400H胶片.ppt

1、,Automation and Drives,IMATIC S7-400H,S,高可用性自动化系统,冗余系统实践,定义,冗余的定义： 使用多个组件实现相同的功能 目的: 提 高 可 用 性,概述,定义,概述,SIMATIC H-系统的历史,1986:S5-150H (基于系统的软件) 串行数据传送 1987: S5-150H 并行数据传送 1990: S5-155H CPU 946R/947R 1991:S5-115H CPU 942H 1992: S5-155H 各种新功能 (支持 2-o-3 数字量和模拟量输入） 1994:拥有CPU 948R 和各种新功能的S5-155H 1997 四月

2、: 机架分离的 S5-155H 九月: S5-155H Lite 1998 一月: IM 153-3 与 S5-115H, 155H and S7-软件冗余 五月: S7 软件冗余 七月: S7-400 冗余电源 十二月：带有CPU 417H 的S7-400H 第二测试版的发行,概述,SIMATIC H-系统的历史,1999 五月: 带有CPU 417H的S7-400H 的全面发行 2000 八月: 在 S7-400F 系统中H-CPU的使用 十二月: 带有CPU 414H的S7-400H 的全面发行 2001 二月: 为了单通道DP-Slave 连接的Y-Link 2003 一月: 冗余DI

3、/DO AI/AO 模块的支持,概述,SIMATIC H-系统的历史,2004新CPU 十二月: V4 CPU 414-4H / 417-4H的全面发行 编程性能的提高 CPU 414-4H appr. x 1,5 CPU 417-4H appr. x 2,5) 更大的内存 CPU 414-4H with 1.4MByte onboard CPU 417-4H with 20MByte onboard 更高的可靠性带有自动错误探测和更正功能的存储器(EDC) 同步电缆长度增加 以前 500m 短距离同步模块最长到10m 长距离同步模块最长到10,000 m 2005 二月: 在 S7-400F

4、 系统中H-CPU V4 的使用,概述,SIMATIC H-系统的历史,概述,2007 H-CPU V4.5,理论浴缸曲线,概述,理论故障率计算,C= 故障组件的个数 （在假定的时间 t内） N= 总的组件个数 t=假定的时间,概述,理论MTBF,MTBF = 平均无故障时间 （Mean Time Between Failures）,概述,理论有效性,例子： MTBF = 100 h, MDT = 0,5 h - A = 99,5% ! MTBF = 1 year, MDT = 24 h - A = 99,7% 为了计算系统的可用性，MTBF 和 MDT 的两个值将被使用。,MDT = 平均停

5、机时间（Mean Down Time）或 MTTR = 平均维修时间（Mean Time To Repair）,AS =,MTBF,MTBF + MDT,概述,理论增加可用性的方法,AS =,MTBF,MTBF + MDT,提高MTBF Reducing 待机时间 (MDT),提高可用性,概述,提高可用性的方法提高可靠性,设备生产商 使用高品质部件 使用高标准的部件 烤机 超负荷保护 质量控制 冗余 工厂设计 网络的架构 冗余安装 遵守安装条件的要求 考虑使用环境 工厂操作员 维护,概述,提高可用性的方法降低故障时间,快速错误诊断 自动错误检测和故障定位（自测） 诊断功能 诊断工具的可靠性 具

6、有良好专业培训的维修人员 快速修理 系统工作状态下进行维修(在线维修) 简单维修 快速备用部件的发送 具有良好专业培训的维修人员,概述,理论整个系统的MTBF,串行系统 整个系统的故障发生率是各部件故障发生率之和 例子:,概述,原理MTBF v值,MTBF :CPU : 15 years IO module : 50 years MTTR : mean time to repair 4 hours MTBF list is available under: ,概述,原理容错的比较,1,57,59,概述,好处,避免由个体故障导致控制系统发生故障 通过冗余配置来实现此功能 在下列情况下需要高可用性

7、 当原材料十分贵重时 停工或是生产故障带来的高费用 由于控制系统错误导致的高额重起费用 无监控和维修人员情况下的操作,概述,应用行业（1）,发电及能源输配(石油、天然气、电力) 电厂 管线 海油 城市供热系统 化学、石化、电化及生物制药 采矿 环境工程 水处理 垃圾焚化 纸浆及造纸 钢铁冶金,概述,应用行业 (2),食品和饮料 玻璃行业 半导体行业 交通 隧道自动化 航海自动化 航空 跑道照明 行李输送,概述,冗余系统架构,管理层,PC network/terminal bus,ET 200M,Ethernet,Redundant IM 153,Redundant power supply,H

