- Программируемые контроллеры с резервированной структурой, обеспечивающие высокую надежность функционирования системы управления.
- Применение в областях, предъявляющих повышенные требования к надежности функционирования системы управления.
- Резервирование всех основных функций.
- Поддержка резервированных каналов в системах локального и распределенного ввода-вывода.
- Использование стандартных и резервированных конфигураций систем ввода-вывода.
- Горячее резервирование: автоматическое безударное переключение на резервный блок в случае отказа ведущего бока.
- Конфигурации на основе двух стандартных или одной специализированной монтажной стойки.
- Использование резервированных сетей PROFIBUS DP для построения переключаемых конфигураций системы ввода-вывода.
Область применения
Во многих областях промышленности остановка производственного процесса связана с большими материальными потерями, поэтому к надежности функционирования их систем управления предъявляются повышенные требования. Для автоматизации таких производств могут использоваться только резервированные контроллеры.
SIMATIC S7-400 имеет дублированную структуру и обеспечивает высокую надежность функционирования систем автоматизации, построенных на его основе. Он способен продолжать работу при наличии одного или нескольких отказов в различных частях системы. Благодаря этому программируемый контроллер SIMATIC S7-400H может применяться для автоматизации:
- процессов с высокими затратами на перезапуск системы в результате отказа контроллера;
- процессов с высокой стоимостью простоя;
- процессов, в которых используются дорогостоящие материалы;
- необслуживаемых процессов;
- процессов с ограниченным количеством обслуживающего персонала.
Данные для заказа
Заказные данные на компоненты систем автоматизации S7-400H могут быть найдены в соответствующих разделах описания модулей “S7-400/ S7-400H”.
Дизайн
SIMATIC S7-400H включает в свой состав:
- 2 базовых блока: на основе двух стандартных монтажных стоек UR1/UR2 или на основе одной монтажной стойки UR2-H с двумя независимыми секциями внутренней шины.
- 2 модуля синхронизации на один центральный процессор для связи базовых блоков контроллера по оптоволоконной линии связи. 2 оптоволоконных кабеля для установки синхронизирующих соединений.
- 1 центральный процессор CPU 417-4H/ CPU 414-4H на каждый базовый блок контроллера.
- Модули ввода-вывода S7-400 в каждом базовом блоке контроллера.
- Стойки расширения UR1/UR2/ER1/ER2 и/или станции распределенного ввода-вывода ET 200M с модулями ввода-вывода.
Все центральные функции управления резервируются.
Система ввода-вывода может иметь стандартную (одностороннюю) или переключаемую конфигурацию, обеспечивающую повышенную надежность функционирования системы автоматизации.
Односторонняя конфигурация системы ввода-вывода
В односторонней конфигурации обращение к модулям ввода-вывода способен выполнять только один из двух центральных процессоров контроллера. Модули ввода-вывода могут устанавливаться:
- в базовый блок контроллера;
- в стойки расширения или станции распределенного ввода-вывода.
Информация, считываемая через один канал, становится доступной центральным процессорам обоих базовых блоков. В случае отказа базового блока доступ к модулям, подключенным к нему по схеме одноканальной конфигурации, становится невозможным.
Односторонняя одноканальная конфигурация используется для обслуживания:
- Отдельных частей процесса, не предъявляющих повышенных требований к надежности системы управления.
- Резервированных входов и выходов, управляемых программой пользователя. В этом случае система должна иметь симметричную конфигурацию.
Переключаемая конфигурация системы ввода-вывода
В переключаемой конфигурации модули ввода-вывода подключаются к базовым блокам контроллера через резервированную сеть PROFIBUS DP. Оба центральных процессора контроллера способны обслуживать все модули ввода-вывода, однако управление системой ввода-вывода осуществляет только центральный процессор ведущего базового блока. Все модули ввода-вывода устанавливаются в станциях распределенного ввода-вывода ET 200M, подключаемых к двум линиям связи резервированной сети PROFIBUS DP через интерфейсные модули IM 153-2. В активном состоянии находится линия, подключенная к ведущему базовому блоку контроллера.
Резервирование каналов ввода-вывода
Центральные процессоры CPU 414-4H/CPU 417-4H с операционной системой от V3.1 и выше обеспечивают поддержку резервированных каналов ввода-вывода периферийных устройств.
Резервированные модули ввода-вывода конфигурируются парами. Использование резервированных каналов ввода-вывода обеспечивает наиболее высокую надежность функционирования системы автоматизации, поскольку сиситема способна продолжать свою работу при отказе одного из центральных процессоров, одной из ветвей резервированной сети PROFIBUS DP или одного из модулей ввода-вывода резервированной пары.
