架)UR1/UR2。每個中央控制器有一塊具備容錯功能的CPU414-4H或CPU417-4H，一塊PS407冗余(Redundant)電源模塊。同步子模塊用于連接兩個中央處理器，它們放置在中央處理器內(nèi)部，并由光纜互連。

??每個中央控制器上有S7 I/O 模塊，中央控制器也可以有擴展機架或ET 200M分布式I/O。中央功能總是冗余配置的，I/0模塊可以是常規(guī)配置、切換型配置或冗余配置。

??若要tigao供電的冗余能力，每個子系統(tǒng)可以采用冗余供電的方式。在這種情況下需使用PS407或PS405冗余電源模塊，輸出電流為10A。

??通過冗余的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡連接ET200M(見圖2-14)，冗余接口由兩個標準IM

圖2-14 冗余控制系統(tǒng)

??153-2 總線模塊組成?？梢酝ㄟ^一個冗余 DP/PA鏈接器連接 PROFIBUS-PA 網(wǎng)絡，也可以通過Y形鏈接器在冗余PROFIBUS中連接非冗余設備。

??S7-400H可以使用系統(tǒng)總線(例如工業(yè)以太網(wǎng))或點對點通信，從簡單的線性網(wǎng)絡結構到冗余式雙光纜環(huán)路。S7的通信功能完全支持PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)的容錯通信。

??出現(xiàn)通信故障時，通過最多4個冗余連接，使通信繼續(xù)下去。切換過程不需要用戶編程，在參數(shù)設置時建立冗余功能，用戶的通信程序與標準通信程序一樣。S7-400H和PC 支持冗余通信，PC 冗余需要有連接程序軟件包。由于對冗余的要求不同，網(wǎng)絡可以配置為冗余的或非冗余的總線，可以是總線型或環(huán)形結構。

??3. S7-400H 冗余控制 PLC的工作原理

??CPU 417H的操作系統(tǒng)自動地執(zhí)行 S7 -400H 需要的附加功能，包括數(shù)據(jù)通信、故障響應(切換到備用控制器)、兩個子單元的同步和自檢功能等。

??S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余原理，在發(fā)生故障時，無擾動地自動切換。無故障時兩個子單元都處于運行狀態(tài)，如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制。為了保證無擾動切換，必須實現(xiàn)中央控制器鏈路之間的快速、可靠的數(shù)據(jù)交換。兩個控制器必須使用相同的用戶程序，自動地接收相同的數(shù)據(jù)塊、過程映像和相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)。這樣可以確保兩個子控制器同步地更新內(nèi)容，任意一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一個可以承擔全部控制任務。

??S7-400H采用“事件驅動同步”，當兩個子單元的內(nèi)部狀態(tài)不同時，例如在直接I/O 訪問、中斷、報警和修改實時鐘時，就會進行同步操作。通過通信功能修改數(shù)據(jù)，由操作系統(tǒng)自動執(zhí)行同步功能，不需要用戶編程。S7-400H對中央控制器之間的鏈接、CPU 模塊、處理器/ASIC和存儲器進行自檢。再啟動后每個子單元完整地執(zhí)行所有的測試功能。

??4. S7-400H 冗余控制PLC的編程與組態(tài)

??容錯式連接只需要進行組態(tài)，不需要其他專門的編程工作。從用戶程序的觀點看，S7-400H的作用幾乎和標準系統(tǒng)一樣。運行容錯功能所需的通信功能和同步功能都已經(jīng)集成在容錯CPU的操作系統(tǒng)中，通信連接的監(jiān)視以及發(fā)生故障事件時的自動切換在后臺自動運行。用戶程序完全沒有必要考慮這些功能。

??S7-400H用STEP7進行組態(tài)和編程，完成配置后可以把S7-400H看成一般的S7-400系統(tǒng)。冗余單元的工作由操作系統(tǒng)來監(jiān)視，出現(xiàn)故障后可以獨立地執(zhí)行切換工作，用STEP7組態(tài)時已經(jīng)將所需信息組態(tài)進去，并通知系統(tǒng)。

??組態(tài)和編程需要可選的S7H System軟件包，能在S7-400系統(tǒng)上使用的所有的標準軟件工具、工程用軟件工具和運行軟件工具都可以在 S7-400H上使用。

??除了那些既可以在S7-400上使用也可以在S7-400H上使用的功能塊外，S7-400H 系列還提供了一些與冗余功能有關的組織塊，例如 OB70(I/O冗余故障)和 OB72(CPU 冗余故障)。使用系統(tǒng)功能SFC90“H_CTRL”，用戶可以禁用或重新啟用容錯CPU的鏈接和刷新。

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