8、 CPUs Hot stand-by,并行操作冗余 的客户端,并行操作的冗余 归档服务器,冗余的介质,高可靠的通信,Redundant PROFIBUS,控制层,现场层,概述,冗余原理 (1),m-of-n Fault-tolerant and failsafe,HW or SW voting,A,B,C,m-v-n,A,Cold stand-by = manual switchover,R,A,R,1-v-2,1-v-2,2oo2,2oo2,Fault-tolerant,Failsafe,A,B,A,B,1,2-v-2,1-v-2,2oo2,1oo2,被动冗余机制,主动冗余机制,投票表决的冗

9、余机制,相同设备的冗余(同类冗余),Redundancy principle S7-400H,Hot stand-by = automatic switchover 100 ms Warm stand-by = automatic switchover in seconds range,冗余特点,Process,冗余原理 (2),IM,DI,AI,AO,DO,IM,FM,同步 信息 及状态的交换,冗余特点,S7-400H的冗余原理,S7-400H 亮点,平稳的Master-Reserve 转换 自动事件同步 集成错误识别和错误定位功能 在运行中可以对系统进行调整 像标准CPU的在线编程 下载时

10、，程序将被自动复制到两个CPU中 在线维修 维修后CPU自动进入冗余状态 在运行状态下可随意换下所有的部件,冗余特点,无扰动的主从切换,CPU无切换时间 切换时间 100ms 切换期间输出保持 信息或者报警/中断不会丢失 切换标准 控制器故障 电源 机架 CPU DP 链或DP 从站接口模块的故障不会强制转换,切换,自动事件同步,同步过程,Sub controller A,Sub controller B,Cycle synchronization,Sub controller A,Sub controller B,Time synchronization,Command synchroniz

11、ation,Sub controller A,Sub controller B,Sub controller A,Sub controller B,No synchronization,事件同步,同步,自动事件同步原理,定义: 将所有执行命令而导致两个PLC中不同的状态进行同步。 完全自动的系统功能 同步事件: 更新过程映像 直接访问I/O 中断，报警 更新计时器 通过通讯功能来实现数据更改,同步,同步 信息 及状态的交换,自动事件同步,事 件 同 步 原 理,A,I 10.0,+,I,L,DBW 10,L,PIW100,:,:,:,S,O 8.0,A,I 10.0,+,I,L,DBW 10,

12、L,PIW100,:,:,:,S,O 8.0,T,PQW130,:,Ackn.,Value,Switchover,Synchronization,Synchronization,同步,自动事件同步,事 件 同 步 的 循 环,Self-test,PIO,PIO,Match-up,PII,PII exchange,Synchronization,User program,User program,Self-test,PII,同步,自动事件同步,用户得到的利益 透明的编程 所有 SIMATIC-S7编程语言都适合 没有命令限制 普通CPU的程序与冗余CPU程序可以相互使用 无扰切换 事件同步保证所

13、有信息不会丢失 事件同步保证所有报警和中断不会丢失 所有冗余功能由操作系统处理不需要用户处理,同步,全面的自检测功能,自检测功能 范围: CPU Memory 操作系统 检测功能的过程: 启动时自检测功能 完全检测 运行时自检测过程 在后台自动运行 可以定义循环检测时间,自检,配置冗余连接,光纤 (FO),光纤(FO),可替换的同步模块,配置,配置CPU的技术规格,配置,可使用的三种CPU： 内存30MB 的CPU 417-4H 内存2.8 MB 的CPU 414-4H 内存768K的CPU412-3H 一般技术规格： e.g. CPU 417-4 or CPU 414-4 4 个集成接口 2

14、个同步模块接口 1个MPI/DP 接口 1个DP接口(412-3H除外),配置CP412-3H 套件,配置,412H AC套件，订货号：6ES7 400-0HR00-4AB0:,412H DC套件， 订货号： 6ES7 400-0HR50-4AB0,配置突出新CPU的优势,性能的提升 平均增加值： 417-4H appr. x 2,5-3 414-4H appr. x 1,2-2,2 更大存储量 417-4H 从4 MB 提升到 20MB 414-4H 从 768KB 提升到 1,4MB 更高可靠性 具有自动错误检查及更正功能的存储器 新的特点 与主控制器的距离可高达10公里（before 5

