1、,Automation and Drives,IMATIC S7-400H,S,高可用性自動化系統(tǒng),冗余系統(tǒng)實踐,定義,冗余的定義： 使用多個組件實現(xiàn)相同的功能 目的: 提 高 可 用 性,概述,定義,概述,SIMATIC H-系統(tǒng)的歷史,1986:S5-150H (基于系統(tǒng)的軟件) 串行數(shù)據(jù)傳送 1987: S5-150H 并行數(shù)據(jù)傳送 1990: S5-155H CPU 946R/947R 1991:S5-115H CPU 942H 1992: S5-155H 各種新功能 (支持 2-o-3 數(shù)字量和模擬量輸入） 1994:擁有CPU 948R 和各種新功能的S5-155H 1997 四月

2、: 機架分離的 S5-155H 九月: S5-155H Lite 1998 一月: IM 153-3 與 S5-115H, 155H and S7-軟件冗余 五月: S7 軟件冗余 七月: S7-400 冗余電源 十二月：帶有CPU 417H 的S7-400H 第二測試版的發(fā)行,概述,SIMATIC H-系統(tǒng)的歷史,1999 五月: 帶有CPU 417H的S7-400H 的全面發(fā)行 2000 八月: 在 S7-400F 系統(tǒng)中H-CPU的使用 十二月: 帶有CPU 414H的S7-400H 的全面發(fā)行 2001 二月: 為了單通道DP-Slave 連接的Y-Link 2003 一月: 冗余DI

3、/DO AI/AO 模塊的支持,概述,SIMATIC H-系統(tǒng)的歷史,2004新CPU 十二月: V4 CPU 414-4H / 417-4H的全面發(fā)行 編程性能的提高 CPU 414-4H appr. x 1,5 CPU 417-4H appr. x 2,5) 更大的內(nèi)存 CPU 414-4H with 1.4MByte onboard CPU 417-4H with 20MByte onboard 更高的可靠性帶有自動錯誤探測和更正功能的存儲器(EDC) 同步電纜長度增加 以前 500m 短距離同步模塊最長到10m 長距離同步模塊最長到10,000 m 2005 二月: 在 S7-400F

4、 系統(tǒng)中H-CPU V4 的使用,概述,SIMATIC H-系統(tǒng)的歷史,概述,2007 H-CPU V4.5,理論浴缸曲線,概述,理論故障率計算,C= 故障組件的個數(shù) （在假定的時間 t內(nèi)） N= 總的組件個數(shù) t=假定的時間,概述,理論MTBF,MTBF = 平均無故障時間 （Mean Time Between Failures）,概述,理論有效性,例子： MTBF = 100 h, MDT = 0,5 h - A = 99,5% ! MTBF = 1 year, MDT = 24 h - A = 99,7% 為了計算系統(tǒng)的可用性，MTBF 和 MDT 的兩個值將被使用。,MDT = 平均停

5、機時間（Mean Down Time）或 MTTR = 平均維修時間（Mean Time To Repair）,AS =,MTBF,MTBF + MDT,概述,理論增加可用性的方法,AS =,MTBF,MTBF + MDT,提高MTBF Reducing 待機時間 (MDT),提高可用性,概述,提高可用性的方法提高可靠性,設備生產(chǎn)商 使用高品質(zhì)部件 使用高標準的部件 烤機 超負荷保護 質(zhì)量控制 冗余 工廠設計 網(wǎng)絡的架構(gòu) 冗余安裝 遵守安裝條件的要求 考慮使用環(huán)境 工廠操作員 維護,概述,提高可用性的方法降低故障時間,快速錯誤診斷 自動錯誤檢測和故障定位（自測） 診斷功能 診斷工具的可靠性 具

6、有良好專業(yè)培訓的維修人員 快速修理 系統(tǒng)工作狀態(tài)下進行維修(在線維修) 簡單維修 快速備用部件的發(fā)送 具有良好專業(yè)培訓的維修人員,概述,理論整個系統(tǒng)的MTBF,串行系統(tǒng) 整個系統(tǒng)的故障發(fā)生率是各部件故障發(fā)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,原理容錯的比較,1,57,59,概述,好處,避免由個體故障導致控制系統(tǒng)發(fā)生故障 通過冗余配置來實現(xiàn)此功能 在下列情況下需要高可用性

