第一章SIMATIC H系统介绍

1.1 SIMATIC H系统发展的历史

1.1.1 H系统的定义

在现代工业的各个领域，要求拥有一种能够满足经济、环保、节能的高度自动化系统，同时，具有冗余及故障安全功能的可编程控制器是针对最高等级的控制需求。

H(高可靠性)系统，通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，H系统通过部件的冗余实现系统的高可靠性。

F（故障安全）系统，通过将发生中断的系统切换到安全状态（通常为停车）来避免造成对生命、环境和原材料的破坏。

FH或HF（故障安全和高可靠性）系统，通过将发生故障的通道关闭，保证系统无扰动运行。

S7-400H是西门子提供的最新冗余PLC。由于他是SIMATIC S7家族的一员，这意味S7-400H拥有所有SIMATIC S7具有的先进性。

1.1.2 SIMATIC H系统的发展

西门子SIMATIC H产品发展列表：

1986：S5-150H带串行数据传输。

1987：S5-150H带并行数据传输。

1990：S5-155H带CPU946R/947R。

1991：S5-115H带CPU942H。

1992：S5-155H新功能（支持2-OO-3数字和模拟输入）。

1994：S5-155H带CPU948R和新功能。

1997

l      四月：分离机架S5-155H。

l         九月：S5-155H Lite版本。

1998

l         一月：IM153-3连接S5-115H,155H和S7软冗余。

l         五月：S7软冗余。

l         七月： S7-400冗余电源。

l         十二月：带CPU417H的S7-400H系统Beta版发布。

1999

l         五月：带CPU417H的S7-400H系统全面发布。

2000

l         八月：H-CPU在S7-400F中使用。

l         十二月：带CPU414H的S7-400H系统全面发布。

2001

l         二月：Y-Link连接单通道DP-Slaves。

2003

l         一月：支持冗余DI/DO AI/AO模件。

2004新CPU

l         十二月：V4 CPU 414-4H/417-4H全面发布。

l 程序执行性能增加

l   CPU414-4H大约为原CPU的1.5倍

l   CPU417-4H大约为原CPU的2.5倍

l 更多的内存

l   CPU414-4H集成1.4MByte

l   CPU417-4H集成20MByte

l 更高的稳定性

内存带有自动错误探查和修复（EDC）

l         同步电缆长度增加

l   以前500m

l   短距离同步模件最长10m

l   长距离同步模件最长10Km

2005

l       二月：在S7-400F系统中使用H-CPU V4。

1.2故障率的计算方法

系统发生故障的频率和时间的关系可以用浴盆曲线来表达，如图1-1所示。。

1.2.1浴盆曲线原理

          故障频率

图 1-1浴盆曲

从该曲线可以看出，系统故障率在系统早期投用和晚期老化后的故障率较高，而在使用中间段时随机故障率相对恒定。

1.2.2故障率计算公式

C=在考虑的时间范围Δt内，发生故障的部件数

N=整个使用的部件数

Δt=考虑的时间范围

1.2.3平均无故障时间MTBF

MTBF=1/λ

1.2.4可靠性计算公式

A_S=MTBF/(MTBF+MDT)

MDT=平均故障时间（或

MTTR=平均修复时间）

举例：

l         MTBF=100h，MDT=0.5h-àA=99.5%!

l         MTBF=1year，MDT=24h-àA=99.7%

因此，考虑系统的可靠性需同时考虑MTBF和MDT。

1.2.5如何增加系统的可靠性

    从可靠性公式中可以看出，增加系统的可靠性可以从提高MTBF和MDT降低两个方面进行。

1.2.5.1增加系统的稳定性

增加稳定性，可从如下环节考虑：

l         设备生产商

l     使用高质量部件

l     使用具有更高标准的部件

l     预烧

l     抗过载保护

l     质量控制

l     冗余

l         工厂设计人员

l     网络结构

l     冗余安装

l     符合安装条件需要

l     在合适的环境条件下使用

l         工厂操作人员

l     维护

l         快速故障诊断

l     自动故障诊断和定位（自测试）

l     具有诊断功能

l     诊断工具的稳定性

l     训练有素的维护人员

l         快速修复

l     系统不停机情况下修复（在线修复）

l     修复工程容易

l     快速备件发送

l     训练有素的专业人员

1.2.5.2整个系统的MTBF

对于串行系统而言，系统故障发生率是各部件故障发生率之和，如图1-2所示。

举例：

图1-2串行系统的MTBF

可见部件越多MTBF时间越小。

SIMATIC H系统的平均无故障时间：

CPU:       15年

IO 模件：  50年

平均修复时间:大约4小时，对于工厂设计通常10年进行一次大修，更换部件。

注：

MTBF的计算方法没有一个确定的标准，各个产品生产商的计算方法不同。

1.2.5.3故障容错性比较

对于单机操作和冗余操作方式下的H系统故障容错性比较，如图1-3所示：

以单机操作的系数为1，那么安装与H-RACK机架上（2X9槽，中间物理分隔）的H系统可靠性提高57倍，如果H系统分别安装于完全分开的机架，例如普通九槽机架，可靠性将提高59倍。

1.3 SIMATIC H系统的优点及应用领域

1.3.1冗余系统的目的

使用冗余系统的目标是减少因一个错误或系统维护而导致的产品损失。停车成本越高，越值得采用冗余系统。通常投资冗余系统较高的费用会因避免的产品损失而很快地返还。

软冗余：

在许多应用场合，对于工厂单元的冗余质量和控制范围并不完全必要使用一个专用的冗余系统来执行，例如切换时间较长或丢失部分信息，但并不影响控制过程。通常来说，简单的软冗余机制就可将因一个错误事件导致的故障控制过程切换到一个备用系统上而继续进行。利用可选软件包“SIMATIC S7 Software Redundancy” 软冗余可在S7-300和S7-400标准系统中运行。这样配置的软冗余系统可用于能够容忍切换延迟在秒级的控制过程，例如：水厂工作、水处理或交通控制。