15、00m) 412-3H仅能控制最远程为10米的同步模块 运行模式下升级固件,配置,CPU V 3.x V.SV4.x,Use the selector switch on the rear panel of the CPU to set the rack number. The switch has two positions, namely 1 (up) and 0 (down). One CPU is allocated rack number 0, and the partner CPU is assigned rack number 1. Default setting of both

16、 CPUs is rack number 0.,机架安装,CPU V3,CPU V4,CPU V3,CPU V4,配置,中央控制器的配置,2个标准的子机架,Redundant power supply (PS) optional,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,Max. cable length 10km,H型子机架 (背板总线内部分开),配置,I/O 配置 可用性的水平,配置,I/O 配置单边 I/O,配置,I/O 配置可转换的 I/O,IM,IM,ACTIVE背板总线,PROFIBUS DP,配有有源背板总线的ET 200M,L+,L+,冗余

17、IM 153-2,配置,I/O 配置通过PA连接PROFIBUS PA,PROFIBUS DP,2 x IM 157,DP-PA link,配置,I/O 配置Y-Link连接,通过Y-Link 可以将单通道DP 从站连接到冗余的系统中,IM 153-2 with ET 200M,IM 157 with PA bus,Y-Link with DP bus,配置,Rack 0,Rack 1,I/O 配置Y-Link 硬件配置,配置,在线编程,编程/参数任务 SIMATIC Manager H-station view,编程,在线编程,编程-硬件配置,编程,在线编程,在线修改与普通系统相同 所有的修

18、改将自动复制到备份的CPU中 编程器的连接 MPI接口 通过总线,MPI/DP,PROFIBUS/Ethernet,编程,SIMATIC S7-400H Exercise 1 硬件配置,H/W Configuring, Error-OBs, Monitoring Errors,在运行中修改硬件参数,CPU 内存的配置 增加 或 删除硬件模块: 中央I/O或CP DP 从站 PA 接口 和 PA 从站 Y-link 和从站 DP从站中的模块 CPU 参数 只有蓝色标记的参数可以修改,H-CIR,在运行状态下更换模块,在运行状态下可以随意插入或取下模块： 中央I/O 或 CP 同步模块 冗余 IM

19、 153-2 冗余电源 在断电的情况下可以替换冗余组件： 标准电源 中央 IM CPUCPU自动更新程序/数据,在线维护,Hardware Configuration In Run,自动CPU同步,连接并更新备份CPU (1),Stand-by requests link-up,Master copies all data to stand-by,MASTER,STAND-BY,RUN solo,STOP,Execute start routine and self-test,CPU 1 requests update,Master copies dynamic data,DisableDel

20、ete, Copy and Generate Blocks functions,Terminate communication via configured links. Disable low-priority alarms,User program,OS,在线维护,自动CPU 同步,连接并更新备份CPU(2),Dynamic data which have changed since the last update,MASTER,STAND-BY(link-up),Inputs, outputs, timers, counters, memory bits,Redundant, synch

21、ronous operation,Enable alarms/interrupts and communication,Disable all alarms/ interrupts,在线维护,系统状态,H-CPU 系统状态控制,通讯单通道通讯的配置,H-System,Single Controller,Point-to-Point,CP 341,PROFIBUS DP,MPI / PROFIBUS / Ethernet / Point-to-Point,Single Controller,通讯,冗余通讯原理,发生通讯故障时可以通过冗余连接实现冗余通讯 冗余连接可以在以下情况实现： 从H 站到其

22、他H 站（一个或两个通道） HMI PCs (要求软件RED-CONNECT）,Active connection,Stand-by connection,通讯,冗余通讯冗余总线的配置（1）,Ethernet,H-CPU in single mode,PS,PS,Bus,Bus,CP,CP,CP,CP,PS,PS,CPU,CPU,CPU,CPU,等效图,通讯,冗余通讯冗余总线的配置(2),H-CPU in single mode,PS,PS,CPU,CPU,Bus,Bus,CP,CP,CPU,CPU,PS,PS,CP,CP,CP,CP,CP,CP,Ethernet,等效图:,通讯,冗余通讯单总