7、 當原材料十分貴重時 停工或是生產(chǎn)故障帶來的高費用 由于控制系統(tǒng)錯誤導致的高額重起費用 無監(jiān)控和維修人員情況下的操作,概述,應用行業(yè)（1）,發(fā)電及能源輸配(石油、天然氣、電力) 電廠 管線 海油 城市供熱系統(tǒng) 化學、石化、電化及生物制藥 采礦 環(huán)境工程 水處理 垃圾焚化 紙漿及造紙 鋼鐵冶金,概述,應用行業(yè) (2),食品和飲料 玻璃行業(yè) 半導體行業(yè) 交通 隧道自動化 航海自動化 航空 跑道照明 行李輸送,概述,冗余系統(tǒng)架構(gòu),管理層,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 的客戶端,并行操作的冗余 歸檔服務器,冗余的介質(zhì),高可靠的通信,Redundant PROFIBUS,控制層,現(xiàn)場層,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,被動冗余機制,主動冗余機制,投票表決的冗

9、余機制,相同設備的冗余(同類冗余),Redundancy principle S7-400H,Hot stand-by = automatic switchover 100 ms Warm stand-by = automatic switchover in seconds range,冗余特點,Process,冗余原理 (2),IM,DI,AI,AO,DO,IM,FM,同步 信息 及狀態(tài)的交換,冗余特點,S7-400H的冗余原理,S7-400H 亮點,平穩(wěn)的Master-Reserve 轉(zhuǎn)換 自動事件同步 集成錯誤識別和錯誤定位功能 在運行中可以對系統(tǒng)進行調(diào)整 像標準CPU的在線編程 下載時

10、，程序?qū)⒈蛔詣訌椭频絻蓚€CPU中 在線維修 維修后CPU自動進入冗余狀態(tài) 在運行狀態(tài)下可隨意換下所有的部件,冗余特點,無擾動的主從切換,CPU無切換時間 切換時間 100ms 切換期間輸出保持 信息或者報警/中斷不會丟失 切換標準 控制器故障 電源 機架 CPU DP 鏈或DP 從站接口模塊的故障不會強制轉(zhuǎn)換,切換,自動事件同步,同步過程,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,自動事件同步原理,定義: 將所有執(zhí)行命令而導致兩個PLC中不同的狀態(tài)進行同步。 完全自動的系統(tǒng)功能 同步事件: 更新過程映像 直接訪問I/O 中斷，報警 更新計時器 通過通訊功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)更改,同步,同步 信息 及狀態(tài)的交換,自動事件同步,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,自動事件同步,事 件 同 步 的 循 環(huán),Self-test,PIO,PIO,Match-up,PII,PII exchange,Synchronization,User program,User program,Self-test,PII,同步,自動事件同步,用戶得到的利益 透明的編程 所有 SIMATIC-S7編程語言都適合 沒有命令限制 普通CPU的程序與冗余CPU程序可以相互使用 無擾切換 事件同步保證所

13、有信息不會丟失 事件同步保證所有報警和中斷不會丟失 所有冗余功能由操作系統(tǒng)處理不需要用戶處理,同步,全面的自檢測功能,自檢測功能 范圍: CPU Memory 操作系統(tǒng) 檢測功能的過程: 啟動時自檢測功能 完全檢測 運行時自檢測過程 在后臺自動運行 可以定義循環(huán)檢測時間,自檢,配置冗余連接,光纖 (FO),光纖(FO),可替換的同步模塊,配置,配置CPU的技術(shù)規(guī)格,配置,可使用的三種CPU： 內(nèi)存30MB 的CPU 417-4H 內(nèi)存2.8 MB 的CPU 414-4H 內(nèi)存768K的CPU412-3H 一般技術(shù)規(guī)格： e.g. CPU 417-4 or CPU 414-4 4 個集成接口 2

14、個同步模塊接口 1個MPI/DP 接口 1個DP接口(412-3H除外),配置CP412-3H 套件,配置,412H AC套件，訂貨號：6ES7 400-0HR00-4AB0:,412H DC套件， 訂貨號： 6ES7 400-0HR50-4AB0,配置突出新CPU的優(yōu)勢,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 更大存儲量 417-4H 從4 MB 提升到 20MB 414-4H 從 768KB 提升到 1,4MB 更高可靠性 具有自動錯誤檢查及更正功能的存儲器 新的特點 與主控制器的距離可高達10公里（before 5

