S7-400H

SIMATIC S7-400H 包括以下組件：

• 2 個中央控制器：
  2 個單獨的 UR1/UR2 中央控制器，或一個分隔式中央控制器 (UR2-H) 上的 2 個區域。
• 每個中央控制器有兩個同步模塊，用于通過光纜連接兩個設備。
• 每個中央控制器 1 個 CPU 412-5H、1 個 CPU 414-5H、1 個 CPU 416-5H 或 1 個 CPU 417-5H。
• 中央控制器中具有 S7-400 I/O 模塊。
• UR1/UR2/ER1/ER2 擴展單元和/或帶有 I/O 模塊的 ET 200M 分布式 I/O 設備。

中央功能采用冗余設計。可將 I/O 組態為常規可用性型和切換型。

通常可用的 I/O（單側配置）

在單側配置中，I/O 模塊具有單通道設計，僅由兩個中央控制器中的一個來尋址。單側 I/O 模塊可插到中央控制器和/或擴展單元/分布式 I/O 設備中。

在 I/O 尋址設備工作正常的情況下，從單側讀入的信息始終提供給兩個中央控制器。發生故障時，受影響的中央控制器的 I/O 模塊將停止工作。

單側配置用于：

• 不需要很高可用性的工廠部分。
• 連接基于用戶程序的冗余I/O。此時，必須對系統進行對稱設置。

高可用性（切換式配置）

在切換式配置中，I/O 模塊采用單通道設計，但它們將由兩個中央控制器通過冗余 PROFIBUS DP 來尋址。在切換式配置中運行的 I/O 模塊只能插到 ET 200M 分布式 I/O 設備中。

通過 PROFIBUS DP 連接到中央控制器。

I/O 冗余

冗余 I/O 模塊以冗余方式成對配置。使用冗余 I/O 可以實現最高程度的可用性，因為通過這種方式，可以承受 CPU、PROFIBUS 或信號模塊出現故障。

可進行實現以下配置：

• 單側 DP 從站采中采用冗余 I/O
• 切換式 DP 從站采用冗余 I/O

適宜的 I/O 模塊

相互冗余的模塊必須為同一類型和設計形式（例如，均為集中式或均為分布式）。不對插槽進行規定。不過，出于可用性原因，建議在不同的站中使用。關于可以使用的模塊，請咨詢系門子客戶支持部門或參閱相關手冊。

FM 和 CP 冗余

功能模塊 (FM) 和通信處理器 (CP) 可在兩種不同配置中使用：

• 切換式冗余配置：
  可以雙重連接 FM/CP 以將 ET 200M 或一個交換式 ET 200M 分離。
• 雙通道冗余配置：
  可將 FM/CP 插到兩個子單元中或插到與子單元相連的擴展單元中（參見單側配置）。

此時可以不同方式實現模塊冗余：

• 由用戶編程：
  在功能模塊和 SIMATIC 通信處理器上，通常可由用戶對冗余功能進行編程。將會確定主動模塊并檢測可能的故障以執行切換。所需的程序與配有冗余 FM/CP 的單個 CPU 的程序一致。
• 由操作系統直接提供支持。
  對于 SIMATIC NET-CP 443-1，操作系統直接支持冗余。有關詳細信息，請參見“通信”下面的內容。

S7-400F/FH

故障安全型 S7-400F/FH 自動化系統可根據需求進行不同配置：

單通道、單側 I/O，用于 S7-400F

工廠需要使用故障安全型控制器。無需容錯。需要下列部件：

• 1 個 CPU 414-4H/417-4H，含 F-Runtime 許可證。
• 1 條 PROFIBUS DP 總線。
• 帶有 IM 153-2 的 ET 200M。
• 故障安全信號模塊，采用非冗余設計。

發生故障時，I/O 不再可用。故障安全信號模塊被禁用。

單通道、切換式 I/O，用于 S7-400FH

工廠需要使用故障安全型控制器。CPU 側需要有容錯功能。需要下列部件：

• 2 個 CPU 414-4H/417-4H，含 F-Runtime 許可證。
• 2 條 PROFIBUS DP 總線。
• 1 個 ET 200M ，帶 2 個 IM 153-2（冗余）。
• 故障安全信號模塊，采用非冗余設計。

若 CPU、IM 153-2 或 PROFIBUS DP 總線出現故障，控制器仍保持可用。在故障安全信號模塊或 ET 200M 出現故障時，I/O 不再可用。故障安全信號模塊被禁用。