23、线的配置,H-CPU in single mode,PS,PS,CPU,CPU,Bus,CP,CP,CP,CP,CPU,CPU,PS,PS,Ethernet,等效图:,通讯,冗余通讯环形总线配置,环形总线,S7-400H,S7-400H,PS,PS,CPU,CPU,CP,CP,CP,CP,CPU,CPU,PS,PS,Bus,Bus,H-CPU in single mode,等效图:,CP 1613 withRedConnect,通讯,冗余通讯双环形总线的配置,双环形总线,S7-400H,S7-400H,H-CPU in single mode,等效图,PS,CPU,CP,CP,CPU,Bus,

24、Bus,PS,PS,PS,CPU,CP,Bus,Bus,CP,CPU,CP 1613 withRedConnect,通讯,高可用性的通讯（H-通讯）冗余连接,列表中显示可选择的连接。 可能连接的数量由网络拓扑结构决定。 最多可以四个连接被激活。,通讯,H-系统和单总线结构 每个CPU有1CP之间的通讯,System 1,System 2,A,B,A,B,默认路径,通讯,System 1,System 2,A,B,A,B,CP 故障!,通讯,H-系统和单总线结构 每个CPU有1CP之间的通讯,H-系统和单总线1 CP per CPU 之间的通讯,System 1,System 2,A,B,A,B

25、,还有 CPU 故障 !,通讯,H-系统和标准S7-系统/S5/PC的通讯,解决方案: APRED 软件包 (1),H-System,S5,APRED for S7,APRED for S5,APRED for S7,S7-300,UNIX / WIN PC,APRED/ CP1613 SOFTNET-TF/APRED,Industrial Ethernet,通讯,H-系统和标准S7-系统/S5/PC的通讯,解决方案: APRED 软件包 (2),H-System,S5,APRED for S7,APRED for S5,UNIX / WIN PC,APRED/ CP1613 SOFTNET-

26、TF/APRED,Industrial Ethernet,通讯,H-系统和第三方系统之间的通讯,H-System,解决方案：点到点,Third-party System,Point-to-Point,CP 341 in ET-200M,PROFIBUS DP,通讯,带有 TD / OP / MP的通讯配置,TD / OP / MP,(WIN CE),PROFIBUS / MPI,OP / TP MP,带有2 TD / OP / MP的通讯配置,PROFIBUS / MPI,TD / OP / MP,(WIN CE),OP / TP MP,OP 与S7 400H之间的连接,Solution: w

27、ith Repeater,OP / TP MP,OP 与S7 400H之间的连接,转发器的连接,OP / TP MP,OP 与S7 400H之间的连接,单路径,Segment1(1),Segment 1,Segment 2,Address x,Address x,Address y,OP/ TP,Segment1(1),Segment 1,Segment 2,Address x,Address x,Address y,OP/ TP,OP / TP MP,冗余 I/O,冗余I/O,New: Redundant IO,感应/控制元件,PROFIBUS DP,Redundant Communicat

28、ion,Redundant Controller,Redundant IM,Redundant Profibus,冗余I/O可能的冗余结构 (1),中央 I/O 模块,分布式 I/O 模块,冗余I/O,冗余I/O可能的冗余结构 (2),分布式转换I/O 模块,单一形式的H CPU,冗余I/O,可使用的数字模块,1. 数字输入Redundant DI, centralized DI 16 x DC24V Alarm6ES7 421-7BH01-0AB0 DI 32 x DC24V6ES7 421-1BL0 x-0AA0 DI 32 * UC 120V6ES7 421-1EL00-0AA0 Red

29、undant DI, distributedDI 24x 24 V DC6ES7 326-1BK00-0AB0DI 8x NAMUR EEx ib6ES7 326-1RF00-0AB0DI 16x 24 V DC, interrupt6ES7 321-7BH00-0AB0DI 16x 24 V DC6ES7 321-1BH02-0AA0DI 32x 24 V DC6ES7 321-1BL00-0AA0DI 32x 24 V DC6ES7 321-7BH01-0AB0DI 8x 230V AC6ES7 321-1FF01-0AA0DI 16x Namur6ES7 321-7TH00-0AB0DI

