1.4 S7-400 PLC概述

1.4.1 S7-400 PLC設(shè)計(jì)綜述

西門子S7-400是用于中、高檔性能范圍的PLC，具有模塊化及無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)、堅(jiān)固耐用、容易擴(kuò)展和廣泛的通信能力、容易實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)、操作界面用戶友好等特點(diǎn)。

S7-400 PLC具有功能逐步升級(jí)的多種級(jí)別CPU，帶有各種用戶友好功能的種類齊全的功能模板，使用戶能夠構(gòu)成最佳的解決方案，滿足自動(dòng)化的任務(wù)要求。即使當(dāng)控制任務(wù)變得更加復(fù)雜時(shí)，S7-400 PLC控制系統(tǒng)都可以逐步升級(jí)，而不必過多地添加額外的模板。

S7-400 PLC已經(jīng)在以下領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用：通用機(jī)械工程、汽車工業(yè)、立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)床與工具、過程控制控制技術(shù)與儀表、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、控制設(shè)備制造和專用機(jī)械等。

S7-400 PLC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其擴(kuò)展和配置能夠按照用戶項(xiàng)目不同的需求而進(jìn)行靈活組合。圖1-21所示為S7-400 PLC示意圖。該系統(tǒng)包括電源模板，中央處理單元（CPU），各種信號(hào)模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM），接口模板（IM），SIMATIC S5模板等。

在擴(kuò)展配置上，S7-400 PLC最多有21個(gè)擴(kuò)展單元（EU）可以連接到中央控制器，擴(kuò)展的途徑包括：通過接口模板連接（IM）、集中式擴(kuò)展、用擴(kuò)展單元（EU）進(jìn)行分布式擴(kuò)展、用ET 200進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展等。

表1-4為西門子公司目前推出的常見S7-400 CPU的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況，其中帶有V6固件的新S7-400 PN CPU于2010年8月27日起正式發(fā)布，其顯著特點(diǎn)是具有更高的運(yùn)算速度和更大的工作內(nèi)存。

圖1-21 S7-400 PLC外觀示意

1—電源模板 2—后備電池 3—模式開關(guān)（鑰匙操作） 4—狀態(tài)和故障LED 5—存儲(chǔ)器卡 6—有標(biāo)簽區(qū)的前連接器 7—CPU1 8—CPU2 9—M7擴(kuò)展模塊 10—I/O模板 11—IM接口模板

從表1-4中可以看出，西門子S7-400具有大范圍的可選CPU，大大增加了性能級(jí)別的可用性：

1）CPU 412-1、CPU 412-2和CPU412-2 PN用于中等性能范圍的小型自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）CPU 414-2、CPU 414-3和CPU412-3 PN/DP適合于中等性能范圍的自動(dòng)化系統(tǒng)，它們滿足對(duì)程序規(guī)模和指令處理速度以及復(fù)雜通信的更高要求。

3）CPU 416-2、CPU 416-3和CPU416-3 PN/DP安裝于高性能范圍中的各種高要求的場(chǎng)合。

4）CPU 417-4適用于更高性能范圍的最高要求的場(chǎng)合。

1.4.2 S7-400 PLC的硬件組成

1.機(jī)架

機(jī)架構(gòu)成SIMATIC S7-400 PLC的機(jī)械框架，它主要為模板提供電源，并通過背板總線將各個(gè)模板連接在一起。機(jī)架設(shè)計(jì)為壁掛式，可以安裝在框架內(nèi)或安裝在機(jī)柜內(nèi)。圖1-22所示為安裝有模塊的機(jī)架，其中PS為電源模塊、CPU為處理器模塊、SM為信號(hào)模塊（如輸入輸出模塊等）。

配置SIMATIC S7-400 PLC有多種形式的機(jī)架，如圖1-23所示。

表1-4 常見S7-400 CPU的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖1-22 安裝有模塊的S7-400 PLC機(jī)架

