完整版S7400H培训资料冗余.docx
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第六章冗余I/O
6.1冗余I/O的定义
当I/O模块以每两个一组组态成冗余对运行时，I/O模板即认为是冗余配置。
这样意味着S7-400H系统的所有元件都可以冗余。
使用冗余I/O可以使H系统提高可用性。
6.2冗余I/O配置
以下为几种采用冗余I/O的典型配置
6.2.1中央和扩展设备中的I/O冗余
信号模板成对安装在CPU0和CPU1子系统中，如图6-1所示：
图6-1中央和扩展设备中的I/O冗余
这样使S7-400的I/O模块具有冗余性。
注意：
当一个CPU因故障掉电时，连接的I/O模块被认为故障而不能被识别。
6.2.2.单边DP从站中的I/O冗余
信号模板成对安装在带有有源底板总线的分布式I/O设备ET200M中，如图6-2所示：
图6-2单向DP从站中的I/O冗余
注意：
当其中一个从站PROFIBUS断线或主站CPU因故障掉电时，连接的I/O模块被认为故障而不能被识别。
6.2.3.切换式DP从站中的I/O冗余
信号模板成对安装在带有有源底板总线的分布式I/O设备ET200M中，如图6-3所示：
图6-3切换式DP从站中的I/O冗余
在这种方式下，即使连接I/O从站CPU故障也不会影响I/O模块的可用性。
6.2.4.单机模式HCPU中的I/O冗余
连接方式如图6-4所示：
图6-4单一模式冗余I/O
注意：
当主站CPU因故障而停机时，I/O冗余不能实现。
6.3“I/O冗余”库函数及使用
6.3.1“I/O冗余”库函数
“I/O冗余”库函数，随可选H包（STEP7V5.3已包含）一起提供，以支持I/O冗余功能，库函数包含以下功能块:
●FC450RED_INIT初始化功能
●
●FC451RED_DEPA触发去钝化
●
●FB450RED_IN读取冗余输入功能块
●
●FB451RED_OUT控制冗余输出功能块
●
●FB452RED_DIAG冗余I/O诊断功能块
●
●FB453RED_STATUS冗余状态信息功能块
●
6.3.2“I/O冗余”功能块的使用
在使用这些功能块前,首先在硬件配置中配置冗余I/O模块，然后参考表6－1在相应的OB块中调用对应的功能块。
表6－1可调用I/O冗余功能块的OB块
功能块
调用OB
FC450“RED_INIT”
1.OB72CPU冗余故障
FC450只在事件发生后执行
B#16#33:
操作员进行主从切换
2.OB80超时故障
3.
FC450只在启动事件B#16#0A“重新设置恢复运行”后执行
4.OB100暖重起
5.
6.OB102冷重起
7.
如果冗余I/O连接到处于单机模式的冗余CPU时,在OB80中调用FC450功能块.
FC451“RED_DEPA”
当插入任一模块时,在OB83中调用FC451，可以使钝化模块维修后自动解除钝化.
FB450“RED_IN”
OB1循环程序
OB30-OB38定时中断
FB451“RED_OUT”
OB1循环程序
OB30-OB38定时中断
FB452“RED_DIAG”
OB72CPU冗余中断
OB82诊断中断
OB83插拔中断
OB85程序运行错
FB453“RED_STATUS”
6.4冗余I/O的硬件安装和配置
如果要使用冗余I/O，推荐按以下方法进行
（1）插入所有冗余使用的模板
（2）使用HWConfig在对象属性中配置模板的冗余属性
（3）查找每个模板的冗余模板或使用缺省设置
集中配置:
将模板插入偶数机架插槽X中,冗余模板插在同一插槽的下一奇数机架中。
如果模板插入插槽X的奇数机架中，建议在前一偶数机架同一插槽中插入冗余模板。
单边DP从站中的分布式配置:
如果从站中的模板插入插槽X中并且DP主站系统为冗余配置，建议冗余模板插在另一
侧具有相同PROFIBUS地址的从站插槽X中.
单机模式切换式DP从站中的分布式配置
如果从站中的模板位于某一个DP地址的插槽X中，建议冗余模板位于具有下一PROFIBUS地址的从站插槽X中。
（4）设置I/O模板的其它冗余参数
用户程序可以处理的有效数值总是处于两个冗余模板的低位地址，因此应用程序只能使用低位地址而高位地址中的数值与应用程序无关.
