S7400H系统.docx

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S7400H系统

一、SIMATICH系统介绍

二、S7-400H硬件组态

三、S7-400H系统通讯

四、S7-400H系统的H-CIR（HardwareConfigurationInRun）功能

概述:

5、S7-400H系统信息及诊断

六、冗余I/O

七、软件冗余的原理和配置

一、SIMATICH系统介绍

1.1SIMATICH系统发展的历史

1.1.1H系统的定义

在现代工业的各个领域，要求拥有一种能够满足经济、环保、节能的高度自动化系统，同时，具有冗余及故障安全功能的可编程控制器是针对最高等级的控制需求。

H（高可靠性）系统，通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，H系统通过部件的冗余实现系统的高可靠性。

F（故障安全）系统，通过将发生中断的系统切换到安全状态（通常为停车）来避免造成对生命、环境和原材料的破坏。

FH或HF（故障安全和高可靠性）系统，通过将发生故障的通道关闭，保证系统无扰动运行。

S7-400H是西门子提供的最新冗余PLC。

由于他是SIMATICS7家族的一员，这意味S7-400H拥有所有SIMATICS7具有的先进性。

1.1.2SIMATICH系统的发展

西门子SIMATICH产品发展列表：

1986：

S5-150H带串行数据传输。

1987：

S5-150H带并行数据传输。

1990：

S5-155H带CPU946R/947R。

1991：

S5-115H带CPU942H。

1992：

S5-155H新功能（支持2-OO-3数字和模拟输入）。

1994：

S5-155H带CPU948R和新功能。

1997

●四月：

分离机架S5-155H。

●九月：

S5-155HLite版本。

1998

●一月：

IM153-3连接S5-115H,155H和S7软冗余。

●五月：

S7软冗余。

●七月：

S7-400冗余电源。

●十二月：

带CPU417H的S7-400H系统Beta版发布。

1999

●五月：

带CPU417H的S7-400H系统全面发布。

2000

●八月：

H-CPU在S7-400F中使用。

●十二月：

带CPU414H的S7-400H系统全面发布。

2001

●二月：

Y-Link连接单通道DP-Slaves。

2003

●一月：

支持冗余DI/DOAI/AO模件。

2004新CPU

●十二月：

V4CPU414-4H/417-4H全面发布。

●程序执行性能增加

●CPU414-4H大约为原CPU的1.5倍

●CPU417-4H大约为原CPU的2.5倍

●更多的内存

●CPU414-4H集成1.4MByte

●CPU417-4H集成20MByte

●更高的稳定性

内存带有自动错误探查和修复（EDC）

●同步电缆长度增加

●以前500m

●短距离同步模件最长10m

●长距离同步模件最长10Km

2005

●二月：

在S7-400F系统中使用H-CPUV4。

1.2故障率的计算方法

系统发生故障的频率和时间的关系可以用浴盆曲线来表达，如图1-1所示。

。

1.2.1浴盆曲线原理

图1-1浴盆曲线

从该曲线可以看出，系统故障率在系统早期投用和晚期老化后的故障率较高，而在使用中间段时随机故障率相对恒定。

1.2.2故障率计算公式

C=在考虑的时间范围Δt内，发生故障的部件数

N=整个使用的部件数

Δt=考虑的时间范围

1.2.3平均无故障时间MTBF

MTBF=1/λ

1.2.4可靠性计算公式

AS=MTBF/（MTBF+MDT）

MDT=平均故障时间（或

MTTR=平均修复时间）

举例：

●MTBF=100h，MDT=0.5h-àA=99.5%!

●MTBF=1year，MDT=24h-àA=99.7%

因此，考虑系统的可靠性需同时考虑MTBF和MDT。

1.2.5如何增加系统的可靠性

从可靠性公式中可以看出，增加系统的可靠性可以从提高MTBF和MDT降低两个方面进行。

1.2.5.1增加系统的稳定性

增加稳定性，可从如下环节考虑：

●设备生产商

●使用高质量部件

●使用具有更高标准的部件

●预烧

●抗过载保护

●质量控制

●冗余

●工厂设计人员

●网络结构

●冗余安装

●符合安装条件需要

●在合适的环境条件下使用

●工厂操作人员

●维护

●快速故障诊断

●自动故障诊断和定位（自测试）

●具有诊断功能

●诊断工具的稳定性

●训练有素的维护人员

●快速修复

●系统不停机情况下修复（在线修复）

●修复工程容易

●快速备件发送

●训练有素的专业人员

1.2.5.2整个系统的MTBF

对于串行系统而言，系统故障发生率是各部件故障发生率之和，如图1-2所示。

举例：

图1-2串行系统的MTBF

可见部件越多MTBF时间越小。

SIMATICH系统的平均无故障时间：

CPU:

15年

IO模件：

50年

平均修复时间:

大约4小时，对于工厂设计通常10年进行一次大修，更换部件。

注：

MTBF的计算方法没有一个确定的标准，各个产品生产商的计算方法不同。

1.2.5.3故障容错性比较

对于单机操作和冗余操作方式下的H系统故障容错性比较，如图1-3所示：

图1-3a

图1-3b

图1-3c

以单机操作的系数为1，那么安装与H-RACK机架上（2X9槽，中间物理分隔）的H系统可靠性提高57倍，如果H系统分别安装于完全分开的机架，例如普通九槽机架，可靠性将提高59倍。

1.3SIMATICH系统的优点及应用领域

1.3.1冗余系统的目的

使用冗余系统的目标是减少因一个错误或系统维护而导致的产品损失。

停车成本越高，越值得采用冗余系统。

通常投资冗余系统较高的费用会因避免的产品损失而很快地返还。

软冗余：

在许多应用场合，对于工厂单元的冗余质量和控制范围并不完全必要使用一个专用的冗余系统来执行，例如切换时间较长或丢失部分信息，但并不影响控制过程。

通常来说，简单的软冗余机制就可将因一个错误事件导致的故障控制过程切换到一个备用系统上而继续进行。

利用可选软件包“SIMATICS7SoftwareRedundancy”软冗余可在S7-300和S7-400标准系统中运行。

这样配置的软冗余系统可用于能够容忍切换延迟在秒级的控制过程，例如：

水厂工作、水处理或交通控制。

冗余I/O：

当两个单独的模块被组态并以冗余对方式使用时，则采用冗余I/O。

这种方式能够得到最高的可靠性，因为系统可以忍受单个CPU和单个信号模件发生故障。

冗余I/O是通过使用功能块库“functionI/Oredundancy”来执行的。

这些功能块只能在S7-400H系统中使用。

H系统的优点：

避免由于单个CPU故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。

需要H系统高可靠性的原因：

●处理贵重原料

●停车或不合格产品的成本昂贵

●控制系统瘫痪导致重新开车的费用高

●无需监视和维护人员的操作场合

1.3.2H系统的工业应用领域

S7-400H系统是用于高程度的可靠性和容错能力的场合，例如：

能源开采和配送（石油、天然气、电力）

●电力

●管输

●离岸

●区域加热系统

化学制品、电力化工、石化和采矿工业

环保工程

●水处理

●垃圾焚化

纸浆和造纸

钢铁

食品和包装

玻璃工业

半导体工业（应用）

交通

●隧道自动化

●海底隧道自动化

机场

●跑道照明

●行李输运

1.3.3S7-400H系统的架构

S7-400H系统的冗余结构确保了任何时候的系统可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。

这包括了冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通信的同步模块。

根据特定的自动化控制过程需要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件IM153-2等，如图1-4所示。