15、00m) 412-3H僅能控制最遠程為10米的同步模塊 運行模式下升級固件,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.,機架安裝,CPU V3,CPU V4,CPU V3,CPU V4,配置,中央控制器的配置,2個標準的子機架,Redundant power supply (PS) optional,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,PS,PS,CPU,Max. cable length 10km,H型子機架 (背板總線內(nèi)部分開),配置,I/O 配置 可用性的水平,配置,I/O 配置單邊 I/O,配置,I/O 配置可轉(zhuǎn)換的 I/O,IM,IM,ACTIVE背板總線,PROFIBUS DP,配有有源背板總線的ET 200M,L+,L+,冗余

17、IM 153-2,配置,I/O 配置通過PA連接PROFIBUS PA,PROFIBUS DP,2 x IM 157,DP-PA link,配置,I/O 配置Y-Link連接,通過Y-Link 可以將單通道DP 從站連接到冗余的系統(tǒng)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,在線編程,編程/參數(shù)任務 SIMATIC Manager H-station view,編程,在線編程,編程-硬件配置,編程,在線編程,在線修改與普通系統(tǒng)相同 所有的修

18、改將自動復制到備份的CPU中 編程器的連接 MPI接口 通過總線,MPI/DP,PROFIBUS/Ethernet,編程,SIMATIC S7-400H Exercise 1 硬件配置,H/W Configuring, Error-OBs, Monitoring Errors,在運行中修改硬件參數(shù),CPU 內(nèi)存的配置 增加 或 刪除硬件模塊: 中央I/O或CP DP 從站 PA 接口 和 PA 從站 Y-link 和從站 DP從站中的模塊 CPU 參數(shù) 只有藍色標記的參數(shù)可以修改,H-CIR,在運行狀態(tài)下更換模塊,在運行狀態(tài)下可以隨意插入或取下模塊： 中央I/O 或 CP 同步模塊 冗余 IM

19、 153-2 冗余電源 在斷電的情況下可以替換冗余組件： 標準電源 中央 IM CPUCPU自動更新程序/數(shù)據(jù),在線維護,Hardware Configuration In Run,自動CPU同步,連接并更新備份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,在線維護,自動CPU 同步,連接并更新備份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,在線維護,系統(tǒng)狀態(tài),H-CPU 系統(tǒng)狀態(tài)控制,通訊單通道通訊的配置,H-System,Single Controller,Point-to-Point,CP 341,PROFIBUS DP,MPI / PROFIBUS / Ethernet / Point-to-Point,Single Controller,通訊,冗余通訊原理,發(fā)生通訊故障時可以通過冗余連接實現(xiàn)冗余通訊 冗余連接可以在以下情況實現(xiàn)： 從H 站到其

22、他H 站（一個或兩個通道） HMI PCs (要求軟件RED-CONNECT）,Active connection,Stand-by connection,通訊,冗余通訊冗余總線的配置（1）,Ethernet,H-CPU in single mode,PS,PS,Bus,Bus,CP,CP,CP,CP,PS,PS,CPU,CPU,CPU,CPU,等效圖,通訊,冗余通訊冗余總線的配置(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,等效圖:,通訊,冗余通訊單總

23、線的配置,H-CPU in single mode,PS,PS,CPU,CPU,Bus,CP,CP,CP,CP,CPU,CPU,PS,PS,Ethernet,等效圖:,通訊,冗余通訊環(huán)形總線配置,環(huán)形總線,S7-400H,S7-400H,PS,PS,CPU,CPU,CP,CP,CP,CP,CPU,CPU,PS,PS,Bus,Bus,H-CPU in single mode,等效圖:,CP 1613 withRedConnect,通訊,冗余通訊雙環(huán)形總線的配置,雙環(huán)形總線,S7-400H,S7-400H,H-CPU in single mode,等效圖,PS,CPU,CP,CP,CPU,Bus,

24、Bus,PS,PS,PS,CPU,CP,Bus,Bus,CP,CPU,CP 1613 withRedConnect,通訊,高可用性的通訊（H-通訊）冗余連接,列表中顯示可選擇的連接。 可能連接的數(shù)量由網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)決定。 最多可以四個連接被激活。,通訊,H-系統(tǒng)和單總線結(jié)構(gòu) 每個CPU有1CP之間的通訊,System 1,System 2,A,B,A,B,默認路徑,通訊,System 1,System 2,A,B,A,B,CP 故障!,通訊,H-系統(tǒng)和單總線結(jié)構(gòu) 每個CPU有1CP之間的通訊,H-系統(tǒng)和單總線1 CP per CPU 之間的通訊,System 1,System 2,A,B,A,B

