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S7-400 是 SIMATIC 控制器家族中功能為強大的 PLC。它可以成功實現全集成自動化 (TIA) 解決方案。S7-400 是一個用于制造業和過程工業系統解決方案的自動化平臺，其主要特點是具有模塊化的結構并擁有性能儲備。

S7-400

• 中端到高端性能范圍內功能強大的 PLC
• 可滿足要求極為苛刻的任務的解決方案
• 全面的模塊和各種性能等級 CPU 可針對具體自動化任務進行佳調整
• 可實現分布式結構，適用十分靈活
• 連接方便
• 優通信和聯網功能
• 操作方便，設計簡單，不含風扇
• 任務增加時可順利擴展
• 多重計算：
  多個 CPU 在一個 S7-400 中央控制器中同時運行。
  多重計算功能可對 S7-400 的總體性能進行分配。例如，可將復雜的技術任務（如開環控制、計算或通信）進行拆分并分配給不同的 CPU。可以為每個 CPU 分配自己的 I/O。
• 模塊化：
  通過功能強大的 S7-400 背板總線和可直接連接到 CPU 的通信接口，可實現許多大量通信線路的高性能操作。例如，這樣可以擁有一條用于 HMI 和編程任務的通信線路、一條用于高性能等距運動控制組件的通信線路和一條“正�！盜/O 現場總線。另外，還可以實現額外需要的與 MES/ERP 系統或 Internet 的連接。
• 工程組態和診斷：
  結合使用 SIMATIC 工程組態工具，可極為高效地對 S7-400 進行組態和編程，尤其對于采用高性能工程組件的廣泛自動化任務。為此，可以使用語言（如 SCL）以及用于順序控制、狀態圖和工藝圖的圖形化組態工具。

S7-400H

• 具有冗余設計的高可用性自動化系統。
• 用于具有很高故障安全要求的應用：
  重新啟動成本很高、停產代價高昂、幾乎不需要監視且維護選項較少的過程。
• 冗余設計的集中功能
• 提高 I/O 的可用性：切換式 I/O 配置
• 也可使用具有標準可用性的 I/O：單側配置
• 熱后備：發生故障時，自動切換到備用設備。
• 包含 2 個單獨機架或一個分隔式中央機架的配置
• 通過冗余 PROFIBUS DP 或系統冗余 PROFINET I/O 來連接切換式 I/O。

S7-400F/FH

• 故障安全型自動化系統，適用于具有很高安全要求的工廠
• 符合相關標準的安全要求（IEC 61508 的 SIL 3、DIN V 19250 的 AK6 以及EN 954-1 的 Cat.4）
• 如果需要，也可通過冗余設計來實現容錯
• 不對安全相關 I/O 進行額外接線
• 通過采用 PROFIsafe 行規的 PROFIBUS DP 實現安全通信
• 基于帶有故障安全模塊的 S7-400H 和分布式 ET 200 I/O
• 適用于非安全相關應用的標準模塊也可以在自動化系統中使用
• 隔離模塊用于在一個 ET 200M 的安全模式下組合使用故障安全模塊和標準模塊。

• SIMATIC S7-1500 和 ET 200MP 的工藝模塊
• 模塊帶有時間控制控制的輸入和輸出，用于執行響應時間為數微秒的精確開關功能
• 高速計數和位置檢測模塊帶有不同的位置傳感器
• 具有用于完成過程級別的任務且響應時間較短的集成輸入和輸出

• 2 通道高速計數器模塊
• 具有大量參數設置選項，可根據具體任務進行佳調整，降低控制負荷
• 速度和時間段測量
• 存儲和比較功能
• 連接 24 V 編碼器

特別是，計數器模塊可以檢測快速高頻信號，并將計數器讀數和當前速度返回到控制器。計數器控制可通過數字量輸入和輸出信號來確保精確的計數器結果和系統中的快速響應。通過大量參數設置選項，可針對手邊的任務進行佳調整，降低控制負荷。

提供有以下計數器模塊：

• TM Count 2x24V：
  快速計數器模塊，2 通道；計數功能高達 200 kHz；硬件和軟件門；連接 24 V 編碼器；每通道 3 點數字量輸入（除計數器輸入外）和 2 點數字量輸出；頻率、速度和時間段測量；存儲和比較功能；24 V 編碼器電源；等時同步模式

• 用一個螺絲安裝在 S7-1500 安裝導軌上
• 統一的 40 針前連接器，帶螺釘型端子（不久將提供插入式端子）
• 可連接芯線截面積0.25 mm² 至 1.5 mm²（AWG24 至 16）
• 前連接器的預接線位置
• 前蓋帶有可擴充的電纜室，即使完全接線時也如此
• 集成式屏蔽

含在供貨范圍之內：

• 用于手工貼標簽的一個標簽條
• 一個 U 型連接器
• 印制有文字的前門
• 饋電元件、屏蔽夾和屏蔽端子

• 統一的顯示和診斷方式：
  • 故障（紅色 LED）和運行（綠色 LED）模塊狀態顯示
  • 邏輯“0”和邏輯“1”信號狀態的通道狀態顯示（綠色 LED）或診斷指示（紅色 LED）
  • 顯示 24 V DC 電源電壓（綠色 LED）
  • 顯示計數器的活動狀況和計數方向
• 支持的功能：
  • 加/減高速計數
  • 計數器范圍可調節至高達 +/-31 位
  • 通過集成數字量輸入和輸出獲得高速響應
  • 測量當前信號頻率
  • 增量式編碼器的位置檢測
  • 每個通道兩個比較器，用于控制數字量輸出
  • 通過數字量輸入來保存或設置計數
  • 硬件中斷，可設置參數
  • 等時同步模式
  • 通過命令和工藝對象進行用戶友好的組態
• SIMATIC S7-1500 和 ET 200MP 的統一系統功能：
  • 識別和維護數據 IM0
  • 固件更新
  • 模塊正面的清晰標簽
  • 統一的前連接器

S7-200系列PLC的基本硬件組成

S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。

1．基本單元

S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數的分配見表4-11：

表4-11  S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元

2．擴展單元

S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數的分配如表4-12所示。

表4-12  S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數

3．編程器

PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調試過程中，進行監控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。

簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現場編程及監測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內，可直接采用梯形圖語言編程，實現在線監測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。

4．程序存儲卡

為了程序及重要參數的安全，一般小型PLC設有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內容寫入PLC，也可將PLC內的程序及重要參數傳到外接EEPROM卡盒內作為備份。程序存儲卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。

5．寫入器

寫入器的功能是實現PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或將PLC中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到RAM區。

6．文本顯示器

文本顯示器TD200不僅是一個用于顯示系統信息的顯示設備，還可以作為控制單元對某個量的數值進行修改，或直接設置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認的方法，多可顯示80條信息，每條信息多4個變量的狀態。過程參數可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。TD200面板上的8個可編程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統時，可以進行參數設置和診斷。

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 。
• 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。
• 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”，聯網的 CPU 可以相互循環交換數據（多可達 16 個 GD 數據包，每個循環的大 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。

這些包括：

• 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。

這些包括：

• 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 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 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，并可實現高精度和可重現性。這意味著可在提供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），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：

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。