图1-4S7-400H的冗余架构

1.3.4SIMATICS7-400H系统受益于用户

对于用户来说，可以将H系统作为普通的系统，因为H系统具有

隐藏的冗余性

●通明的编程（与非冗余系统编程方法一致）

●标准的系统参数化

●标准的处理方法

S7-400H系统可无限制使用所有的SIMATIC编程语言，并可作为F和FH系统的平台。

1.3.5冗余原理

S7-400H系统中两个CPU同时工作，CPU没有切换时间。

I/O为2OO2主动冗余，同时工作。

1.3.5.1S7-400H系统亮点

1.平滑的主从切换

2.自动事件同步

3.集成的错误识别和错误定位功能

4.操作期间可对系统进行修改

5.类似标准CPU的在线编程

6.下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU中。

7.CPU修复后自动再进入。

8.运行中所有部件可更换。

1.3.5.2无扰动主从切换

●CPU无切换时间

●IM153切换时间参考PROFIBUS参数

●切换期间输出保持

●切换期间无信息或报警/中断丢失。

CPU切换条件标准

主站故障（供电、机架、CPU）

DP链或DP从站接口模件故障都不会强制CPU切换。

1.3.5.3同步原理

H系统采用西门子专利的事件同步方式进行同步。

保证同步的有效性的同时又不会增加CPU的运算负担。

同步事件包括：

●过程映象区更新

●I/O直接访问

●中断、报警

●更新计时器

●使用通讯功能时的数据改变

这种同步方式给客户带来的好处：

●用户不用考虑怎样实现同步

●无命令限制

●从标准CPU到高可靠性CPU用户程序容易移植

无扰动切换

●无信息丢失

●无报警/中断丢失

1.3.5.4全面的自测试功能

SIMATICH系统的自测试功能处理的范围包括：

CPU、内存、同步连接。

测试形式：

1.H系统启动时的自测试

●完全的测试

2.循环模式的自测试

●作为背景任务永久执行

●在指定范围时间内完成（缺省90分钟），如图1-5所示：

图1-5设置H系统自检测参数

1.3.5.5在线编程

S7-400H系统可以在线进行编程修改。

与标准系统的在线修改一样，修改后的程序被下载到连接的CPU中，通过光纤同步模块将程序传输到另一个CPU中。

可以通过MPI、PROFIBUS或Ethernet接口在线修改程序。

1.3.5.6在线修改系统参数及添加、删除硬件功能（H-CIR）

在S7-400H系统运行中可以在线修改系统参数、添加、删除硬件，可在线修改的范围包括：

CPU内存组态

添加或删除：

●中央I/O或CP

●DP从站

●PA接口和PA从站

●Y-Link和其从站

●模块化DP从站中模件

CPU参数（蓝色标注的参数可修改）

1.3.5.7模件更换

运行模式下可添加和删除的模件：

●I/O和CP

●同步模件

●冗余IM153-2

●冗余电源

在停电状态下能够替换的冗余部件：

●标准电源

●中央IM

●CPPROFIBUS

●CPU（更换后可自动更新程序和数据）

1.3.5.8备份CPU与主CPU同步建立的过程

CPU故障后，替换的备份CPU与主CPU同步连接自动建立，备份CPU发出Link-up请求，主站在禁止删除、拷贝和生成块功能后将所有数据发送给备份CPU。

备份CPU执行自测试，然后向主站发出更新请求。

主站在终止已组态连接的通讯和禁止低级别的报警后，拷贝动态数据给备份CPU。

主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据。

备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息，主CPU使能报警/中断和通讯，主、备CPU进入到冗余、同步操作过程。