注意:
冗余模板必须在输入或输出的过程映像区中设置,通常在相关的过程映像区能访问到。
必须设置冗余I/O的DB并分配未被使用的DB号，这些DB不是FB450”RED_IN”或FB451
”RED_OUT”的背景数据块。
当用冗余模板时,在“HWConfig-->PropertiesCPU41x-H>”Cycle/Flag”栏中,设置如下参数:
“OB85callonI/Oaccesserror-->Onlyincomingandoutgoingerrors”
6.5冗余信号模板类型及型号
6.5.1.冗余数字量输入模板
参考表6－2：
表6－2具有冗余功能的数字量输入模板
模板
订货号
中央机架:
双通道冗余DI
DI16xDC24Valarm
6ES7421-7BH01-0AB0
DI32xDC24V
6ES7421-1BL0x-0AA0
DI32xUC120V
6ES7421-1EL00-0AA0
分布式:
双通道冗余DI
DI16xDC24V,interrupt
6ES7321-7BH00-0AB0
DI16xDC24V
6ES7321-7BH01-0AB0
DI16xDC24V
6ES7321-1BH02-0AA0
DI32xDC24V
6ES7321-1BL00-0AA0
DI8xAC120/230V
6ES7321-1FF01-0AA0
DI4xNAMUR[EExib]
6ES7321-7RD00-0AB0
DI16xNamur
6ES7321-7TH00-0AB0
DI24xDC24V
6ES7326-1BK00-0AB0
DI8xNAMUR[EExib]
6ES7326-1RF00-0AB0
6.5.2.冗余数字量输出模板
参考表6－3：
表6－3具有冗余功能的数字量输出模板
模板
订货号
中央机架:
双通道冗余DO
DO32xDC24V/0.5A
6ES7422-7BL00-0AB0
DO16xAC120/230V/2A
6ES7422-1FH00-0AA0
分布式:
双通道冗余DO
DO8xDC24V/0.5A
6ES7322-8BF00-0AB0
DO8xDC24V/2A
6ES7322-1BF01-0AA0
DO32xDC24V/0.5A
6ES7322-1BL00-0AA0
DO8xAC120/230V/2A
6ES7322-1FF01-0AA0
DO16x24V/10mA[EExib]
6ES7322-5SD00-0AB0
DO16xDC24V/0.5A
6ES7322-8BH00-0AB0
DO10xDC24V/2A
6ES7326-2BF01-0AB0
6.5.3.冗余模拟量输入模板
参考表6－4：
表6－4具有冗余功能的模拟量输入模板
模板
订货号
中央机架:
双通道冗余AI
AI6x16Bit
6ES7431-7QH00-0AB0
分布式:
双通道冗余AI
AI8x12Bit
6ES7331-7KF02-0AB0
AI8x16Bit
6ES7331-7NF00-0AB0
AI4x15Bit[EExib]
6ES7331-7RD00-0AB0
AI6x13Bit
6ES7336-1HE00-0AB0
6.5.4.冗余模拟量输出模板
参考表6－5：
表6－5具有冗余功能的模拟量输出模板
模板
订货号
中央机架:
双通道冗余AO
无
分布式:
双通道冗余AO
AO4x12Bit
6ES7332-5HD01-0AB0
AO8x12Bit
6ES7332-5HF00-0AB0
AO4x0/4...20mA[EExib]
6ES7332-5RD00-0AB0
6.6冗余I/O参数设置及配置方式
6.6.1使用数字量输入模板作为冗余I/O
组态数字量输入模板时应设定以下参数:
●差异时间:
冗余输入信号可以不同的最大允许时间，如果在组态的差异时间过后
●
输入数值仍存在差异说明信号已发生故障。
●H系统对输入数值差异的响应
●
首先检查成对冗余模板的输入信号是否匹配。
如果数值匹配,统一的数值将被写入输入过程映象的低位数据存储区。
如果存在差异并且是首次存在差异，将被标记并开始差异计时。
在差异时间期间,最近的匹配值（非差异值）将被写入低位地址模板的过程映象中。
该步骤将重复直到在差异时间内数值再次匹配或超出差异时间。
如果在组态的差异时间过后仍存在差异说明已发生故障，可根据以下策略查找故障页:
（1）在差异时间期间最近的匹配值作为结果保留
（2）一旦差异时间到显示以下出错报文
错误代码7960:
”RedundantI/O:
discrepancytimeatdigitalinputexpired,errornotyetlocalized”（冗余I/O数字量输入差异时间到,还没有查到故障）。
在静态出错映象中不能进行钝化和输入。
在出现下一信号变换之前，应在差异时间到后进行组态的响应.