冗余、切換式 I/O，用于 S7-400FH

工廠需要使用故障安全型控制器。CPU 側和 I/O 側需要容錯功能。需要下列部件：

• 2 個 CPU 414-4H/417-4H，含 F-Runtime 許可證。
• 2 條 PROFIBUS DP 總線。
• 2 個 ET 200M，帶 2 個 IM 153-2（冗余）。
• 故障安全信號模塊，冗余設計。

在 CPU、IM 153-2 或 PROFIBUS DP 總線、故障安全信號模塊或 ET 200M 出現故障時，控制器仍保持可用。

在 S7-400F/FH 自動化系統中，也可以使用標準模塊。這些設備不能與故障安全模塊在同一個 ET 200M 中一起使用。

通信

中央控制器和 ET 200M 之間的安全相關通信和標準通信是通過 PROFIBUS DP 實現的。通過專門開發的 PROFIBUS 行規 PROFIsafe，可在標準數據報文中傳輸與安全功能相關的用戶數據。無需附加的硬件組件，如專用安全總線。所需的軟件既可以作為操作系統的擴展功能集成在硬件組件中，也可作為經過認證的軟件塊裝載到 CPU 中。

帶有隔離模塊的安全等級

在 ET 200M 中隔離模塊具有以下優點：

• 可以使用銅質總線電纜來建立 PROFIBUS DP 總線。沒有必要使用光纖電纜。
• 每個 IM 153-x 都可以使用。
• 在一個 ET 200M 中，可以混合使用安全模式下的故障安全信號模塊和 S7-300 標準模塊。

若需要取得安全等級 SIL 2，則無需使用隔離模塊。

S7-400

大量功能可支持用戶對 S7-400 進行編程、調試和維護：

• 高速指令執行。
• 用戶友好的參數分配
• 人機界面：
  S7-400 的操作系統中集成了用戶友好的 OCM 服務。
• 診斷功能和自檢：
  CPU 的智能診斷系統可連續檢查系統功能并記錄錯誤和特定系統事件。
• 密碼保護。
• 模式選擇開關
• 系統功能

SIMATIC S7-400 符合以下國內和國際標準：

• CE 標志
• UL 認證
• CSA 認證 或 cULus 認證
• FM 認證
• ATEX 認證
• C-Tick、EMC 標記，適用于澳大利亞和新西蘭
• IEC 61131-2
• 船級社的船用認證
  • ABS（美國船級社）
  • BV（法國船級社）
  • DNV（挪威船級社）
  • GL（德國勞氏船級社）
  • LRS（英國勞氏船級社）
  • Class NK（日本船級社）

有關詳細信息，請參見手冊《S7-400 自動化系統 S7-400 模塊技術規格》。

設計

S7-400 系統可方便地構建為模塊化系統。S7-400 的突出特點是不帶風扇，運行可靠，支持信號模塊的熱插拔。

S7-400 設計簡潔，使用靈活，操作極為方便：

• 模塊安裝十分簡單。
• 背板總線集成在安裝機架中。
• 模塊更換簡單，不會將模塊相互混淆
• 成熟可靠的連接技術
• TOP Connect 連接方式：
  通過 1 芯到 3 芯接頭和螺釘型或彈簧型端子進行預接線。
• 規定的安裝深度：
  所有接頭和連接器都應該嵌入到模塊內并通過蓋板來保護。
• 最小限度的插槽規則

通信

CPU 和通信處理器支持以下通信類型：

• 過程通信；
  通過總線（AS-Interface、PROFIBUS DP 或 PROFINET）對 I/O 模塊進行循環尋址（交換過程映像）。從循環執行級調用過程通信
• 數據通信；
  在自動化系統之間或 HMI 與多個自動化系統之間
  進行數據交換。數據通信可循環進行，或在發生特定事件時通過塊從用戶程序調用。

數據通信

SIMATIC S7-400 擁有不同的數據通信機制：

• 通過全局數據通信 (GD) 實現聯網的 CPU 之間的數據包循環交換。
• 通過通信功能進行事件驅動型通信。

通過 MPI、PROFIBUS 或 PROFINET 實現網絡連接。

全局數據 (GD)

通過 MPI 以及“全局數據通信”服務，聯網的 CPU 可以相互循環交換數據（最多可達 16 個 GD 數據包，每個循環的最大 GD 數據包大小為 64 字節）。例如，CPU 可以訪問另一個 CPU 的數據/位存儲器/過程映像。若網絡上連接有 S7-300，則數據交換限制為最大 22 字節。全局數據通信可通過 MPI 來實現�？墒褂� STEP 7 來執行組態。在分段式 CR2 安裝機架中，兩個 CPU 可以使用 GD 并通過 C 總線通信。