Модули ввода-вывода могут резервироваться следующими способами:
- Симметричной установкой двух одинаковых модулей в базовые блоки или стойки расширения программируемого контроллера S7-400H.
- Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M одноканальной системы распределенного ввода-вывода программируемого контроллера S7-400H.
- Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M переключаемой конфигурации системы распределенного ввода-вывода программируемого контроллера S7-400H.
- Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M одноканальной системы распределенного ввода-вывода одного базового блока S7-400H. Рекомендуется в случаях поэтапного внедрения H-системы (на первом этапе устанавливается один, на втором этапе – второй базовый блок программируемого контроллера S7-400H).
Обслуживание резервированных модулей поддерживается на уровне операционной системы центральных процессоров или на уровне программы пользователя. Процедуры обработки сигналов резервированных модулей на уровне программы пользователя подробно описаны в руководстве S7-400H.
Резервированные каналы ввода-вывода, поддерживаемые на уровне операционной системы центральных процессоров, могут создаваться только на основе модулей, перечисленных в руководстве пользователя по системам автоматизации S7-400H.
Объем диагностических функций, поддерживаемых для каждого резервированного канала ввода-вывода, определяется типом используемых модулей, а также схемами подключения датчиков и исполнительных устройств.
Резервирование функциональных (FM) и коммуникационных (CP) модулей
Для резервирования функциональных модулей и коммуникационных процессоров могут использоваться следующие конфигурации:
- Симметричное расположение пар функциональных модулей и коммуникационных процессоров в базовых блоках или стойках расширения программируемого контроллера S7-400H.
- Симметричное расположение пар функциональных модулей в станциях ET 200M, подключаемых к S7-400Hпо одноканальным схемам.
- Установкой функциональных модулей в станции ET 200M, подключенные к S7-400H по схеме переключаемой конфигурации.
Поддержка работы резервированных коммуникационных и функциональных модулей обеспечивается двумя способами:
- На уровне программы пользователя: в программе выделяется активный модуль, сбой в работе которого должен вызывать переключение на резервный модуль. Технология программирования аналогична разработке программы стандартного центрального процессора, работающего с резервированными функциональными и коммуникационными модулями.
- На уровне операционной системы центральных процессоров S7-400H: поддержка функций резервирования и синхронизации работы дублированных коммуникационных процессоров CP 443-1, CP 443-5 Basic и CP 443-5 Extended. Поддержка функций резервирования и синхронизации других коммуникационных и функциональных модулей выполняется на уровне программы пользователя.
Допустимый состав коммуникационных и функциональных модулей, используемых в резервированных конфигурациях, приведен в руководстве пользователя по системам автоматизации S7-400H.
Функции
Промышленная связь
В S7-400H реализован новый вариант организации связи. Его механизм проверок и синхронизации исключает возможность потери передаваемых данных. На этапе конфигурирования системы промышленной связи задаются основные и резервные маршруты передачи данных. Обмен данными через эти каналы поддерживается на уровне операционной системы центральных процессоров S7-400H, что позволяет не учитывать данную особенность на этапе разработки программ.
Система связи S7-400H характеризуется следующими показателями:
- Повышенная надежность: в случае возникновения отказа связь может поддерживаться по одному из 4 резервированных соединений. Необходимые переключения производятся без вмешательства пользователя.
- Удобство использования: с точки зрения пользователя высокая надежность связи является прозрачной. Программы пользователя для стандартных вариантов связи могут быть использованы без всяких изменений в резервированной системе. Функции резервирования каналов связи должны быть определены только на этапе настройки параметров.
S7-400H способен поддерживать обмен данными с другими контроллерами S7-400H, стандартными системами автоматизации S7-400, компьютерами. Для организации обмена данными с компьютерами через резервированные каналы связи дополнительно необходим пакет программ S7-REDCONNECT.
В зависимости от круга решаемых задач для организации обмена данными могут использоваться различные сетевые конфигурации:
- Резервированная или не резервированная магистральная структура.
- Кольцевая топология с одночным или дублированным кольцом.
Принцип действия
Основным принципом построения программируемого контроллера S7-400H является принцип горячего резервирования с поддержкой безударного автоматического переключение на резервный базовый блок в случае отказа ведущего базового блока. В соответствии с этим принципом при отсутствии отказов оба базовых блока находятся в активном состоянии и синхронно выполняют одну и ту же программу. В случае возникновения отказа все функции управления принимает на себя исправный базовый блок контроллера.
Операционная система центральных процессоров CPU 414-4H и CPU 417-4H выполняет все необходимые функции резервирования программируемого контроллера S7-400H и обеспечивает:
- обмен данными между базовыми блоками контроллера;
- обнаружение отказов и безударный ввод в работу резервного базового блока;
- синхронизацию работы базовых блоков;
- тестирование системы.
