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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。

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  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，也可以使用两个独立的中央控制器(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独立完成整个过程的控制。为了保证无扰动切换，必须实现中央控制器链路之间的快速、可靠的数据交换。两个控制器必须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，不需要其他专门的编程工作。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，出现故障后可以独立地执行切换工作，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。

S7-300/400存储器间接寻址和寄存器间接寻址

  S7-300/400的直接寻址方法与S7-200相同。间接寻址方式有“存储器间接寻址”与"寄存器间接寻址"两种。由于S7-300/400具有专用的指针寄存器AR1、AR2，因此，间接寻址建立“地址指针”的方法与指令的表示方法、寻址的范围等均与S7-200PLC有大的区别，其使用更方便，寻址范围也更大。

  ①存储器间接寻址

  S7-300/400与S7-200 PLC两者的存储器间接寻址方式相比，在实际使用中只有两方面明显的区别。

  a.在S7-300/400中，间接寻址不需要建立指针的过程，可以直接在寻址对象的前面加"【】"标记，表示该寻址对象为间接寻址。

  b.间接寻址可以用于二进制位地址。

  【例3-8】通过局部变量LD10，将输入122.2读入，与10.0进行"与"运算，结果输出到Q0.1的程序如下：

间接寻址程序

  ②寄存器间接寻址

  S7-300/400的寄存器间接寻址是一种利用指针寄存器进行偏移的间接寻址方式，格式为【AR1，m】或【AR2，m】，间接寻址所指定的存储器地址为指针寄存器AR1或AR2的内容与m之和。

  指针寄存器 AR1或AR2为双字长寄存器，可以同时存储地址、字节、位等信息。因此，寻址不仅可以在存储器自身的区域内进行(如内部标志M之间、输入工之间等)，而且可以在不同的区域内进行(如由内部标志M到输入I等)。

  地址位(bit31)："0"表示指针寄存器不含地址符，地址符bit24～bit26应为0;

  "1"表示指针寄存器含地址符，地址符由bit24～bit26指定。

  地址符(bit24～bit26)：地址位(bit31)为“1”时用于指定存储器地址，地址的编码如下。