通信功能

通過系統內集成的塊，可以建立與 S7/C7 伙伴之間的通信服務。

這些服務包括：

• 通過 MPI 和 PROFIBUS S7 進行的 S7 通信。
• 通過 MPI、C 總線、PROFIBUS 和 PROFINET/工業以太網進行的 S7 通信。

通過可加載的塊，可以建立與 S5 通信伙伴和西門子設備之間的通信服務。

這些服務包括：

• 通過 PROFIBUS 和工業以太網進行的 S5 兼容通信。
• 通過 PROFIBUS 和工業以太網進行的標準通信（通過 PROFIBUS/工業以太網進行的開放式用戶通信）。

與全局數據不同的是，必須建立通信連接才能實現通信功能。

集成到 IT 環境中

通過 S7-400，可方便地將現代 IT 環境與自動化環境鏈接。使用插入式 CP 443-1 Advanced，可以實現下列功能：

• 使用任何 HTML 工具創建自己的 Web 頁面。方便地將 S7-400 的過程變量分配給 HTML 對象。
• 使用標準瀏覽器并通過這些 Web 頁面監控 S7-400。
• 通過 FC 調用，從S7-400 的用戶程序發送電子郵件。
• 由于 TCP/IP 具有的 WAN 特性，可進行遠程編程，甚至可通過電話網（如ISDN）。

帶有 PROFINET 接口的 S7-400-H CPU 配有集成式 Web 服務器。因此，可以使用標準 Web 瀏覽器讀出 S7-400 站的信息：

• CPU 常規信息
• 診斷緩沖區的內容
• 變量表
• 變量狀態
• 模塊狀態
• 消息
• 有關工業以太網的信息
• OUC 連接診斷
• PROFINET 節點拓撲
• 通過用戶定義的 Web 頁面顯示過程數據和用戶數據

可通過使用用戶權限并支持 HTTPS 協議在 Web 服務器內提供安全機制。

等時同步模式

通過等時同步模式系統功能，可通過連接到等時同步 PROFIBUS 和 PROFINET 的循環，以實現：

• 分布式信號采集
• 信號傳輸
• 程序執行

創建自動化解決方案，以恒定間隔時間（恒定總線周期時間）來捕捉并處理輸入和輸出信號。同時創建一致的部分過程圖像。

借助于恒定總線周期時間和分布式 I/O 同步信號處理，S7-400 可確保精確重現定義的的過程響應時間。

提供了大量支持等時同步模式系統功能的組件，可用來處理運動控制、測量值采集和高速控制等領域內的要求苛刻的任務。

在分布式自動化解決方案中，SIMATIC S7-400 還將開辟高速處理操作的重要領用領域，并可實現最高精度和可重現性。這意味著可在提供最佳且恒定的質量的同時提高產量。

在運行模式下更改硬件組態（運行時組態，CiR）

通過 SIMATIC S7-400，在工廠運轉期間可以實現硬件組態的更改，不會影響生產的進行。選項包括：

• 增加分布式 I/O 節點（PROFIBUS DP 或 PA 從站）
• 在 ET 200M I/O 系統中增加模塊并重新設置參數。

CiR（即運行時組態）功能可在設備運行期間實現設備擴展和轉換，從而降低設備調試和重新裝備的時間。此外，通過該系統功能，還可以靈活響應工藝的變化（例如，工藝的優化），因為不必因硬件組態發生改變而將設備初始化或同步。

模塊的診斷和過程監控

SIMATIC S7-400 的眾多輸入/輸出模塊具有智能功能：

• 監控信號采集（診斷）
• 監控來自過程的信號（硬件中斷）

診斷

智能診斷系統可用來確定模塊的信號采集（對于數字量模塊）或者模擬量處理（對于模擬量模塊）是否正常工作。在診斷分析中，必須區分可參數化和不可參數化的診斷消息：

• 可參數化的診斷消息：
  僅當通過適當參數設置啟用之后，才會發送診斷消息。
• 不可參數化的診斷消息：
  這些消息是自動發送的，即與參數設置無關。

如果某個診斷消息處于激活狀態（例如，“無傳感器輸入”），則該模塊會觸發一個診斷中斷（如果已為該診斷消息設置了參數，則僅在相應的參數設置之后才會觸發中斷）。CPU 將中斷用戶程序或低優先級任務的處理，并處理相關診斷中斷塊 (OB 82)。通過硬件中斷可以監控過程信號，并且可以觸發對信號變化的響應。

