西門子S7-400H冗余系統

有冗余設計的容錯自動化系統

• 在容錯技術下用於需要可靠性的場合：再啟動或停機將

會造成較大損失的生產領域；需要少量管理和維護的工廠

• 冗余的功能

• 加強 I/O 的可用性：可切換 I/O 的配置

• 也可應用常規的 I/O：單邊配置

• 熱備：在故障事件發生時自動地切換到備用單元

• 2 個單獨的或一個分隔的機架配置

• 連接到冗余 PROFIBUS -DP 或者 PROFINET 上的可切換 I/O

應用

在許多自動化領域中，要求容錯和可靠性的自動化系統

的應用越來越多。特別是在某些領域，停機將帶來巨大的

經濟損失。在這種情況下，只有冗余系統才能滿足可靠

性的要求。

可靠性的 SIMATIC S7-400H 能充分滿足這些要求。它能連

續運行，即使控制器的某些部件由於一個或幾個故障而失效

也不受影響。由於 SIMATIC S7-400H 具有很的可用性，它

特別適合於以下的應用領域：

• 控制器發生故障後再啟動的費用十分昂貴（一般在過程控

制工業）

• 如發生停機，將會造成重大的經濟損失

• 過程控制中包含有貴重的材料（如制藥工業）

• 無人管理的應用場合

• 需減少維護人員的場合

SIMATIC S7-400H 包括以下部件：

• 2 個控制器（機架）：

2 個分立的控制器（UR1/UR2），或 1 個分割為 2 個區的

控制器（UR2-H）。

• 每個控制器有 2 個同步模塊，通過光纖連接這兩個控制器

• 每個控制器有一個 CPU412-5H、CPU414-5H、CPU416-

5H、CPU417-5H

• 在控制器機架有 S7-400 I/O 模板

• UR1/UR2/ER1/ER2 擴展單元與/或有 I/O 模板組的 ET 200M 分

布式 I/O

功能總是冗余配置的。

I/O 模板可以是常規配置或切換型配置。

在單邊配置中，I/O 模板是單通道設計的，只能由二個控制

器中的一個配置地址。單邊配置的 I/O 模板可進行：

• 插入到一個控制器以及/或

• 插入到擴展機架或分布式 I/O 站

在單邊配置中，讀到的信息同時提供給 2 個控制器，使訪

問 I/O 的操作正確地運行。如發生故障，屬於故障控制器的 I/O

模板退出運行。單邊配置適用於

• 不需要增加可靠性的應用場合

• 連接到以用戶程序為基礎的冗余 I/O 站。基於此種目的，系統

對稱的配置

設計

在切換式配置中，I/O 模板雖為單通道設計，但是兩個控制器

均可通過冗余的總線網絡訪問 I/O 模板。切換式 I/O 模板只能插入

• ET 200M 遠程 I/O 站。

通過 PROFIBUS-DP 或者 PROFINET 連接到控制器。

切換式配置 1

切換式配置 2

單邊配置（常規的可用性）

FM 和 CP 的冗余

功

FM 和 CP 的冗余

功能模板（FM）和通訊模板有兩種冗余配置：

• 可切換的冗余設置：

FM/CP 可插到分立的 ET 200M 中，或成對的插入到可切換的

ET200M 中的一個。

• 雙通道冗余配置：FM/CP 可插到兩個子單元或者是和這些子單

元接口的擴展設備中（參考單邊配置）

實現模板的冗余有不同的方法。

• 由用戶編程：利用功能模塊和 SIMATIC CP 可以由用戶編程實現

冗余功能。

選擇主動模板並檢測任何故障以便啟動轉換機制。所要求的程序

和帶冗余 FM/CP 的非冗余 CPU 的結構相一致。

• 操作系統直接支持：在 SIMATIC NET-CP（CP-443-1，CP 443-1

TCP，CP 443-5 基本型和 CP 443-5 擴展型）上，操作系統直接

支持冗余結構，詳細內容見通訊手冊。

CPU412-5H、CPU414-5H、CPU416-5H、CPU417-5H 操作系統自

動地執行所有 S7-400H 需要的附加功能：

• 數據通訊

• 故障響應（切換到備用控制器）

• 2 個子單元的同步功能

• 自檢

“熱備”模式的 S7-400H 的運行是根據主動冗余原理（在發生故

障時，無擾動地自動切換）。根據這個原理，無故障時兩個子單

元都在運行狀態。如果發生故障，正常工作的子單元能獨立地完

成整個過程的控制。

為了保證無擾動地切換，做到控制器鏈路之間快速、可

靠的數據交換。

為此控制器自動的接收

• 相同的用戶程序

• 相同的數據塊

• 過程映象內容

• 相同的內部/數據，如計時器、計數器、位存儲器等

這樣確保兩個子控制器要隨時更新內容，並在任何時間只要一

個有故障，另一個可承擔全部控制任務，因此CPU的切換時間為

零，連接I/O站大切換時間100ms。

為了無擾動地切換，兩個單元保持同步。

S7-400H 運行於“事件驅動同步”。

這就是說兩個子單元有不同的內部狀態時，就會進行同步操作。

例如在下列情況：

• 直接 I/O 訪問

• 中斷，報警

• 刷新用戶時間

• 通過通訊功能修改數據

由操作系統自動地執行同步功能，編程時不需要考慮。

S7-400H 執行擴展的自檢。包括如下內容：

• 控制器間的鏈接

• CPU 模板

• 處理器/ASIC

• 存儲器

檢測到的每一個故障都給出報告。

運行後的自檢，當再起動時，每個子單元完整地執行所有的測

試功能。

周期運行時的自檢：

全部自測試被分配到幾個周期中進行。每個周期只執行自檢中

的一部分，以減輕控制器的負擔。

SIMATIC 的可用性的通訊，為用戶提供了一種新型的通訊

類型，它具有以下特點：

• 增強了可用性：

發生故障時，通過多達 4 個冗余連接，使通訊仍能繼續

進行。對用戶來說，需要的切換過程是看不到的。

• 用戶友好特點

從用戶觀點來看，可用性是看不到的，可使用含標準通訊的

用戶程序，不需要做修改。冗余功能只在參數化階段建立。

目前 S7-400H（冗余和非冗余配置）和 PC 支持容錯通訊。PC

冗余需要有連接程序軟件包。

配置

由於對容錯的要求不同，其配置也是各種各樣的：

• 非冗余或冗余總線

• 總線型或環形結構

S7-400H 的編程和 S7-400 相同，可使用所有 SIMATIC S7 的

編程語言。

編程 S7-400H 需使用 STEP7 V5.5 SP2 HF1 版本。

組態 S7-400H 的基本步驟和組態 S7-400 的基本步驟相同，

例如

• 建立項目和站

• 配置硬件和網絡

• 裝載系統數據到目標系統