圖1-23 S7-400 PLC機(jī)架

1）UR1和UR2機(jī)架：用于中央控制器和擴(kuò)展單元。

2）CR2機(jī)架：用于有分隔的中央控制器（2個(gè)CPU在單一機(jī)架內(nèi)彼此獨(dú)立地并行運(yùn)行）。

3）ER1和ER2機(jī)架：用于有信號(hào)模板的擴(kuò)展單元。

4）UR2-H機(jī)架：用于S7-400H。

2.西門子S7-400 PLC電源

常見的有PS 405、PS 407電源等，用于對(duì)S7-400 PLC的供電，即將用于將AC或DC進(jìn)線電壓轉(zhuǎn)換為背板總線所需的DC 5V和DC 24V，進(jìn)線電壓可以是85～264V的交流電源或者19.2到300V的直流電源。一般情況下每個(gè)機(jī)架均需要電源模板，除了包含有電源傳輸?shù)慕涌凇１仨氉⒁獾氖莻鞲衅骱蛨?zhí)行器用的負(fù)載電壓應(yīng)單獨(dú)提供。

3.西門子S7-400 PLC總線

S7-400 PLC的背板總線是并行I/O總線，又稱為P總線，用于CPU與輸入輸出模塊、功能模塊等進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，它集成在所有機(jī)架上（除了ER1和ER2擴(kuò)展機(jī)架上）。

1.4.3 S7-400 PLC的特色

1.容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)S7-400H

當(dāng)S7 Software Redundancy（軟件冗余性）可選軟件在S7-400標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)過程一旦出現(xiàn)故障時(shí)，在幾秒內(nèi)就能切換到替代系統(tǒng)，即為S7-400H系統(tǒng)。

如圖1-24所示為S7-400H冗余控制系統(tǒng)，其S7-400H主要器件都是雙重的：CPU、電源模塊以及連接兩個(gè)CPU的硬件……每個(gè)機(jī)架上都有S7 I/O模塊，也可以有擴(kuò)展機(jī)架或ET200M分布式I/O。S7-400H可以使用系統(tǒng)總線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，支持PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)的容錯(cuò)通信。

S7-400H采用“熱備用”模式的主動(dòng)冗余原理，在發(fā)生故障時(shí)，無擾動(dòng)地自動(dòng)切換。兩個(gè)控制器使用相同的用戶程序，接收相同的數(shù)據(jù)，兩個(gè)控制器同步地更新內(nèi)容，任意一個(gè)子系統(tǒng)有故障時(shí)，另一個(gè)承擔(dān)全部控制任務(wù)。

2.安全型自動(dòng)化系統(tǒng)S7-400F/FH

1）S7-400F：安全型自動(dòng)化系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時(shí)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)，并執(zhí)行中斷，其外觀如圖1-25所示。

圖1-24 S7-400H冗余控制系統(tǒng)

圖1-25 S7-400F外觀

2）S7-400FH：安全及容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，生產(chǎn)過程能繼續(xù)執(zhí)行。S7-400F/FH使用標(biāo)準(zhǔn)模塊和安全型模塊，整個(gè)工廠用相同的標(biāo)準(zhǔn)工具軟件來配置和編程。

3.多處理器運(yùn)行環(huán)境

所謂多處理器運(yùn)行環(huán)境，是指多個(gè)CPU在一個(gè)S7-400中央控制器中同時(shí)運(yùn)行，如圖1-26所示，這為用戶帶來了很多好處：

1）多處理器運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了S7-400整體性能的分享，如類似開環(huán)控制、計(jì)算或通信等復(fù)雜的技術(shù)功能任務(wù)可以分配至不同的CPU。每個(gè)CPU都可以有專用的本地I/O。

2）在多處理器運(yùn)行中，還可將某些進(jìn)程相互斷開，如一個(gè)CPU處理對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的進(jìn)程，另外一個(gè)處理對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格的任務(wù)。

在多處理器運(yùn)行操作中，所有CPU作為單個(gè)CPU運(yùn)行，即當(dāng)一個(gè)CPU進(jìn)入“STOP”狀態(tài)時(shí)，其他CPU也將停止。同步調(diào)用會(huì)有選擇性地發(fā)出指令協(xié)調(diào)多個(gè)CPU的動(dòng)作。此外，這些CPU之間的數(shù)據(jù)交換通過“全局?jǐn)?shù)據(jù)”機(jī)制以非常高的速度進(jìn)行。

圖1-26 多處理器運(yùn)行環(huán)境