（3）如果出现另一个信号变换,发生变换的模板将是正常模板,另一个模板将被钝化。
6.6.1.1使用非冗余传感器的冗余数字量输入模板
将非冗余传感器的数字量输入模板安装在1OO2配置中，如图6-5所示：
图6-5连接非冗余传感器的数字量输入信号
6.6.1.2使用冗余传感器的冗余数字量输入模板
将带有冗余传感器的数字量输入模板安装在1OO2配置中，如图6-6所示：
图6-6连接冗余传感器的数字量输入信号
使用冗余传感器可增加其可用性。
差异分析可以检测除了非冗余电源故障以外的所有错误,可以通过安装冗余电源进一步增加系统的可用性。
.
在将一个传感器连接到几个数字量输入模板时冗余模板必须具有相同的基准电位.
6.6.2冗余数字量输出模板
通过并行连接两个数字量输出模板或安全型数字量输出模板的两个输出（1OO2配置）可以实现执行器的冗余控制。
如图6-7所示：
图6-71OO2配置中的冗余数字量输出模板
数字量输出模板必须使用同一电源,通过二极管互连或无二极管互连:
表6－6列出了在冗余模式中可以通过二极管连接的数字量输出模板。
表6－6输出模块连接类型
模块
外部需采用二极管
外部不需要采用二极管
6ES7422-7BL00-0AB0
X
-
6ES7422-1FH00-0AA0
-
X
6ES7326-2BF01-0AB0
X
X
6ES7322-1BL00-0AA0
X
-
6ES7322-1BF01-0AA0
X
-
6ES7322-8BF00-0AB0
X
X
6ES7322-1FF01-0AA0
-
X
6ES7322-8BH00-0AB0
-
X
6ES7322-5SD00-0AB0
X
-
注：
“X“表示选择“－”表示不可能
二极管电路的接线信息:
1N4003...1N4007系列二极管比较合适,或其它技术指标满足V_r>=200V并I_F>=1A的二极管。
建议将模块的机架地和负载地分开，两种电路应当互连到等电势地。
6.6.3使用模拟量输入模板作为冗余I/O
应设定以下参数以组态模拟量输入模板冗余运行:
●容差阈值（组态为测量范围最终数值的百分比）
●
如果两个模拟值都在容差阈值内则它们相等。
●差异时间（冗余输入信号可以超出容差阈值的最大允许时间）
●
在组态的差异时间到后,如果还有输入数值的差异将出现故障。
如果将同一传感器连接到两个模拟量输入模板,差异时间的缺省设置通常即已足够.如果连接不同的传感器,尤其是连接温度传感器时必须增加差异时间。
●应用值
●
应用值是指输入到用户程序中的两个模拟量输入数值中的数值。
系统将检查这两个模拟值是否在组态的容差阈值内.如果在容差阈值内应用值将被写入输入过程映象的低位数据存储区。
如果存在差异并且是第一次差异，将被标记并且差异时间开始启动。
在差异时间期间最近的有效值将被写入低位地址模板的过程映象中，并应用于当前过程。
当差异时间到时，具有组态标准值的模板将被声明有效，其它模板被钝化。
如果两个模板中的最大值被组态为标准值,该数值将被用于进一步程序执行，其它模板被钝化。
如果设定了最小值,该模板将最小值用于过程而具有最大值的模板被钝化。
不管何时被钝化的模板都将在诊断缓冲区里进行记录。
如果在差异时间内差异被中止,系统将继续分析冗余输入信号。
6.6.3.1接入非冗余传感器的冗余模拟量输入模板
在1OO2配置中接入非冗余传感器的模拟量输入模板，方法如图6-8所示：
图6-8带有一个传感器的1OO2配置中的冗余模拟量输入模板
在将一个传感器连接到几个模拟量输入模板时应注意以下事项:
●将电压传感器并联到模拟量输入模板（左图）。
●
●可以使用外部阻抗将电流转换为电压以便使用并联的电压模拟量输入模板（右图）。
●
●2线变送器从外部供电以便能在线维护模板。
●
●使用冗余安全型模拟量输入模板可增加其可用性。
●
6.6.3.2用于间接电流测量的冗余模拟量输入模板
根据图6-8可适用以下模拟量输入的连接
