贵州西门子S7-200SMART代理商（欢迎您）

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冗余与故障安全型CPU

    S7-400H/F/FH系列冗余与故障安全型PLC所使用的CPU型号相同，均为S7-400H系列冗余型CPU模块。

    本系列CPU模块均带有2个插槽，在安装同步模块后，即可以构成S7-400H冗余型PLC系统。CPU模块在安装F运行许可证后，即可以运行面向故障安全的F用户程序，构成S7-400F故障安全型PLC系统。当同时选用同步模块、安装F运行许可证后则成为S7-400FH故障安全冗余型PLC系统。

    S7-400H冗余与故障安全型CPU目前只有CPU414-4H与CPU417-4H两种规格，CPU417-4H是用于SIMATIC S7-400H的高性能CPU，其集成的PROFIBUS-DP能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。

    CPU417-4H是强有力的处理器，它处理指令的时间极快，只需要0.1Us，具有4MB字节的RAM，而且可扩展到20MB字节；这种CPU具有灵活的扩展能力，大可达128KB数字量I/O和8KB模拟量I／O。它使用MPI能建立简单的网络，多32个站，数据传输速率为187.5Kb/s，它能建立多64个连接到K总线的站和MPI站；具有PROFIBUS-DP主接口的CPU417-4H能构成高速和简化操作的分布式自动化系统。

S7-400有7种CPU，S7-400H有两种CPU。CPU412-1和CPU412-2用于中等性能的经济型中小型系统，集成的MPI接口允许PROFIBUS-DP总线操作。CPU412-2有两个PROFIBUS-DP接口。CPU414-2和CPU414-3具有中等性能，适用于对程序规模、指令处理速度及通信要求较高的场合。CPU417-4DP适用于高性能要求的复杂场合，有两个插槽供IF接口模块（串口）使用。CPU417H用于S7-400H容错控制PLC。

    通过IF964DP接口子模块，CPU414-3和CPU416-3可以扩展一个PROFIBUS-DP接口，CPU417-4可以扩展两个PROFIBUS-DP接口。除了CPU412。1之外，集成的DP接口使CPU可作PROFIBUS-DP的主站。

    S7-400 CPU模块的主要特性如下。

    ①S7-400有1个*机架，可扩展21个扩展机架。使用UR1或UR2基板的多CPU处理多安装4个CPU。每个*机架多使用6个IM（接口模块），通过适配器在*机架上可以连接6块S5模块。

    ②FM（功能模块）和CP（通信处理器）的块数只受槽的数量和通信的连接数量限制。S7-400可以与编程器和OP（操作员面板）通信，有全局数据通信功能。在S7通信中，可以作服务器和客户机，分别为PG（编程器）和OP保留了一个连接。

    ③S7-400都有IEC定时器计数器（SFB类型），每一优先级嵌套深度24级，在错误OB中附加2级。S7指令功能可以处理诊断报文。

    ④测试功能：可以测试I/O，位操作，DB（数据块），分布式I/O，定时器和计数器；可以强制I/O，位操作和分布式I/O。有状态块和单步执行功能，调试程序时可以设置断点。

    ⑤实时钟功能：CPU有后备时钟和8个小时计数器，8个时钟存储器位，有日期时间同步功能，同步时在PLC内和MPI上可以作为主站和从站。

    ⑥CPU模块内置的*个通信接口的功能。

    *个通信接口作MPI接口时，可以与编程器和OP通信，可以作路由器。全局数据通信的GD包大64KB。S7标准通信每个作业的用户数据大76B，S7通信每个作业的用户数据大64KB，S5兼容通信每个作业的用户数据大8KB，通过CP和可装载的FC可以进行标准通信。内置的各通信接口较快传输速率为12Mb/s。

    *个通信接口作DP主站时，可以与编程器和OP通信，支持内部节点通信，有等时线和SYNC/FREEZE功能。除S7-412外，有全局数据通信、S7基本通信和S7通信功能。多32个DP从站，可以作路由器，插槽数多512个。大地址区2KB，每个DP从站的大可用数据为244B输入/244B输出。

    ⑦CPU模块内置的第二个通信接口的功能。

    第二个通信接口可以作DP主站（默认设置）和点对点连接，有光电隔离。作DP主站时，可以与编程器和OP通信，支持内部节点通信，有等时线和SYNC/FREEZE功能。每个DP从站的大可用数据为244B输入/244B输出。

  电源模块通过背板总线向S7-400提供DC5V和DC24V电源，输出电流额定值有4A、10A和20A。它们不为信号模块提供负载电压。PS405的输入为直流电压，PS407的输入为直流电压或交流电压。

    如果使用两个型号为PS407 10AR或PS405 10AR的电源模块，可以在安装基板上安装冗余电源，对于可靠性要求较高的系统，建议进行冗余设计。冗余设计时，电源模块插入到基板（UR，CR或ER）上从左开始相邻的插槽内，如从插槽1到4无间隔地插入。S7-400的冗余电源具有以下特性：

    ①当一个电源模块发生故障时，其他每个电源模块均能向整个基板供电，PLC不会停止工作；

    ②整个系统工作时可以更换每个电源模块，当插拔模块时不会影响系统工作；

    ③每个电源模块均有监视功能，当发生故障时发送故障信息；

    ④一个电源模块的故障不会影响其他正常工作电源模块的电压输出；

    ⑤当每个电源模块有两个电池时，其中一个必须是冗余电池；如果每个电源模块只有一个电池，则不能进行冗余，因为冗余需要两个电池都工作；

    ⑥通过插拔中断登记电源模块的故障(默认值为STOP)，如果系统只在CR2的第二个段中使用，当电源模块发生故障时，不发送任何报文；

    ⑦如果插入两个电源模块但只有一个上电，则上电时将发生1分钟的启动延时。

  按PLC用途与功能，S7-400 PLC可以分为标准型(S7-400)、冗余型(S7-400H)、故障安全型（S7-400F/FH）三种基本类型，适用于不同场合的控制。

