SIMATICH系統(tǒng)介紹

1、第一章SIMATIC H系統(tǒng)介紹1.1 SIMATIC H系統(tǒng)發(fā)展的歷史 H系統(tǒng)的定義在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，要求擁有一種能夠滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)，具有冗余及故障安全功能的可編程控制器是針對(duì)最高等級(jí)的控制需求。H(高可靠性)系統(tǒng)，通過(guò)將發(fā)生中斷的單元自動(dòng)切換到備用單元的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作，H系統(tǒng)通過(guò)部件的冗余實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。F（故障安全）系統(tǒng)，通過(guò)將發(fā)生中斷的系統(tǒng)切換到安全狀態(tài)（通常為停車(chē)）來(lái)避免造成對(duì)生命、環(huán)境和原材料的破壞。FH或HF（故障安全和高可靠性）系統(tǒng)，通過(guò)將發(fā)生故障的通道關(guān)閉，保證系統(tǒng)無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行。S7-400H是西門(mén)子提供的最新冗余PLC。由于他是S

2、IMATIC S7家族的一員，這意味S7-400H擁有所有SIMATIC S7具有的先進(jìn)性。1.1.2 SIMATIC H系統(tǒng)的發(fā)展西門(mén)子SIMATIC H產(chǎn)品發(fā)展列表：1986：S5-150H帶串行數(shù)據(jù)傳輸。1987：S5-150H帶并行數(shù)據(jù)傳輸。1990：S5-155H帶CPU946R/947R。1991：S5-115H帶CPU942H。1992：S5-155H新功能（支持2-OO-3數(shù)字和模擬輸入）。1994：S5-155H帶CPU948R和新功能。1997l 四月：分離機(jī)架S5-155H。l 九月：S5-155H Lite版本。1998l 一月：IM153-3連接S5-115H,155

3、H和S7軟冗余。l 五月：S7軟冗余。l 七月： S7-400冗余電源。l 十二月：帶CPU417H的S7-400H系統(tǒng)Beta版發(fā)布。1999l 五月：帶CPU417H的S7-400H系統(tǒng)全面發(fā)布。2000l 八月：H-CPU在S7-400F中使用。l 十二月：帶CPU414H的S7-400H系統(tǒng)全面發(fā)布。2001l 二月：Y-Link連接單通道DP-Slaves。2003l 一月：支持冗余DI/DO AI/AO模件。2004新CPUl 十二月：V4 CPU 414-4H/417-4H全面發(fā)布。l 程序執(zhí)行性能增加l CPU414-4H大約為原CPU的1.5倍l CPU417-4H大約為原C

4、PU的2.5倍l 更多的內(nèi)存l CPU414-4H集成1.4MBytel CPU417-4H集成20MBytel 更高的穩(wěn)定性?xún)?nèi)存帶有自動(dòng)錯(cuò)誤探查和修復(fù)（EDC）l 同步電纜長(zhǎng)度增加l 以前500ml 短距離同步模件最長(zhǎng)10ml 長(zhǎng)距離同步模件最長(zhǎng)10Km2005l 二月：在S7-400F系統(tǒng)中使用H-CPU V4。1.2故障率的計(jì)算方法系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率和時(shí)間的關(guān)系可以用浴盆曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)，如圖1-1所示。1.2.1浴盆曲線(xiàn)原理早期故障磨損故障隨機(jī)故障l 常數(shù)t故障頻率 l圖 1-1浴盆曲線(xiàn)從該曲線(xiàn)可以看出，系統(tǒng)故障率在系統(tǒng)早期投用和晚期老化后的故障率較高，而在使用中間段時(shí)隨機(jī)故障率相對(duì)恒定。1