根據模塊類型的不同，提供了各種不同診斷消息：

數字量輸入/輸出模塊
診斷消息	可能的故障原因
無傳感器電源	傳感器電源過載 傳感器電源對 M 短路
無外部輔助電壓	模塊無電源電壓 L+
無內部輔助電壓	模塊無電源電壓 L+ 內部模塊熔斷器有故障
熔斷器燒斷	內部模塊熔斷器有故障
模塊中的參數不正確	傳輸到模塊的參數不正確
時間看門夠脫落	定期出現高電磁干擾 模塊有故障
EPROM 故障	定期出現高電磁干擾 模塊有故障
RAM 故障	定期出現高電磁干擾 模塊有故障
硬件中斷丟失	硬件中斷到來的速度超過 CPU 的處理能力

模擬量輸入模塊
診斷消息	可能的故障原因
無外部負載電壓	模塊無負載電壓 L+
組態/參數設置錯誤	傳輸到模塊的參數不正確
共模錯誤	輸入 (M-) 和測量電路的參考電位 (MANA) 之間的電位差 UCM 過高
斷線	傳感器電路的電阻過高 模塊和傳感器之間的線路中斷 通道未切換（斷開）
低于量程下限	輸入值低于前量程值，此故障的可能原因是 量程 4 - 20 mA、1 - 5 V： 傳感器極性接反； 選擇的量程不正確 其它量程： 選擇的量程不正確
高于量程上限	輸入值超出過量程值

模擬量輸出模塊
診斷消息	可能的故障原因
無外部負載電壓	模塊無負載電壓 L+
組態/參數設置錯誤	傳輸到模塊的參數不正確
對 M 短路	輸出過載 輸出 QV 對 MANA 短路
斷線	執行器電阻過高 模塊和執行器之間的線路中斷 通道未使用（斷開）

硬件中斷

可以監控過程信號，并且可通過過程中斷觸發對信號變化的響應。

• 數字量輸入模塊：
  根據具體參數設置，該模塊可在信號狀態變化的上升沿、下降沿或上升沿和下降沿上為每個通道組觸發硬件中斷。CPU 中斷用戶程序或低優先級任務的處理，并處理相關過程中斷塊（例如，OB 40）。信號模塊可以每個通道緩沖一個中斷。
• 模擬量輸入模塊：
  通過設置上限值和下限值，可以定義工作范圍。模塊將數字化測量值與這些限值進行比較。若測量值違反其中任何一個限值，就會觸發硬件中斷。CPU 中斷用戶程序或低優先級任務的處理，并處理相關過程中斷塊（例如，OB 40）。若限值高于/低于過量程/欠量程值，則不進行進行比較。

S7-400H

容錯通信

進行高可用性通信時，SIMATIC 將提供以下功能：

• 更高可用性：
  發生故障時，通信可通過最多 4 個冗余連接繼續進行。
• 操作簡便；
  高可用性對用戶來說并不是透明的�？梢圆⒔涍^任何改動而采用標準通信的用戶程序。冗余功能僅在參數設置階段進行定義。

S7-400H（冗余和非冗余配置）和 PC 目前支持容錯通信。在 PC 上，需要安裝 Redconnect 程序包（參見“SIMATIC NET 通信系統”）。

根據具體可用性要求，可使用不同組態選項：

• 單一總線或冗余總線。
• 總線型拓撲或環型拓撲總線。

操作模式

CPU 417-5H/416-5H/414-5H/412-5H 的操作系統可自主執行 S7-400H 的所有必要額外功能：

• 數據交換
• 故障響應（故障轉移至備用設備）
• 兩個子單元的同步
• 自檢

冗余原理

S7-400H 按“熱備份”模式下的主動冗余原理工作（發生故障時執行無反應的自動切換）。根據該原理，在無故障運行期間，兩個子單元都處于激活狀態。發生故障時，未發生故障的設備獨自接管過程控制。

為確保平穩接管，必須通過中央控制器鏈路實現高速、可靠的數據交換。

在故障轉移期間，設備會自動保留：

• 相同的用戶程序
• 相同的數據塊
• 相同的過程映像內容
• 相同的內部數據，如定時器、計數器、位存儲器等

這意味著，這兩個設備始終保持在最新狀態，并且可以在出現故障時獨立地繼續執行控制。

采用冗余 I/O 操作時，這會帶來以下結果：

• 在無故障的運行期間，兩個模塊均處于激活狀態，例如在采用冗余輸入時，將通過兩個模塊讀取共用傳感器（也可以是兩個傳感器）的信號，對結果進行比較并提供給用戶以作為用于進一步處理的統一值。采用冗余輸出時，由用戶程序計算的值通過兩個模塊進行輸出。
• 發生故障時（例如，兩個輸入模塊之一出現故障），不再對有故障的模塊尋址，發生故障信號，僅未受影響的模塊繼續運行。在線進行修復之后，將再次對兩個模塊尋址。

