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西门子S7-400H冗余容错自动化系统设计
冗余设计的容错自动化系统S7-400H
1. 西门子S7-400H的使用场合
在许多生产领域中，要求容错和高度可靠性的应用越来越多，某些领域由于故障引起的停机将会带来重大的经济损失。S7-400H特别适合在下列场合使用
1)停机将会造成重大的经济损失。
S7-300PLC可以用于模拟量I/O的特殊功能模块型号为SM334与SM335。SM334为普通的A/D与D/A转换模块，共有两种规格;SM335为高速A/D与D/A转换模块，目前只有一种规格。
SM334模拟量I/O混合模块的两种规格都具有4通道输入与2通道输出，其中一种可以连接电压、电流模拟量I/O，分辨率为8位;另一种可以用于模拟电压、热电阻输入与模拟电压输出，分辨率为12位。
SM335高速模拟量I/O模块与普通模拟量I/O模块的区别是后者的基本A/D转换时间为1ms，D/A转换时间为0.8ms，且可以在“测量”与“比较”两种特殊的工作模式下工作。SM335模块带有4通道模拟量(电压或电流)输入与4通道模拟量输出，输入分辨率为14位，输出分辨率为12位。
SM335
(2)闭环控制模块。S7-300PLC用于闭环控制的模块有FM355与FM355-2两大系列，系列中分FM355C(FM355-2C)与FM355S(FM355-2S)两种规格。
2)过程控制系统发生故障后再启动的费用十分昂贵。
3)某些使用贵重的原材料的过程控制(例如制药工业)会因突发的停机而产生废品。4)无人管理的场合或需要减少维修人员的场合。
西门子的S7 Software Redundancy(S7软件冗余)可选软件可以在S7-300和S7-400标准系统上运行。生产过程出现故障时，在几秒钟内切换到替代系统，可以用于水厂水处理系统或交通流量控制系统等场合。
"继电器-接触器"电路图是一个纯粹的硬件电路图。将它改为PLC控制时，需要用PLC的外部接线图和梯形图来等效"继电器-接触器"电路图。可以将PLC想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部"线路图"，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析"继电器-接触器"电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还能受外部触点的控制。
将"继电器-接触器"电路图转换成为功能相同的PLC的外部接线图和梯形图的步骤如下。
①了解和熟悉被控设备的机械结构组成、生产工艺过程和机械各部件的运动，根据"继电器-接触器"电路图分析和掌握控制系统的工作原理。
②确定PLC的输入信号和输出负载。“继电器-接触器”电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线圈接在PLC的输出端;按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供PLC的数字量输入信号;"继电器-接触器"电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的辅助继电器和定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位均无关。
S7-400H是按冗余方式设计的，主要器件都是双重的，可以在事件发生后继续使用备用的器件。设计成双重器件的有中央处理器CPU、电源模块以及连接两个中央处理器的硬件。用户可以自行决定系统是否需要更多的双重器件，以增强设备的冗余性。
2. S7-400H的结构
S7-400H由两个子系统组成，典型的结构是使用分为两个区(每个区9个槽)的机架UR2H，每个区可以视为一个中央控制器，也可以使用两个独立的中央控制器(即中央机架)UR1/UR2。每个中央控制器有一块具备容错功能的CPU414-4H或CPU417-4H，一块PS407冗余(Redundant)电源模块。同步子模块用于连接两个中央处理器，它们放置在中央处理器内部，并由光缆互连。
在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用“继电-接触器”控制系统电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直母线(右侧垂直母线可省略)之间有一个"左正右负"的直流电源，当图1-41的梯形图中10.1与10.2的触点接通，或M0.3与10.2的触点接通时，有一个假想的“能流”(PowerFlow)流过Q1.1的线圈。利用能流这一概念，可以直观、形象、更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。
在西门子PLC中，把触点和线圈等组成的独立电路称为网络(Network)，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位，给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向一致。各网络按从上创下的顺序执行，执行完成所有的网络后，返回到*上面的网络重新执行。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC中。
每个中央控制器上有S7 I/O 模块，中央控制器也可以有扩展机架或ET200M分布式I/O。中央功能总是冗余配置的，I/0模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置。