25、,還有 CPU 故障 !,通訊,H-系統(tǒng)和標準S7-系統(tǒng)/S5/PC的通訊,解決方案: APRED 軟件包 (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,通訊,H-系統(tǒng)和標準S7-系統(tǒng)/S5/PC的通訊,解決方案: APRED 軟件包 (2),H-System,S5,APRED for S7,APRED for S5,UNIX / WIN PC,APRED/ CP1613 SOFTNET-

26、TF/APRED,Industrial Ethernet,通訊,H-系統(tǒng)和第三方系統(tǒng)之間的通訊,H-System,解決方案：點到點,Third-party System,Point-to-Point,CP 341 in ET-200M,PROFIBUS DP,通訊,帶有 TD / OP / MP的通訊配置,TD / OP / MP,(WIN CE),PROFIBUS / MPI,OP / TP MP,帶有2 TD / OP / MP的通訊配置,PROFIBUS / MPI,TD / OP / MP,(WIN CE),OP / TP MP,OP 與S7 400H之間的連接,Solution: w

27、ith Repeater,OP / TP MP,OP 與S7 400H之間的連接,轉(zhuǎn)發(fā)器的連接,OP / TP MP,OP 與S7 400H之間的連接,單路徑,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,感應/控制元件,PROFIBUS DP,Redundant Communicat

28、ion,Redundant Controller,Redundant IM,Redundant Profibus,冗余I/O可能的冗余結(jié)構(gòu) (1),中央 I/O 模塊,分布式 I/O 模塊,冗余I/O,冗余I/O可能的冗余結(jié)構(gòu) (2),分布式轉(zhuǎn)換I/O 模塊,單一形式的H CPU,冗余I/O,可使用的數(shù)字模塊,1. 數(shù)字輸入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,可使用的數(shù)字模塊,2. 數(shù)字輸出 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,可使用的數(shù)字模塊,3. 相似輸入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. 相似輸出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冗余質(zhì)量的等級,最高質(zhì)量等級 滿足無故障操作的要求

33、，通過利用高質(zhì)量的診斷功能使用F-IO。 中等質(zhì)量等級 帶有診斷功能的模塊使用 低成本質(zhì)量等級 不帶有診斷功能的模塊使用,冗余I/O,冗余 I/O硬件配置,Slot DP 地址 冗余 DI 差異時間 in ms 輸入差異處于的響應 可用選件 AND gate OR gate 使用最后有效值,冗余I/O,冗余標簽： 只有是有冗余功能的模塊， 圖標才會出現(xiàn)。 冗余的種類: (無/2) 2號站，PROFIBUS 地址 3,slot 4 包含一 個兼容的模塊，可以 用于冗余DI。,冗余 I/O硬件配置,冗余I/O,冗余 I/O 配線數(shù)字輸入,2個傳感器,1個傳感器,因為此項功能并不適用于所有模塊類型，

34、所以應查詢手冊或利用Internet來找到適用于當前情況的模塊,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 配線的電壓輸入,帶有1個電壓感應器,帶有電流感應器,帶有2個感應器,4-wire transducers only,I,R,AI-I,AI-I,I,帶有1個電流感應器,因為此項功能并不適用于所有模塊類型，所以應查詢手冊或利用I

35、nternet來找到適用于當前情況的模塊,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 配線數(shù)字輸出,帶有二極管 *,帶有二極管 *,因為此項功能并不適用于所有模塊類型，所以應查詢手冊或利用Internet來找到適用于當前情況的模塊.,DQ,DQ,*決定于模塊的類型,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 配線的模擬輸出,因為此項功能并不適用于所有模塊類型，所以應查詢手冊或利用Internet來找到適用于當前情況的模塊,Actuator,I,每次輸出只輸出半值。 當一個模塊出現(xiàn)故障，輸出依然不受影響，依然可以提供全部數(shù)值。,Both Outputs are set,AO,AO,Master I/O,Redundant I/O,Redundant Profibus,冗余I/O,冗余I/O 與用戶程序相結(jié)合,用戶程序與“Functional I/O Redundancy”相結(jié)合 , 并且作STEP7 V5.3 的一部分。 用戶可以用冗余I/O來編程作為透明I/O。 此項規(guī)矩要求最低地址必須用來編程。 操作方法: 由FB RED_IN 讀取輸入，然后根據(jù)差異分析復制回POI。 用戶已通常方式記錄輸出到最低地址。然后FB RED