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西门子S7-400HPLC高级冗余实例
荣久学院 ● 2019-01-28 15:03:17

    S7-400H 是西门子提供的冗余 PLC,它通过部件的冗余实现系统的高可用性。 作为 SIMATIC S7 家族的一员, S7-400H 拥有 SIMATIC S7 所具有的先进性。H(高可靠性 ) 系统是应用在现代工业领域中一种能够满足经济、环保、节能的高度自动化系统,系统能够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。

     

    一、S7-400H 冗余系统典型的硬件


S7-400H硬件

     

    1、1 个典型的冗余系统中包括:

     

    ● 1 个 UR2-H机架 ( 或者 2 个独立的 UR1/UR2机架 )

    ● 2 个 S7-400H CPU模块 ( 完全一致 )

    ● 2 个 PS407电源模块 ( 也可以选择 2×2的冗余配置 )

    ●  2 根同步光纤和 4 个同步模块

    ● 2 个相同大小的 RAM存储卡

    ● 2 个 CP443-1 以太网通讯模块 (如果不需要以太网通讯功能可以不配置 )

    ● 每个电源模块配备 1-2 块后备锂电池

     

    2、组态 S7-400H站的软件

     

    组态相应版本的 S7-400H 冗余控制器时, 所安装软件环境为: Windows XP Professional SP3,STEP 7 V5.4.4.6 (STEP 7 V5.4 SP4 Hotfix6 )

     

    在 Step 7 中组态 S7-400H 站,下本文将以实际例子的形式来介绍 S7-400H 站的组态过程。


主要硬件组成

     

    二、在 Step 7 中组态 S7-400H站

     

    1、硬件安装

     

    1)安装机架 UR2-H。

     

    2)在机架上安装 PS407电源模块,在电池槽内放入 2 块锂电池,拨码拨到 2BATT。

     

    3)设置冗余 CPU的机架号,安装冗余 CPU到机架。 CPU V3 版本,通过同步子模板上的开关设置; CPU V4 以上版本,通过 CPU 背板上的开关设置; 本实例中的 CPU为6ES7 412-3HJ04-0AB0 机架号设置在 CPU的背面,将左手边 CPU的机架号设为 0(拨码拨到下方),右手边 CPU的机架号设为 1(拨码拨到上方) , CPU通电后此机架号生效。

     

    4)将同步子模板插到 CPU前面板的两个 IF 插槽中,并固定。

     

    5)连接同步光缆。 将两个位于上部的同步子模板相连; 将两个位于下部的同步子模板相连;在打开电源或启动系统之前要确保 CPU的同步光缆已经连接,同步光纤的连接如图 2所示。


S7-400H与光纤的连接

     

    6)安装 CP443-1 以太网网卡。 同时利用网线将 2 个安装好的 CP443-1 以太网网卡以及安装有 Step 7 或者 PCS 7 的电脑连接到一个交换机上,完成硬件互联。

     

    7)通电后 CPU自检查。 CPU第一次通电时, 将执行一次 RAM 检测工作, 约需 10 分钟。

     

    这段时间内 CPU 不接收通过通讯接口传来的数据, 并且 STOP LED 灯闪烁。如果有备用电池,再次通电时不再做此项检查工作。

     

    8)启动 CPU,将 CPU拨码拨到 RUN状态,此刻两 CPU保持 RUN。

     

    2、硬件组态

     

    1)首先双击“ SIMATIC Manager”图标,打开 SIMATIC Manager 并新建一个 S7-400H 的单项目,在项目中插入一个“ SIMATIC H Station ”,插入结束,左侧树形目录下会出现一个“SIMATIC H Station(1) ”,操作(如图 3)所显示。


插入S7-400H站

     

    2)点中 SIMATIC H Station(1) 后,双击右侧“ Hardware”组态硬件进入 HW Config 编辑器(如图 4)。

     

    在组态中添加两个 UR2-H的机架,添加路径为: SIMATIC 400 > RACK-400 > UR2-H(6ES7 400-2JA00-0AA0) 。

     

    分别在两个机架中添加 PS407电源模块,路径为: SIMATIC 400 > PS-400 > PS 407 10A(6ES7407-0KR02-0AA0) 。


组态汇总加入模块

     

    分别在两个机架中添加 CPU单元,添加路径为: SIMATIC 400 > CPU 400 > CPU 400-H > CPU 412-3H > 6ES7 412-3HJ04-0AB0 > V4.0 ,在添加 CPU的过程中,需要为 CPU上集成的DP接口设置地址并且创建所归属的 Profibus DP 总线(如图 5)。


创建网络

     

    CPU 412-3H CPU 添加同步模块(所选择同步模块的距离类型要保持一致) (如图 6)。


添加同步模块

     

    同理,以一样的方式为 Rack1 添加 CPU。

     

    分别在两个机架中添加 CP443-1 以太网通讯模块,路径: SIMATIC 400 > CP-400 > Industrial Ethernet > CP 443-1 > 6GK7 443-1EX20-0XE0 > V2.6 (如图 7)。


修改MAC参数

     

    为 CP 443-1 设置参数,创建并选择“ Ethernet(1) ”;

     

    勾选“ Set MAC address/use ISO protocol ”,并且为该网卡设置 MAC地址(网卡出厂预设 MAC地址可以在 CP网卡上看到) ,同时取消选择“ IP protocol is being used”项(如图 8)。