同步连接的建立如图1-6所示：

图1-6

二、S7-400H硬件组态

以例子的形式介绍S7-400H系统的组态过程

2.1例子所需硬件和软件

硬件：

一套S7-400HPLC，包括

（1）1个安装机架UR2-H

（2）2个电源模板PS40710A

（3）2个容错CPU，CPU414-4H或CPU417-4H

（4）4个同步子模板

（5）2根光缆

一个ET200M分布式I/O设备，包括

（6）2个IM153-2

（7）1个数字量输入模板

（8）1个数字量输出模板

必备的附件，如PROFIBUS屏蔽电缆及网络连接器等。

软件：

STEP7V5.3SP2标准版（已集成冗余选件包）或更高版本。

2.2硬件安装

（1）设置机架号

CPUV3版本，通过同步子模板上的开关设置；

CPUV4版本，通过CPU背板上的开关设置；

CPU通电后此机架号生效。

（2）将同步子模板插到CPU板中。

（3）连接同步光缆

将两个位于上部的同步子模板相连；

将两个位于下部的同步子模板相连；

在打开电源或启动系统之前要确保CPU的同步光缆已经连接。

同步光纤的连接如图2－1所示：

图2－1S7-400H同步光纤的连接

（4）组态分布式I/O站ET200M，使其作为具有切换功能的DP从站。

（5）将编程器连到第一个容错CPU（CPU0）上，此CPU为S7-400H的主CPU。

（6）通电后CPU自检查

CPU第一次通电时，将执行一次RAM检测工作，约需3分钟。

这段时间内CPU不接收通过MPI接口来的数据，并且STOPLED灯闪烁。

如果有备用电池，再次通电时不再做此项检查工作。

（7）启动CPU

装入程序后执行一个热启动操作：

首先启动主CPU，然后启动热备CPU。

2.3使用STEP7进行组态

2.3.1创建项目组态S7-400H

在STEP7中新建一个项目，在Insert菜单下的Station选项中选择SIMATICHStation，添加一个新的S7-400H的站，如图2－2所示：

图2－2创建项目和添加S7-400H站

2.3.2配置硬件

（1）在S7-400H站目录下双击Hardware打开硬件配置。

（2）添加一个UR2H机架，如图2－3所示：

图2－3添加UR2H机架

（3）配置电源和CPU，并设定CPU上PROFIBUSDP主站的地址，本例为2，如图2－4所示：

图2－4添加S7-400HCPU

（4）添加同步子模板到IF1和IF2槽位上。

（5）添加以太网网卡并配置MAC网络地址，如图2－5所示：

图2－5配置以太网模板CP443-1

只有以太网可以与HMI系统WINCC通信。

（6）将机架0的硬件配置拷贝，粘贴，复制机架1并调整网络参数，如：

以太网的MAC地址等，在硬件组态中出现两个机架，如2－6所示：

图2－6S7-400H的硬件配置图

2.3.3系统参数设置

容错站中的模板参数赋值与S7-400标准站中的模板参数赋值没有什么区别。

对于中央处理器单元只需对CPU0（机架0上的CPU）设定CPU参数，所设定的数值将自动分配给CPU1（机架1上的CPU）。

除以下参数外CPU1的设置不能更改：

●CPU的MPI地址

●集成PROFIBUSDP接口的站地址和诊断地址

●I/O地址区中的模板

在I/O地址区编址的模板必须完全在过程映象内或完全在过程映象外，否则不能保证数据的一致性。

CPU参数设置

（1）点击Cycle/Clockmemory（循环/时钟存储器）”选项栏，如图2－7所示，设置CPU循环处理参数。

建议设置:

扫描循环监视时间尽可能长（例如6000ms）

过程输入映象尽可能小（稍大于实际使用的输入点数）

过程输出映象尽可能小（稍大于实际使用的输出点数）

出现I/O访问错误时调用OB85：

只对于输入错误和输出错误

图2－7“Cyclic/ClockMemory”参数配置

（2）设置诊断缓冲区中的报文数量

在“Diagnostics/Clock（诊断/时钟）”选项栏中可以设置诊断缓冲区的报文数量

建议设定较大数值，例如：

1000。

（3）模块的监控时间

在“Startup（启动）”选项栏中，可以指定模块监视时间，它取决于容错站的配置。

如果监视时间太短，CPU将在诊断缓冲区中输入W#16#6547事件。

参数的传输时间取决于以下因素：

●总线系统的传输速率（传输速率高=>传输时间短）

●参数和系统数据块的大小（参数长=>传输时间长）

●总线系统上的负载（从站多=>传输时间长）

建议设置：

600（对应于60秒）

（4）CPU自检周期

在“HParameter（冗余系统参数）”选项栏中，配置CPU后台自检的周期。

可选范围为10分钟到60000分钟。

建议设置：

使用缺省值90分钟，如图2－8所示：

图2－8“HParameter”参数配置

2.3.4配置ET200M站

（1）点击DP总线“master:

DPmastersystem

（1）”,在硬件目录PROFIBUSDP下，选择一个IM153-2的站点，双击添加一个ET200M站。

（2）设定ET200M站的地址。

（3）在ET200M站上添加I/O模块。

从站配置后的如图2－9所示：

图2－9配置ET200M站

2.3.5配置Y-Link耦合器

（1）点击DP总线“master:

DPmastersystem

（1）”，在硬件目录的DP/PALink下选择IM157，并双击添加一个站。

（2）设定Y-Link的站地址

（3）选择将Y-Link设置为一个DP/DP耦合器或DP/PA耦合器如图2－10所示：

图2－10选择Y-Link的类型

（4）在Y-Link后的PROFIBUS总线上添加单一总线接口的从站站点，如：

Masterdrive等。

组态完成的界面如图2－11所示：

图2－11Y-Link配置图

注意：

在修改硬件配置后或退出HWConfig之前一定要进行编译。

2.3.6添加错误诊断OB块

以下错误OB块必须装入S7-400H的CPU中，OB70、OB72、OB80、OB82、OB83、

OB85、OB86、OB87、OB88、OB121和OB122。

如果没有装载这些OB，H系统

在出现错误时可能会进入STOP状态，这些OB块另一个功能可以对事件信息进行诊断，OB块的诊断功能见表2－1所示。

表2－1H系统OB块的上面

OBno.