    1．标准型PLC

    标准型( S7-400)是S7-400系列中的常用产品，它可以适用于绝大多数对安全性能无特别严格要求的一般控制场合。标准型PLC可以实现除特殊安全要求外的全部功能，产品涵盖S7-400的全部系列，其品种多、规格较全。

    与S7-300系列一样，标准型S7-400 PLC的性能通过CPU模块的不同型号(CPU412、CPU414、CPU416、CPU417)进行区分，性能差别主要体现在其运算速度与存储器容量上。

    2．冗余型PLC

    “冗余”型PLC（S7-400H系列）用于对控制系统可靠性要求*、不允许控制系统出现停机的控制场合。

    所谓“冗余”系统，实际上是通过一套在系统正常工作时并不需要的、完整的“多余”系统作为备件（称为备用系统或待机系统）。而且，备用系统始终处于待机状态（也称“热待机”），只要工作控制系统（亦称工作系统）发生故障，“备用系统”可以立即投入正常工作，并成为工作控制系统，以保证整个控制系统的连续、不间断运行。

    在备用系统投入工作期间，可以对故障系统进行整机维修、更换等处理，维修结束后再装入系统，并成为新的“备用系统”。

“冗余”系统在结构上可以采用两套完整的PLC控制系统，也可以是将一个机架分割为两个区域，并安装两套模块（包括CPU、I/O等），两个CPU间采用“跟踪电缆”（一般为光缆）进行连接，并通过PLC的切换指令实现工作系统与备用系统间的切换（如图2-46所示）。

图2-46 -个机架安装两个CPU的冗余系统

  “冗余”的设计规模可大可小，对于现场控制PLC可以是整机“冗余”（包括电源、CPU、基板、全部安装模块，如图2-47所示），也可以是仅仅对重要模块（如CPU、电源模块等）采用“冗余”（如图2-48所示）。对于大型、复杂控制系统，为了提高可靠性，可以在系统中多层次、重复使用“冗余”设计的方式，如同时对系统中的网络通信PLC、现场控制PLC、现场控制PLC中的关键模块（如CPU模块、电源模块）等进行冗余设计。

图2-48  CPU模块、电源模块冗余

    “冗余”系统必须使用S7-400H系列冗余CPU模块，PLC冗余系统的组成应包括如下基本组件：

    ①2个S7-400H系列CPU模块；

    ②2套安装CPU模块的机架，或者是一个可以分割为2个相同区域的机架；

    ③根据“冗余”的需要，配置、选择需要的其他模块（如I／O模块、扩展单元与扩展模块、分布式I/O模块、通信接口模块与通信线路等）。

    PLC系统中的I/O模块（或功能模块、通信模块等），根据冗余系统的要求可以选择“单通道配置（也称单边配置或常规配置）”与“双通道切换配置”两种不同的形式。

所谓单通道配置是指PLC系统中只安装有一套I/O模块，在2个CPU模块中定义同样的I/O地址，I/O信号通过“跟踪电缆”同时传送到2个CPU模块上。2个CPU模块同时同步运行用户程序，但I/O只受其中一个CPU模块控制（工作CPU），另一个CPU处于“热待机”状态（备用CPU）。一旦工作CPU发生故障，即退出运行，同时由备用CPU接管I／O控制权。此种方式可以用于系统CPU需要不间断工作，但I/O模块可以满足系统安全、可靠性要求的场合。

    所谓双通道切换配置，是指PLC系统中同时安装有2套I/O模块，I/O信号同时连接到2套PLC中，2个CPU模块同时同步运行用户程序。但是，实际输出只受其中一个CPU(工作CPU)模块控制，另一个CPU（备用CPU）处于“热待机”状态。一旦工作系统发生故障，全部模块均退出运行，同时由备用系统接管对系统的控制。此种方式可以用于系统CPU需要不间断工作，而且对I/O模块可靠性要求特别高的场合。

    3．故障安全型PLC

    S7-400系列故障安全型包括S7-400F与S7-400FH两种规格。

    S7-400F为故障安全型PLC，CPU模块安装有经*监督委员会认可的基本功能块与安全型I/O模块参数化工具。

    故障安全型CPU可以通过自检、结构检查、逻辑顺序流程检查等措施，进行运行过程的故障诊断与检测。它可以在系统出现故障时立即进入安全状态或安全模式，以确保人身与设备的安全。

    S7-400FH为故障安全冗余型PLC，它兼有故障安全与冗余两方面的功能，可以在系统出现故障时立即切换PLC，在确保人身与设备安全的基础上使设备保持连续、不间断地运行。

    S7-400FH系列安全型PLC可以用于具有如下安全要求的场合。

    >安全要求达到DINV 19250/DIN V VDE0801 AK1～AK6标准；

    >安全要求达到IEC61508  SIL1～SIL3标准；

    >安全要求达到EN954-1标准。

    安全型PLC程序的设计需要“S7-F系统”编程工具软件，并且在如下软件版本下才能运行。

    >STEP7 V5.1或更高版本；

    > CFC V5.O+Service Pack3或更高版本；

    > S7-SCLV5.0或更高版本；

    >  S7H V5.1或更高版本。

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