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S7-400H冗余容錯自動化系統設計

??冗余設計的容錯自動化系統S7-400H

??1. S7-400H的使用場合

??在許多生產領域中，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濟損失。

??2)過程控制系統發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)會因突發的停機而產生廢品。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 標準系統上運行。生產過程出現故障時，在幾秒鐘內切換到替代系統，可以用于水廠水處理系統或交通流量控制系統等場合。

??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中央處理器的硬件。用戶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。

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??2. S7-400H的結構

??S7-400H由兩個子系統組成，典型的結構是使用分為兩個區(每個區9個槽)的機架UR2H，每個區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模塊可以是常規配置、切換型配置或冗余配置。

??若要提高供電的冗余能力，每個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。

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

圖2-14 冗余控制系統

??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可以使用系統總線(例如工業以太網)或點對點通信，從簡單的線性網絡結構到冗余式雙光纜環路。S7的通信功能完全支持PROFIBUS或工業以太網的容錯通信。

??出現通信故障時，通過*多4個冗余連接，使通信繼續下去。切換過程不需要用戶編程，在參數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，網絡可以配置為冗余的或非冗余的總線，可以是總線型或環形結構。

??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，如果發生故障，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，必須實現中央控制器鏈路之間的快速、可靠的數據交換。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據塊、過程映像和相同的內部數據。這樣可以確保兩個子控制器同步地更新內容，任意一個子系統出現故障時，另一個可以承擔全部控制任務。

??S7-400H采用“事件驅動同步”，當兩個子單元的內部狀態不同時，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據，由操作系統自動執行同步功能，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行所有的測試功能。

??4. S7-400H 冗余控制PLC的編程與組態

??容錯式連接只需要進行組態，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一樣。運行容錯功能所需的通信功能和同步功能都已經集成在容錯CPU的操作系統中，通信連接的監視以及發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監視，出現故障后可以獨立地執行切換工作，用STEP7組態時已經將所需信息組態進去，并通知系統。

??組態和編程需要可選的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”，用戶可以禁用或重新啟用容錯CPU的鏈接和刷新。

S7-300/400存儲器間接尋址和寄存器間接尋址

??S7-300/400的直接尋址方法與S7-200相同。間接尋址方式有“存儲器間接尋址”與"寄存器間接尋址"兩種。由于S7-300/400具有專用的指針寄存器AR1、AR2，因此，間接尋址建立“地址指針”的方法與指令的表示方法、尋址的范圍等均與S7-200 PLC有大的區別，其使用更方便，尋址范圍也更大。

??①存儲器間接尋址

??S7-300/400與S7-200 PLC兩者的存儲器間接尋址方式相比，在實際使用中只有兩方面明顯的區別。

??a.在S7-300/400中，間接尋址不需要建立指針的過程，可以直接在尋址對象的前面加"【】"標記，表示該尋址對象為間接尋址。

??b.間接尋址可以用于二進制位地址。

??【例3-8】通過局部變量LD10，將輸入122.2讀入，與10.0進行"與"運算，結果輸出到Q0.1的程序如下：

間接尋址程序

??②寄存器間接尋址

??S7-300/400的寄存器間接尋址是一種利用指針寄存器進行偏移的間接尋址方式，格式為【AR1，m】或【AR2，m】，間接尋址所指定的存儲器地址為指針寄存器AR1或AR2的內容與m之和。

??指針寄存器 AR1或 AR2為雙字長寄存器，可以同時存儲地址、字節、位等信息。因此，尋址不僅可以在存儲器自身的區域內進行(如內部標志M之間、輸入工之間等)，而且可以在不同的區域內進行(如由內部標志M到輸入I等)。

??地址位(bit31)："0"表示指針寄存器不含地址符，地址符bit24～bit26應為0;

??"1"表示指針寄存器含地址符，地址符由bit24～bit26指定。

??地址符(bit24～bit26)：地址位(bit31)為“1”時用于指定存儲器地址，地址的編碼如下。