●相应的检测器类型可以是带电压输出的有源测量变送器、热电偶。
●
●接入测量变送器、热电偶模块在硬件配置中去掉断线诊断功能。
●
●检测器类型可以是有源4线测量变送器和无源2线测量变送器，输出范围+/-20mA、0...20mA和4...20mA。
2线测量变送器通过外部辅助电源供电。
●
●电阻和输入电压范围的选择准则应是测量精度、数值格式、最大分辨率和诊断。
●
●除了所列选项以外，其它符合欧姆定律的输入电阻和电压组合也是可以的。
但是应注意这样的混合可能数值格式、诊断功能和分辨率的降低。
测量误差也主要取决于特定模板的分流电阻。
●
●使用误差为+/-0.1%和TK15ppm的测量电阻。
●
6.6.3.3用于直接电流测量的冗余模拟量输入模板
根据图6－8右，模板量输入模块的线路连接要求
●检测器类型可以是有源4线测量变送器和无源2线测量变送器输出范围+/-20mA、0...20mA和4...20mA。
2线测量变送器通过外部辅助电源供电.
●
●断线诊断功能只支持4...20mA输入范围,其它单极或双极输入范围不支持。
●
●只要满足模块指定的电压要求,可以选择任一BZX85or1N47..A（齐纳1.3W）系列的二级管,它的反锁电流越小越好.
●
●这种接线电路包含指定的二级管有最大1μA的反锁电流所导致的基本测量误差,在20mA的范围和16位精度内,有2位的误差.
●
6.6.3.4带有冗余传感器的冗余模拟量输入模板
对于双冗余传感器最好使用1OO2配置的安全型模拟量输入模板，如图6－9所示：
图6-9带有2个传感器的1OO2配置中的冗余模拟量输入模板
使用冗余传感器可增加其可用性
差异分析也可以检测除非冗余有载电源故障以外的外部错误。
表6－7列出了可以冗余使用的模拟量输入模板连接带冗余或非冗余传感器。
表6－7模拟量模板连接类型
模板
冗余传感器
非冗余传感器
6ES7431-7QH00-0AB0
X
X
6ES7336-1HE00-0AB0
X
-
6ES7331-7KF02-0AB0
X
X
6ES7331-7NF00-0AB0
X
X
6ES7331-7RD00-0AB0
X
X
注：
“X“表示选择“－”表示不可能
6.6.4冗余的模拟量输出模板
可以用并行的两个模拟量输出模板（1-of-2结构）的两个输出实现对一个执行机构冗余控制输出,如图6-10所示：
图6-10冗余模拟量输出模板的接线
二级管电路的说明
●1N4003...1N4007系列二极管比较合适,或其它技术指标满足V_r>=200V并I_F>=1A的二极管。
●
●建议将模块的机架地和负载地分开.两种电路应当互连到等电势地。
●
冗余操作要求模拟量输出模板采用电流输出（0to20mA,4to20mA），每块模板输出控制值的一半，总的两块模板输出为控制值的全值。
如果其中的一块模板检测有故障,冗余的另一块模板输出为控制值的全值。
由这个错误导致的输出模板的浪涌电流可以忽略。
6.7模板的去钝化
输入信号在差异时间后仍然出现偏差，CPU将没有变化的模块钝化，钝化的模板可以由以下事件重新激活
●冗余系统启动
●
●冗余系统切换到冗余运行模式
●
FB452”RED_DIAG”初始化后在系统切换到冗余运行模式时去钝化。
该功能需
要在OB72（CPU冗余错）调用，FB452”RED_DIAG”也需要在OB82（诊断中断）,
OB83（拔插中断）,OB85（程序运行错）。
确保冗余I/O功能块的正确的操作。
●在运行过程中修改系统参数。
●
●当至少有一个冗余模板通过功能FC451“REDDEPA”解除钝化时。
●
当发生这些事件之一时,去钝化将在FB450“REDIN”中进行。
在所有模板都
去钝化后,将在诊断缓冲区中记录。
如果在单边集中式设备或单边DP从站中使用冗余I/O,在站故障/恢复或更换故障模板后必须去钝化。
冗余模板使用FC451可以触发一个完全去钝化。
6.7.2使用状态字确定钝化的状态