30、 4x Namur6ES7 321-7RD00-0AB0,冗余I/O,可使用的数字模块,2. 数字输出 Redundant DO, centralized:DO 32x 24V/0.5A DC6ES7 422-7BL00-0AB0DO 16x 120/230V/2A AC6ES7 422-1FH00-0AA0 Redundant DO, distributed: DO 10 x 24 V/2 A DC6ES7 326-2BF00-0AB0DO 32x 24 V/0.5 A DCES7 322-1BL00-0AA0DO 8x 24 V/2 A DC6ES7 322-1BF01-0AA0DO 8x

31、 24 V/0.5 A DC6ES7 322-8BF00-0AB0DO 8x 230 V/2 A AC6ES7 322-1FF01-0AA0DO 16x 24 V/0.5 A DC6ES7 322-8BH00-0AB0DO 16x 24 V/10 nA (Ex)6ES7 322-5SD00-0AB0,冗余I/O,可使用的数字模块,3. 相似输入Redundant AI, centralized:AI 16x16bit6ES7 431-7QH00-0AB0 Redundant AI, distributed: AI 6x 13bit6ES7 336-1HE00-0AB0 AI 8x 12bit6

32、ES7 331-7KF02-0AB0AI 8x 16bit6ES7 331-7NF00-0AB0AI 4x 15bit6ES7 331-7RD00-0AB0,4. 相似输出Redundant AI, centralized:-Redundant AI, distributed: AO 4x 12 bit6ES7 332-5HD01-0AB0AO 8x 12 bit6ES7 332-5HF00-0AB0AO 4x 15 bit6ES7 332-5RD00-0AB0AO 8x 12bit6ES7 332-5HF00-0AB0,冗余I/O,冗余I/O冗余质量的等级,最高质量等级 满足无故障操作的要求

33、，通过利用高质量的诊断功能使用F-IO。 中等质量等级 带有诊断功能的模块使用 低成本质量等级 不带有诊断功能的模块使用,冗余I/O,冗余 I/O硬件配置,Slot DP 地址 冗余 DI 差异时间 in ms 输入差异处于的响应 可用选件 AND gate OR gate 使用最后有效值,冗余I/O,冗余标签： 只有是有冗余功能的模块， 图标才会出现。 冗余的种类: (无/2) 2号站，PROFIBUS 地址 3,slot 4 包含一 个兼容的模块，可以 用于冗余DI。,冗余 I/O硬件配置,冗余I/O,冗余 I/O 配线数字输入,2个传感器,1个传感器,因为此项功能并不适用于所有模块类型，

34、所以应查询手册或利用Internet来找到适用于当前情况的模块,Redundant Profibus,Both Inputs are read in parallel. The correct value is selected and processed automatically,DI,DI,Master I/O,Redundant I/O,冗余I/O,冗余 I/O 配线的电压输入,带有1个电压感应器,带有电流感应器,带有2个感应器,4-wire transducers only,I,R,AI-I,AI-I,I,带有1个电流感应器,因为此项功能并不适用于所有模块类型，所以应查询手册或利用I

35、nternet来找到适用于当前情况的模块,The CPU reads both inputs. The correct value is selected and processed automatically,AI,AI,Master I/O,Redundant I/O,Redundant Profibus,冗余I/O,冗余 I/O 配线数字输出,带有二极管 *,带有二极管 *,因为此项功能并不适用于所有模块类型，所以应查询手册或利用Internet来找到适用于当前情况的模块.,DQ,DQ,*决定于模块的类型,Actuator,Both Outputs are set,DO,DO,Maste

36、r I/O,Redundant I/O,Redundant Profibus,冗余I/O,冗余I/O 配线的模拟输出,因为此项功能并不适用于所有模块类型，所以应查询手册或利用Internet来找到适用于当前情况的模块,Actuator,I,每次输出只输出半值。 当一个模块出现故障，输出依然不受影响，依然可以提供全部数值。,Both Outputs are set,AO,AO,Master I/O,Redundant I/O,Redundant Profibus,冗余I/O,冗余I/O 与用户程序相结合,用户程序与“Functional I/O Redundancy”相结合 , 并且作STEP7 V5.3 的一部分。 用户可以用冗余I/O来编程作为透明I/O。 此项规矩要求最低地址必须用来编程。 操作方法: 由FB RED_IN 读取输入，然后根据差异分析复制回POI。 用户已通常方式记录输出到最低地址。然后FB RED