故障/出错类型

故障原因

操作系统的响应

故障指示灯

OB70

I/O冗余故障

•PROFIBUSDP冗余故障

•PROFIBUSDP切换

OB70调用

如果没有装载OBCPU不会进入STOP方式

OB72

CPU冗余故障

·CPU冗余故障

·主从切换

·同步故障

·同步模块故障

·更新取消

·校验错误（例如RAM,PIQ）

OB72调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

OB80

定时错误

•用户程序OB1和所有中断以及出错OB超过规定最大循环时间

•OB请求出错

•起始信息缓冲区溢出

•时间出错中断

"INTF"指示灯亮直到故障被清除

OB80调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

INTF

OB82

诊断中断

具有中断能力的一个I/O模板报告一个诊断中断

OB82调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

EXTF

OB83

插/拔中断

插入一个电源模板或拔出一个电源模板并插入一个不正确的模板类型，如果在缺省参数设置的CPU处于STOP方式时只拔出所插入的电源模板，EXTF指示灯不亮，如果没有再插入电源模板指示灯将闪亮

OB83调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

EXTF

OB85

优先级错误

•调用了优化级但没有相应的OB

•对于SFB调用背景数据块丢失或故障

OB85调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

INTF

•在过程映象更新过程中出错

EXTF

OB86

机架/站故障

•扩展机架中的电源故障

•DP线路故障

•耦合线路故障，接口模板丢失或故障线路中断

OB86调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

EXTF

OB87

通讯错误

•状态信息不能被输入到数据块中

•不正确的帧标识符

•帧长度出错

•非法的全局标识号

•数据块访问出错

OB87调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

INTF

OB88

取消处理

一个程序块的处理被取消取消的可能原因是

•嵌套深度太深

•主站控制继电器嵌套深度太深

•同步故障嵌套深度太深

•块调用i栈嵌套深度太深

•块调用b栈嵌套深度太深

•本地数据分配出错

•未知指令

•带有名称的子指令超出块范围

OB88

调用如果没有装载OBCPU进入STOP方式

INTF

OB121

编程错误

用户程序中的机器代码出错

•BCD转换错误

•范围长度出错

•范围出错

•调整出错

•写出错

•计时器编号出错

•计数器编号出错

•块编号出错

•块未装入

OB121调用

如果没有装载OBCPU进入STOP方式

INTF

OB122

存取出错

模板故障SMFMCP

EXTF指示灯亮直到故障被清除

EXTF

2.4存储器复位

下载用户程序前最好将存储器复位，步骤如下：

（1）设置模式选择器至STOP设置

结果：

STOP指示灯亮

（2）设置模式选择器到MRES位置并保持

结果：

STOP指示灯将熄灭1秒钟亮1秒钟，然后保持点亮状态。

（3）将模式选择器置于STOP位置，然后在接下来的3秒内拨至MRES，然后再拨回STOP位置

结果：

STOP指示灯以2Hz至少闪亮3秒钟，执行存储器复位然后持续点亮。

2.5STEP7程序下装

（1）点击SIMATICMANAGER->OPTION->SETPG/PC,选择相应的通讯接口。

（2）在SIMATICMANAGER->PLC下选择“Download”将用户程序装入CPU0中。

在同步连接建立后，CPU0中的用户程序通过同步光纤自动传送到备份CPU1中。

（3）将模式选择器开关拨到RUN-P位置启动S7-400H。

首先启动CPU0，然后启动CPU1。

结果CPU0作为主CPU启动，CPU1作为热备CPU启动。

在热备CPU建立同步链接并更新缓存区数据后，S7-400H转换到冗余工作方式并执行用户程序。

三、S7-400H系统通讯

3.1S7-400H与S7-400H之间的通讯

3.1.1H系统之间的通讯链路

冗余通讯增强互连系统之间可用性最简单的办法是采用冗余系统网络，当一条网络链路损坏时，系统可自动切换到另外一条网络链路。

其网络的连接可以根据需要组成如下不同的网络结构。

（1）在H系统的每个机架上分别插入1块CP443-1组成双以太网，如下图3-1所示：

图3-1H系统双以太网结构

（一）

（2）在H系统的每个机架上分别插入2块CP443-1组成双以太网，如图3-2所示：

图3-2H系统双以太网结构

（二）

（3）在H系统的每个