同步

為了實現無反應切換，需要對兩個子單元進行同步。

S7-400H 遵循“時間驅動的同步”工作原理。

每當子單元中發生可能導致不同內部狀態的事件時，都會執行同步操作，例如在發生以下事件時：

• 直接訪問 I/O
• 中斷、報警
• 更新用戶時間
• 通過通信功能修改數據

同步是通過操作系統自動進行的，可在編程階段將其忽略。

自檢

S7-400H 可執行大量自檢。自檢涉及以下方面：

• 中央控制器的連接
• 中央處理單元
• 處理器/ASIC
• 存儲器

報告每個檢測到的故障。

啟動時自檢

啟動時，每個子單元都會完整執行全部自檢功能。

循環操作期間的自檢

完整的自檢分布在多個循環中。每個循環僅執行一小部分自檢，因此，實際控制器所承受的負荷不是很大。

組態、編程

S7-400H 的編程與 S7-400 類似。所有可用的 STEP 7 功能都可以使用。

對 S7-400H 編程需要使用 STEP 7 V5.2。

I/O 模塊的組態

硬件組態時，用戶必須通過 HW Config 指定相互形成冗余的模塊。只需指定要在冗余模式下運行的模塊以及要作為“冗余伙伴”的第二個模塊。在用戶程序中，應訪問具有最低地址的模塊。第二個地址不向用戶顯示，并且含有冗余和非冗余 I/O 的控制部分的編程完全相同。與非冗余 I/O 之間的唯一差別是塊庫中的兩個函數塊（RED_IN 和 RED_OUT），需要在用戶程序的開始處和結束處調用這兩個函數塊。

在 STEP 7 V5.3 或更高版本中，該庫已作為標準庫集成到 STEP 7 中。

S7-400H

S7-400F/FH 滿足下列安全要求：

• 要求等級 AK 1 至 AK 6，根據 DIN V 19250/DIN V VDE 0801
• 安全要求等級 SIL 1 至 SIL 3，根據 IEC 61508
• Cat1 至 Cat4，根據 EN 954-1

操作模式

S7-400F/FH 的安全功能包含在 CPU 的 F 程序中，并包含在故障安全信號模塊中。

信號模塊通過差異分析和測試信號注入來監控輸出和輸入信號。

通過定期自檢、命令測試以及按時間順序執行的邏輯程序執行檢查，CPU 可檢查控制器的運行是否正常。此外，通過狀態監視 (sign-of-life) 請求，還可以檢查 I/O 狀況。

若在系統中診斷出故障，則將系統切換到安全狀態。

F-Runtime 許可證

必須將 F-Runtime 許可證加載到 CPU 上以運行 S7-400F/FH。每個 S7-400F/FH 都需要一份許可證。

編程

S7-400F/FH 的編程方式與其它 SIMATIC S7 系統的編程方式相同。非故障安全工廠部分的用戶程序可用成熟可靠的編程工具（如 STEP 7）來創建。

S7 F Systems 可選軟件包

編程安全相關的程序段時，需要使用可選軟件包“S7 F Systems”。該軟件中包括創建 F 程序所需的全部函數和塊。

對于包含安全功能的 F 程序，可使用 CFC 調用來 F 庫中的專用函數塊并進行互連。使用 CFC 可以簡化工廠的組態和編程工作，由于工廠范圍內具有統一的表示形式，也將簡了驗收測試。無需使用額外工具，程序員就可以完全專注于安全相關應用程序。

通用技術數據
防護等級	IP20
環境溫度	0－60 °C
相對濕度	5 ~ 95%，無凝露
氣壓	1080 ~ 795 hPa（對應于 -1000 至 +2000 m 高度）
電磁兼容性
抗干擾性	符合 EN 61000-6-2
輻射干擾	符合 EN 61000-6-4
機械負載
抗振性，根據標準	IEC 60068-2-6（正弦波） 10 ~ 58 Hz；恒定幅度 0.075 mm； 58 ~ 500 Hz；恒定加速度 1 g；振蕩持續時間：在 X、Y、Z 三個方向上各 10 次
抗沖擊性，根據標準	IEC 60068-2-27 沖擊類型： 半正弦； 沖擊強度 10g（峰值），持續時間 6 ms 沖擊方向：在X、Y、Z 三個方向上各 100 次。