状态字/控制字FB_RED_IN.STATUS_CONTROL_W位于FB450RED_IN的背景数据块中，状态字节可以提供有关冗余I/O的状态信息。
参考表6－8。
表6－8模板的钝化信息
位
含义
状态字节字节1
0
备用
1
备用
2
0=无可用模拟量输出模板
1=至少有一个可用模拟量输出模板
3
0=没有被OB85钝化
1=至少有一个被OB85钝化
4
0=没有被OB82钝化
1=至少有一个被OB82钝化
5
0=没有可用通道信息
1=有可用通道信息
6
0=没有钝化模板
1=至少有一个模板钝化
7
0=没有运行完全去钝化
1=运行完全去钝化
采用MODUL_STATUS_WORD确定模板对的钝化状态，MODUL_STATUS_WORD位于FB453RED_STATUS的背景数据块中，有两个状态字节可提供模板对的状态，参考表6－9。
表6－9冗余模板的信息
位
含义
状态字节字节1
0
0=由OB82触发的低位模板钝化
1=没有由OB82触发的低位模板钝化
1
0=由OB82触发的高位模板钝化
1=没有由OB82触发的高位模板钝化
2
0=上溢或下溢对于模拟量输入模板
1=没有上溢或下溢
3
0=有可用通道信息
1=没有可用通道信息
4
0=差异时间到对于输入模板
1=差异时间未到
5
0=模板对存在差异对于输入模板
1=模板对没有差异
6
0=低位模板被钝化
1=低位模板去钝化
7
0=高位模板被钝化
1=高位模板去钝化
状态字节字节2
0
备用
1
备用
2
0=OB85的输出事件后没有使能低位模板的去钝化
1=OB85的输出事件后使能低位模板的去钝化
3
0=OB85的输出事件后没有使能高位模板的去钝化
1=OB85的输出事件后使能高位模板的去钝化
4
0=OB82的输出事件后没有使能低位模板的去钝化
1=OB82的输出事件后使能低位模板的去钝化
5
0=OB82的输出事件后没有使能高位模板的去钝化
1=OB82的输出事件后使能高位模板的去钝化
6
0=由OB85触发的低位模板钝化
1=没有由OB85触发的低位模板钝化
7
0=由OB85触发的高位模板钝化
1=没有由OB85触发的高位模板钝化
6.8编程顺序和例程
下面以一个简单的例子说明如何编程，本例程所使用的软件版本为STEPV5.3SP2。
过程如下：
●打开SIMATICManager>新建一个项目RED_IOFile>new…>输入项目名称例如RED_IO，插入一个SIMATICHStation，双击Hardware开始硬件配置。
●
●依次插入机架，电源模块，CPU,，同步模块,，以太网卡,，ET200M站。
●
●在ET200M站插入冗余的模块。
●
6.8.1对冗余的DI模块进行配置
（1）双击DI模块>选择Redundancytab>2module>选择与该DI模块冗余的模块
（2）
（3）根据项目要求设置Timediscrepancy（ms）差异时间
（4）
（5）根据项目要求设置reactionafterdiscrepancy,有三种选择
（6）
✧ANDSignals:
如超过差异时间,冗余的DI通道信号相与后,进行程序处理。
✧
✧ORSignals:
如超过差异时间,冗余的DI通道信号相或进行程序处理。
✧
✧Uselastvalidvalue:
如超过差异时间,取上次有效值进行程序处理。
✧
设置好后点击OK键确认。
如图6-11所示：
图6-11冗余DI模板配置
6.8.2对冗余的DO模块进行配置
双击DO模块>选择Redundancytab>2module>选择与该DO模块冗余的模块。
设置完成后点击OK键确认，如图6-12所示：
图6-12冗余DO模板配置
6.8.3对冗余的AI模块进行配置（详细参数值设定见报标题6.6.3）
（1）双击AI模块>选择Red
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