Принципы резервирования
Для гарантированного безударного включения резерва между базовыми блоками контроллера необходима надежная скоростная связь. Эта связь поддерживается по оптоволоконным кабелям, соединяющим два центральных процессора.
С этой же целью оба базовых блока контроллера работают:
- с одной и той же программной пользователя;
- с одними и те ми же блоками данных;
- с одним и тем же содержимым области отображения процесса;
- с одними и те ми же внутренними данными (битами памяти, таймерами, счетчиками и т.д.).
Это обеспечивает возможность быстрого перевода функций управления на любой базовый блок контроллера в любой момент времени.
Обслуживание резервированных каналов ввода-вывода выполняется следующим образом:
- При отсутствии ошибок и отказов оба базовых блока находятся в активном состоянии. Сигнал каждого датчика (или двух резервированных датчиков) поступает на входы резервированной пары модулей ввода, считывается в оба базовых блока, проверяется на идентичность, после чего используется программой. Каждое формируемое программой управляющее воздействие выводятся на исполнительное устройство через выходы двух модулей вывода.
- При отказе одного из пары резервированных модулей программа контроллера выполняет его идентификацию и прекращает обращение к этому модулю, продолжая работать с исправным модулем. После ремонта неисправного модуля и его установки в систему автоматизации программа возобновляет обращение к обоим модулям.
Синхронизация
Безударное переключение может быть обеспечено только при синхронной работе двух базовых блоков контроллера. Функции синхронизации выполняются автоматически операционной системой контроллера и не требуют программирования со стороны пользователя. В S7-400H синхронизация выполняется по событиям. Для этой цели операции синхронизации базовых блоков осуществляется в моменты:
- прямого доступа к входам-выходам системы;
- получения сигналов программных и аппаратных прерываний;
- изменения состояний таймеров;
- модификации данных коммуникационными функциями.
Функции синхронизации выполняются операционной системой контроллера и не требуют вмешательства со стороны программны пользователя.
Самодиагностика
S7-400H поддерживает широкий спектр функций самодиагностики. О любой выявленной проблеме формируется отчет. Диагностике подвергается:
- связь между базовыми блоками контроллера;
- центральные процессоры двух базовых блоков;
- микропроцессоры и специализированные микросхемы;
- запоминающие устройства.
Диагностика во время рестарта
Во время рестарта функции самодиагностики выполняются в полном объеме.
Диагностика во время работы
В ходе выполнения программы для снижения нагрузки на центральный процессор в каждом цикле выполняется лишь часть функций самодиагностики. Полный комплекс функций самодиагностики выполняется за несколько циклов выполнения программы контроллера.
Программирование и конфигурирование
Программирование контроллеров S7-400H не отличается от программирования стандартных моделей S7-400. Для этого могут быть использованы все функции пакета STEP 7 от V5.0 или выше.
Конфигурирование модулей ввода-вывода
Конфигурирование резервированных каналов ввода-вывода выполняется в среде HW-Config STEP 7. Оно сводится к выбору пар обычных каналов, образующих один резервированный канал ввода-вывода, а также установке допустимого времени рассогласования сигналов на этих каналах. В течение времени рассогласования на входах резервированного канала ввода или на выходах резервированного канала вывода допускается наличие различных сигналов.
Обслуживание сконфигурированных таким образом каналов ввода-вывода поддерживается на уровне операционной системы центральных процессоров программируемого контроллера S7-400H.
Программирование резервированных каналов ввода-вывода не отличается от программирования стандартных каналов. При этом в программе пользователя используется наименьший адрес из двух резервированных каналов.
Конфигурирование резервированных систем ввода-вывода программируемого контроллера S7-400H выполняется с помощью опционального пакета S7H, интегрируемого в STEP 7 от V5.2 и ниже. Пакет содержит набор библиотек с функциональными блоками для обслуживания резервированных каналов ввода-вывода.
STEP 7 от V5.3 и выше включает в свой состав весь инструментарий, необходимый для программирования и конфигурирования H-систем. Отдельно заказывать пакет S7H для него не нужно.
Опциональный пакет S7-400H для STEP 7
Конфигурирование S7-400H и S7-400 имеет много общего. Для них используются одинаковые процедуры
- Создания проектов и станций.
- Конфигурирования аппаратуры и сетей.
- Загрузки системных данных в целевую систему.
Опциональный пакет S7-400H необходим только для конфигурирования структур, не поддерживаемых стандартными контроллерами S7-400. Этот пакет может работать с программным обеспечением STEP 7 V5.1 или V5.2. STEP 7 V5.3 содержит в своем составе все компоненты, необходимые для конфигурирования Н-систем.