5、.2.2故障率計(jì)算公式lcN . D tC=在考慮的時(shí)間范圍t內(nèi)，發(fā)生故障的部件數(shù)N=整個(gè)使用的部件數(shù)t=考慮的時(shí)間范圍1.2.3平均無(wú)故障時(shí)間MTBFMTBF=1/1.2.4可靠性計(jì)算公式AS=MTBF/(MTBF+MDT)MDT=平均故障時(shí)間（或MTTR=平均修復(fù)時(shí)間）舉例：l MTBF=100h，MDT=0.5h-A=99.5%!l MTBF=1year，MDT=24h-A=99.7%因此，考慮系統(tǒng)的可靠性需同時(shí)考慮MTBF和MDT。1.2.5如何增加系統(tǒng)的可靠性從可靠性公式中可以看出，增加系統(tǒng)的可靠性可以從提高M(jìn)TBF和MDT降低兩個(gè)方面進(jìn)行。1.2.5.1增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加穩(wěn)定性，

6、可從如下環(huán)節(jié)考慮：l 設(shè)備生產(chǎn)商l 使用高質(zhì)量部件l 使用具有更高標(biāo)準(zhǔn)的部件l 預(yù)燒l 抗過(guò)載保護(hù)l 質(zhì)量控制l 冗余l(xiāng) 工廠(chǎng)設(shè)計(jì)人員l 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)l 冗余安裝l 符合安裝條件需要l 在合適的環(huán)境條件下使用l 工廠(chǎng)操作人員l 維護(hù)l 快速故障診斷l(xiāng) 自動(dòng)故障診斷和定位（自測(cè)試）l 具有診斷功能l 診斷工具的穩(wěn)定性l 訓(xùn)練有素的維護(hù)人員l 快速修復(fù)l 系統(tǒng)不停機(jī)情況下修復(fù)（在線(xiàn)修復(fù)）l 修復(fù)工程容易l 快速備件發(fā)送l 訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)人員1.2.5.2整個(gè)系統(tǒng)的MTBF對(duì)于串行系統(tǒng)而言，系統(tǒng)故障發(fā)生率是各部件故障發(fā)生率之和，如圖1-2所示。舉例：123MTBF1MTBF2MTBF31MTBFsys

7、MTBF1MTBF2MTBF3 111+=MTBFsys =1l1 + l2 + l3圖1-2串行系統(tǒng)的MTBF可見(jiàn)部件越多MTBF時(shí)間越小。SIMATIC H系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間：CPU:15年IO 模件：50年平均修復(fù)時(shí)間:大約4小時(shí)，對(duì)于工廠(chǎng)設(shè)計(jì)通常10年進(jìn)行一次大修，更換部件。注：MTBF的計(jì)算方法沒(méi)有一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)商的計(jì)算方法不同。1.2.5.3故障容錯(cuò)性比較對(duì)于單機(jī)操作和冗余操作方式下的H系統(tǒng)故障容錯(cuò)性比較，如圖1-3所示：圖 1-3a圖 1-3b圖 1-3c以單機(jī)操作的系數(shù)為1，那么安裝與H-RACK機(jī)架上（2X9槽，中間物理分隔）的H系統(tǒng)可靠性提高57倍，如果H系

8、統(tǒng)分別安裝于完全分開(kāi)的機(jī)架，例如普通九槽機(jī)架，可靠性將提高59倍。1.3 SIMATIC H系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1冗余系統(tǒng)的目的使用冗余系統(tǒng)的目標(biāo)是減少因一個(gè)錯(cuò)誤或系統(tǒng)維護(hù)而導(dǎo)致的產(chǎn)品損失。停車(chē)成本越高，越值得采用冗余系統(tǒng)。通常投資冗余系統(tǒng)較高的費(fèi)用會(huì)因避免的產(chǎn)品損失而很快地返還。軟冗余：在許多應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于工廠(chǎng)單元的冗余質(zhì)量和控制范圍并不完全必要使用一個(gè)專(zhuān)用的冗余系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，例如切換時(shí)間較長(zhǎng)或丟失部分信息，但并不影響控制過(guò)程。通常來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的軟冗余機(jī)制就可將因一個(gè)錯(cuò)誤事件導(dǎo)致的故障控制過(guò)程切換到一個(gè)備用系統(tǒng)上而繼續(xù)進(jìn)行。利用可選軟件包“SIMATIC S7 Software Redu