冗余I/O：

当两个单独的模块被组态并以冗余对方式使用时，则采用冗余I/O。这种方式能够得到最高的可靠性，因为系统可以忍受单个CPU和单个信号模件发生故障。

冗余I/O是通过使用功能块库“function I/O redundancy”来执行的。这些功能块只能在S7-400H系统中使用。

H系统的优点：

避免由于单个CPU故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。需要H系统高可靠性的原因：

l         处理贵重原料

l         停车或不合格产品的成本昂贵

l         控制系统瘫痪导致重新开车的费用高

l         无需监视和维护人员的操作场合

1.3.2 H系统的工业应用领域

S7-400H系统是用于高程度的可靠性和容错能力的场合，例如：

能源开采和配送（石油、天然气、电力）

l         电力

l         管输

l         离岸

l         区域加热系统

化学制品、电力化工、石化和采矿工业

环保工程

l         水处理

l         垃圾焚化

纸浆和造纸

钢铁

食品和包装

玻璃工业

半导体工业（应用）

交通

l         隧道自动化

l         海底隧道自动化

机场

l         跑道照明

l         行李输运

1.3.3 S7-400H系统的架构

S7-400H系统的冗余结构确保了任何时候的系统可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。这包括了冗余的CPU、供电模件和用于冗余CPU通信的同步模块。根据特定的自动化控制过程需要，还可以配置冗余客户服务器、冗余通讯介质、冗余接口模件IM153-2等，如图1-4所示。

图1-4 S7-400H的冗余架构

1.3.4 SIMATIC S7-400H系统受益于用户

对于用户来说，可以将H系统作为普通的系统，因为H系统具有

隐藏的冗余性

l         通明的编程（与非冗余系统编程方法一致）

l         标准的系统参数化

l         标准的处理方法

S7-400H系统可无限制使用所有的SIMATIC编程语言，并可作为F和FH系统的平台。

1.3.5冗余原理

S7-400H系统中两个CPU同时工作，CPU没有切换时间。I/O为2OO2主动冗余，同时工作。

1.3.5.1 S7-400H系统亮点

1.      平滑的主从切换

2.      自动事件同步

3.      集成的错误识别和错误定位功能

4.      操作期间可对系统进行修改

5.      类似标准CPU的在线编程

6.      下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU中。

7.      CPU修复后自动再进入。

8.         运行中所有部件可更换。

1.3.5.2无扰动主从切换

l         CPU无切换时间

l         IM153切换时间参考PROFIBUS参数

l         切换期间输出保持

l         切换期间无信息或报警/中断丢失。

CPU 切换条件标准

主站故障（供电、机架、CPU）

DP链或DP从站接口模件故障都不会强制CPU切换。

1.3.5.3同步原理

H系统采用西门子专利的事件同步方式进行同步。保证同步的有效性的同时又不会增加CPU的运算负担。

同步事件包括：

l         过程映象区更新

l         I/O直接访问

l         中断、报警

l         更新计时器

l         使用通讯功能时的数据改变

这种同步方式给客户带来的好处：

l         用户不用考虑怎样实现同步

l         无命令限制

l         从标准CPU到高可靠性CPU用户程序容易移植

无扰动切换

l         无信息丢失

l         无报警/中断丢失

1.3.5.4全面的自测试功能

SIMATIC H 系统的自测试功能处理的范围包括：CPU、内存、同步连接。

测试形式：

1.      H系统启动时的自测试

l           完全的测试

2.      循环模式的自测试

l           作为背景任务永久执行

l           在指定范围时间内完成（缺省90分钟），如图1-5所示：

图1-5 设置H系统自检测参数

1.3.5.5在线编程

S7-400H系统可以在线进行编程修改。与标准系统的在线修改一样，修改后的程序被下载到连接的CPU中，通过光纤同步模块将程序传输到另一个CPU中。可以通过MPI、PROFIBUS或Ethernet接口在线修改程序。

1.3.5.6在线修改系统参数及添加、删除硬件功能（H-CIR）

在S7-400H系统运行中可以在线修改系统参数、添加、删除硬件，可在线修改的范围包括：

CPU内存组态

添加或删除：

l         中央I/O或CP

l         DP从站

l         PA接口和PA从站

l         Y-Link和其从站

l         模块化DP从站中模件

CPU参数（蓝色标注的参数可修改）

1.3.5.7模件更换

运行模式下可添加和删除的模件：

l         I/O和CP

l         同步模件

l         冗余IM153-2

l         冗余电源

在停电状态下能够替换的冗余部件：

l         标准电源

l         中央IM

l         CP PROFIBUS

l         CPU(更换后可自动更新程序和数据)

1.3.5.8 备份CPU与主CPU同步建立的过程

CPU故障后，替换的备份CPU与主CPU同步连接自动建立，备份CPU发出Link-up请求，主站在禁止删除、拷贝和生成块功能后将所有数据发送给备份CPU。备份CPU执行自测试，然后向主站发出更新请求。主站在终止已组态连接的通讯和禁止低级别的报警后，拷贝动态数据给备份CPU。主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据。备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息，主CPU使能报警/中断和通讯，主、备CPU进入到冗余、同步操作过程。同步连接的建立如图1-6所示：