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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。

  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ET 200M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。

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立完成整个过程的控制。为了无扰动切换，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S7H System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。

PLC输入/输出滞后时间（PLC系统响应时间）

 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。

      输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。

       输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电到断电时的大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下。

      由扫描工作方式引起的滞后时间长可达两个多扫描周期。

       PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。

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