9、ndancy” 軟冗余可在S7-300和S7-400標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中運(yùn)行。這樣配置的軟冗余系統(tǒng)可用于能夠容忍切換延遲在秒級(jí)的控制過(guò)程，例如：水廠(chǎng)工作、水處理或交通控制。冗余I/O：當(dāng)兩個(gè)單獨(dú)的模塊被組態(tài)并以冗余對(duì)方式使用時(shí)，則采用冗余I/O。這種方式能夠得到最高的可靠性，因?yàn)橄到y(tǒng)可以忍受單個(gè)CPU和單個(gè)信號(hào)模件發(fā)生故障。冗余I/O是通過(guò)使用功能塊庫(kù)“function I/O redundancy”來(lái)執(zhí)行的。這些功能塊只能在S7-400H系統(tǒng)中使用。H系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：避免由于單個(gè)CPU故障造成系統(tǒng)癱瘓，無(wú)擾動(dòng)切換，不會(huì)丟失任何信息。需要H系統(tǒng)高可靠性的原因：l 處理貴重原料l 停車(chē)或不合格產(chǎn)品的成本昂貴l

10、 控制系統(tǒng)癱瘓導(dǎo)致重新開(kāi)車(chē)的費(fèi)用高l 無(wú)需監(jiān)視和維護(hù)人員的操作場(chǎng)合1.3.2 H系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域S7-400H系統(tǒng)是用于高程度的可靠性和容錯(cuò)能力的場(chǎng)合，例如：能源開(kāi)采和配送（石油、天然氣、電力）l 電力l 管輸l 離岸l 區(qū)域加熱系統(tǒng)化學(xué)制品、電力化工、石化和采礦工業(yè)環(huán)保工程l 水處理l 垃圾焚化紙漿和造紙鋼鐵食品和包裝玻璃工業(yè)半導(dǎo)體工業(yè)（應(yīng)用）交通l 隧道自動(dòng)化l 海底隧道自動(dòng)化機(jī)場(chǎng)l 跑道照明l 行李輸運(yùn)1.3.3 S7-400H系統(tǒng)的架構(gòu)S7-400H系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)確保了任何時(shí)候的系統(tǒng)可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。這包括了冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通信的同步模塊。

11、根據(jù)特定的自動(dòng)化控制過(guò)程需要，還可以配置冗余客戶(hù)服務(wù)器、冗余通訊介質(zhì)、冗余接口模件IM153-2等，如圖1-4所示。管理級(jí)PC 網(wǎng)絡(luò)/終端總線(xiàn)過(guò)程級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)ET 200M以太網(wǎng)冗余IM 153冗余power supplyH CPUs熱備份客戶(hù)機(jī)并行冗余服務(wù)器并行冗余With archive-matching軟冗余暖備份介質(zhì)冗余高可靠性通信冗余PROFIBUS圖1-4 S7-400H的冗余架構(gòu)1.3.4 SIMATIC S7-400H系統(tǒng)受益于用戶(hù)對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，可以將H系統(tǒng)作為普通的系統(tǒng)，因?yàn)镠系統(tǒng)具有隱藏的冗余性l 通明的編程（與非冗余系統(tǒng)編程方法一致）l 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)化l 標(biāo)準(zhǔn)的處理方法S7

12、-400H系統(tǒng)可無(wú)限制使用所有的SIMATIC編程語(yǔ)言，并可作為F和FH系統(tǒng)的平臺(tái)。1.3.5冗余原理S7-400H系統(tǒng)中兩個(gè)CPU同時(shí)工作，CPU沒(méi)有切換時(shí)間。I/O為2OO2主動(dòng)冗余，同時(shí)工作。1.3.5.1 S7-400H系統(tǒng)亮點(diǎn)1. 平滑的主從切換2. 自動(dòng)事件同步3. 集成的錯(cuò)誤識(shí)別和錯(cuò)誤定位功能4. 操作期間可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改5. 類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)CPU的在線(xiàn)編程6. 下載程序時(shí)，只考慮單個(gè)CPU，程序可自動(dòng)拷貝到另一個(gè)CPU中。7. CPU修復(fù)后自動(dòng)再進(jìn)入。8. 運(yùn)行中所有部件可更換。1.3.5.2無(wú)擾動(dòng)主從切換l CPU無(wú)切換時(shí)間l IM153切換時(shí)間參考PROFIBUS參數(shù)l 切換期間