硬件组态

     

    以同样的方式,为 Rack 1 添加 CP443-1 并设置 MAC地址,选择子网“ Ethernet(1) ”。利用以上步骤就完成了硬件的组态, 或者也可以先组态好 Rack0 及所需插入的所有模块,然后将其拷贝,生成 Rack1 及其所需插入的所有模块,在此操作中请注意修改新生成的Profibus 网络参数以及 Ethernet 网络参数,设置方法请参考前文叙述。

     

    3、 添加必要的 OB组织块程序

     

    以下故障 OB块必须装入 S7-400H 的 CPU 中: OB70、OB72、OB80、OB82、OB83、OB85、OB86、OB87、OB88、 OB121和 OB 122;如果没有装载这些 OB,H系统在出现错误时可能会进入 STOP 状态。可以根据需要在这些 OB中编写程序读取系统诊断信息。

     

    在 插 入 方式 上, 可 以在 Block 目录 下 面通 过右 键 选 择 “Insert New Object” > “Organization Block ”,插入所期望的组织块,此处如果没有特殊需求的话,可以不对插入的组织块进行编程,插入空的 OB即可。

     

    4、硬件和程序的下装

     

    为了实现 Step 7 与 CPU的通讯,首先要确保 CP443-1 与安装了 Step 7 的电脑之间的物理连接。

     

    打开“ SIAMATIC Manager” > “Options ” > “Set PG/PC Interface, ”可以将 PG/PC接口设置成 ISO Ind Ethernet 方式。如果使用的电脑安装了 1613 网卡,可以将 PG/PC接口设置为 1613 的 ISO 通讯方式,如果使用的电脑中只装有普通的网卡,就选择普通网卡的ISO 的通讯方式,如下图:本实验中选择的是 Broadcom 的普通以太网卡连接作为 PG/PC物理通讯接口(如图 9)。


设置接口参数

     

    完成 PG/PC接口的设置,重新回到 HW Config 编辑器的界面,保存并编译硬件项目(如图 10)。


保存编译硬件组态

     

    点击硬件下载, 系统会提示硬件下载的模式, 由于首次使用的 CPU均处于 STOP状态, 点击 OK,选择要下在硬件的目标 CPU对象,此处选择:CPU 412-3H Rack0 Slot3 上的 CPU 412-3H。

     

    点击 OK弹出选择实际节点的对话框, 可以通过“ View”按钮刷新可以访问到的节点信息 (如图 11)。


下载

     

    点击 OK下载硬件,硬件下载结束,可能当前两 CPU仍旧处于 STOP 模式 , 此刻可以通过手动触发运行来启动 CPU,具体做法就是, 首先将已经下载了硬件的 CPU拨到 RUN(如果其功能拨码已经处于 RUN上请先将拨码拨到 STOP再拨到 RUN上) ,然后运行另外一个 CPU。在线监控一下硬件, H系统处于冗余运行状态:


监控画面


    到此为止,已经完成了一个 400H 站的组态、编程、监控。

     

    三、S7-400H 站冗余系统控制电气原理图、电气布置图、电气接线图。


电气原理图

电气原理图


    四、S7-400H 站冗余系统 I/O 分配表


IO分配表

     

    五、S7-400H 站冗余系统功能测试

     

    S7400 冗余系统采用了两套 CPU处理器模块,一个处理器模块作为主处理器,另外一个作为从处理器。 正常情况下,由主处理器执行程序,控制 I/O 设备,从处理器不断监测主处理器状态。 如果主处理器出现故障, 从处理器立即接管对 I/O 的控制, 继续执行程序, 从而实现对系统的冗余控制。

     

    1、S7-400H 高级冗余功能测试图


    1.1  S7-400H 高级冗余功能测试硬件连接图


硬件连接实例

     

    1.2  S7-400H 高级冗余功能测试电气控制接线图


电气控制接线图

电气控制接线图

     

    2、 创建一个 Step7 示例项目

     

    2.1  新建一个 Step7 项目,且进行相关组态硬件(如图 19)。


组态硬件

     

    2.2  硬件组态完成后,对网络进行组态(如图 20)


组态网络


    2.3  新建示例项目组态结束,打开 OB1块 LAD/STL/FBD编程界面进行控制程序编辑(如图 21)


编写程序

     

    2.4  编写完控制程序,将该程序下载到 PLC 中。

     

    3、 创建人机界面

     

    3.1 运用 Wincc flexible 组态软件,通过前面的 Step7 控制示例项目所需,对 TP177B触摸屏进行相应人机界面组态编辑(如图 22 所示)。


人机控制界面

     

    3.2 人机控制界面编辑完成后,下载到 TP177B 内。

     

    4、 冗余测试

     

    4.1 通过人机界面操作 PLC,使之控制三相变频电机启动、变速、停止。 (如图 23)


监控电机运行速度

     

    4.2 在三相变频电机正常运行时, 通过模拟工业现场 CPU 故障,切断正在主控运行的 PLC 电源,此时冗余 PLC 承担主控,电机保持之前的状态运行,实现了冗余控制功能。

     

    5、S7-400H 站冗余系统功能实现通过以上测试可知:当停止正在主控工作的 PLC CPU时,变频器上显示的频率没有发生变化,电机还是保持原来的运行状态。

    

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