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冗余設計的容錯自動(dòng)化系統S7-400H

??1. S7-400H的使用場(chǎng)合

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

??1)停機將會(huì )造成重大的經(jīng)濟損失。

??2過(guò)程控制系統發(fā)生故障后再啟動(dòng)的費用十分昂貴。

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

??西門(mén)子的S7 Software Redundancy(S7軟件冗余)可選軟件可以在S7-300和S7-400 標準系統上運行。生產(chǎn)過(guò)程出現故障時(shí)，在幾秒鐘內切換到替代系統，可以用于水廠(chǎng)水處理系統或交通liuliang控制系統等場(chǎng)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(gè)中央處理器的硬件。用戶(hù)可以自行決定系統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(gè)子系統組成，典型的結構是使用分為兩個(gè)區(每個(gè)區9個(gè)槽)的機架UR2H，每個(gè)區可以視為一個(gè)中央控制器，也可以使用兩個(gè)獨立的中央控制器(即中央機架)UR1/UR2。每個(gè)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(gè)中央處理器，它們放置在中央處理器內部，并由光纜互連。

??每個(gè)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模塊可以是常規配置、切換型配置或冗余配置。

??若要tigao供電的冗余能力，每個(gè)子系統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(guò)冗余的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )連接ET200M(見(jiàn)圖2-14)，冗余接口由兩個(gè)標準IM

圖2-14 冗余控制系統

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

??S7-400H可以使用系統總線(xiàn)(例如工業(yè)以太網(wǎng))或點(diǎn)對點(diǎn)通信，從簡(jiǎn)單的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )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。

??出現通信故障時(shí)，通過(guò)Zui多4個(gè)冗余連接，使通信繼續下去。切換過(guò)程不需要用戶(hù)編程，在參數設置時(shí)建立冗余功能，用戶(hù)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(luò )可以配置為冗余的或非冗余的總線(xiàn)，可以是總線(xiàn)型或環(huán)形結構。

??3. S7-400H 冗余控制 PLC的工作原理

??CPU 417H的操作系統自動(dòng)地執行 S7 -400H 需要的附加功能，包括數據通信、故障響應(切換到備用控制器)、兩個(gè)子單元的同步和自檢功能等。

??S7-400H采用“熱備用”模式的主動(dòng)冗余原理，在發(fā)生故障時(shí)，無(wú)擾動(dòng)地自動(dòng)切換。無(wú)故障時(shí)兩個(gè)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(gè)過(guò)程的控制。為了保證無(wú)擾動(dòng)切換，必須實(shí)現中央控制器鏈路之間的快速、可靠的數據交換。兩個(gè)控制器必須使用相同的用戶(hù)程序，自動(dòng)地接收相同的數據塊、過(guò)程映像和相同的內部數據。這樣可以確保兩個(gè)子控制器同步地更新內容，任意一個(gè)子系統出現故障時(shí)，另一個(gè)可以承擔全部控制任務(wù)。

??S7-400H采用“事件驅動(dòng)同步”，當兩個(gè)子單元的內部狀態(tài)不同時(shí)，例如在直接I/O 訪(fǎng)問(wèn)、中斷、報警和修改實(shí)時(shí)鐘時(shí)，就會(huì )進(jìn)行同步操作。通過(guò)通信功能修改數據，由操作系統自動(dòng)執行同步功能，不需要用戶(hù)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(jìn)行自檢。再啟動(dòng)后每個(gè)子單元完整地執行所有的測試功能。

??4. S7-400H 冗余控制PLC的編程與組態(tài)

??容錯式連接只需要進(jìn)行組態(tài)，不需要其他專(zhuān)門(mén)的編程工作。從用戶(hù)程序的觀(guān)點(diǎn)看，S7-400H的作用幾乎和標準系統一樣。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的操作系統中，通信連接的監視以及發(fā)生故障事件時(shí)的自動(dòng)切換在后臺自動(dòng)運行。用戶(hù)程序完全沒(méi)有必要考慮這些功能。

??S7-400H用STEP7進(jìn)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。冗余單元的工作由操作系統來(lái)監視，出現故障后可以獨立地執行切換工作，用STEP7組態(tài)時(shí)已經(jīng)將所需信息組態(tài)進(jìn)去，并通知系統。

??組態(tài)和編程需要可選的S7H System軟件包，能在S7-400系統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(guān)的組織塊，例如 OB70(I/O冗余故障)和 OB72(CPU 冗余故障)。使用系統功能SFC90“H_CTRL”，用戶(hù)可以禁用或重新啟用容錯CPU的鏈接和刷新。

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