13、輸出保持l 切換期間無(wú)信息或報(bào)警/中斷丟失。CPU 切換條件標(biāo)準(zhǔn)主站故障（供電、機(jī)架、CPU）DP鏈或DP從站接口模件故障都不會(huì)強(qiáng)制CPU切換。1.3.5.3同步原理H系統(tǒng)采用西門(mén)子專(zhuān)利的事件同步方式進(jìn)行同步。保證同步的有效性的同時(shí)又不會(huì)增加CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。同步事件包括：l 過(guò)程映象區(qū)更新l I/O直接訪(fǎng)問(wèn)l 中斷、報(bào)警l 更新計(jì)時(shí)器l 使用通訊功能時(shí)的數(shù)據(jù)改變這種同步方式給客戶(hù)帶來(lái)的好處：l 用戶(hù)不用考慮怎樣實(shí)現(xiàn)同步l 無(wú)命令限制l 從標(biāo)準(zhǔn)CPU到高可靠性CPU用戶(hù)程序容易移植無(wú)擾動(dòng)切換l 無(wú)信息丟失l 無(wú)報(bào)警/中斷丟失1.3.5.4全面的自測(cè)試功能SIMATIC H 系統(tǒng)的自測(cè)試功能處理

14、的范圍包括：CPU、內(nèi)存、同步連接。測(cè)試形式：1. H系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的自測(cè)試l 完全的測(cè)試2. 循環(huán)模式的自測(cè)試l 作為背景任務(wù)永久執(zhí)行l(wèi) 在指定范圍時(shí)間內(nèi)完成（缺省90分鐘），如圖1-5所示：圖1-5 設(shè)置H系統(tǒng)自檢測(cè)參數(shù)1.3.5.5在線(xiàn)編程S7-400H系統(tǒng)可以在線(xiàn)進(jìn)行編程修改。與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的在線(xiàn)修改一樣，修改后的程序被下載到連接的CPU中，通過(guò)光纖同步模塊將程序傳輸?shù)搅硪粋€(gè)CPU中。可以通過(guò)MPI、PROFIBUS或Ethernet接口在線(xiàn)修改程序。1.3.5.6在線(xiàn)修改系統(tǒng)參數(shù)及添加、刪除硬件功能（H-CIR）在S7-400H系統(tǒng)運(yùn)行中可以在線(xiàn)修改系統(tǒng)參數(shù)、添加、刪除硬件，可在線(xiàn)修改的范圍

15、包括：CPU內(nèi)存組態(tài)添加或刪除：l 中央I/O或CPl DP從站l PA接口和PA從站l Y-Link和其從站l 模塊化DP從站中模件CPU參數(shù)（藍(lán)色標(biāo)注的參數(shù)可修改）1.3.5.7模件更換運(yùn)行模式下可添加和刪除的模件：l I/O和CPl 同步模件l 冗余IM153-2l 冗余電源在停電狀態(tài)下能夠替換的冗余部件：l 標(biāo)準(zhǔn)電源l 中央IMl CP PROFIBUSl CPU(更換后可自動(dòng)更新程序和數(shù)據(jù))1.3.5.8 備份CPU與主CPU同步建立的過(guò)程CPU故障后，替換的備份CPU與主CPU同步連接自動(dòng)建立，備份CPU發(fā)出Link-up請(qǐng)求，主站在禁止刪除、拷貝和生成塊功能后將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給備份CPU。備份CPU執(zhí)行自測(cè)試，然后向主站發(fā)出更新請(qǐng)求。主站在終止已組態(tài)連接的通訊和禁止低級(jí)別的報(bào)警后，拷貝動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)給備份CPU。主站運(yùn)行用戶(hù)程序，在禁止所有報(bào)警和中斷后向已Link-up的備份CPU發(fā)送上次更新后發(fā)生改變的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。備份CPU接收主CPU的輸入、輸出、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和內(nèi)存位信息，主CPU