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S7-400冗余控制器

两种总线形式的创新型冗余控制器

说明

SIMATICS7-400 PNH系统可以根据具体应用需求量身定制：性能可扩展、的冗余度可灵活组态，安全功能易于集成。集成PROFINET接口，可冗余连接I/O设备，或者通过PROFIBUS连接I/O设备，实现工厂级通信。无论何种应用，使用SIMATIC S7-400 PNH，均可在熟悉的STEP7 工程环境中，进行便捷而有效的编程和组态。

应用

■ 避免控制器故障引起的?；Ｖ饕糜谏?、能源、供水系统、机场助航照明、编组站系统等领域。

■ 避免因工厂故障造成数据丢失而导致的高昂重启成本。主要用于行李处理、高架仓库、跟踪和追溯等领域。

■ 在工厂或机器?；北；すこ?、工件和材料。主要用于炉子、半导体、船舶等领域。

■ 无监督和维修人员亦能保障正常运行。主要用于污水处理厂、隧道、船闸、楼宇系统等领域。

效益

简单、高效的工程组态

与在标准系统中一样，SIMATIC S7-400H 可以使用所有 STEP 7 编程语言进行编程?？梢院苋菀椎陌殉绦虼颖曜枷低城ㄒ频饺哂嘞低持校粗嗳?。当加载程序时，它会自动传送到两个冗余控制器中。使用 STEP 7，可以对特定冗余功能和配置进行参数设置。

出色的诊断和?？楦挥攀?nbsp; 

■  利用集成的自我诊断功能，系统可以提前检测故障和发送信号，避免故障对生产过程产生影响。这样可以有针对性地替换故障组件，加快维修进程。

■   可以在系统运行过程中对所有组件进行热插拔。更换一个 CPU 后，当前的所有程序和数据可以自动重新装载。

■   即使在系统运行过程中，也可以修改程序（例如，程序块的修改和重新装载），更改配置（例如，增加或删减 DP从站或模块）以及改变 CPU 的内存分配。

设计和功能

根据统计数字表明，所有自动化组件（无论是机械式、机电式，还是电子式）都会出现故障。因此，工厂维护和工厂改造也就必不缺少。在实际应用中，期待的可用性是不现实的。
通过西门子 SIMATIC S7-400H，能够大限度地降低生产故障机率，生产率。

SIMATIC S7-400H 具有以下功能：

■ 出现故障时，能够无扰切换

■ 集成故障检测功能；提前检测故障，避免影响生产过程

■ 在线维护，即可在工厂运行期间，更换故障组件

■ 组态更改，即可在工厂运行期间，进行工厂扩容

■ 自动事件同步

■ 高可用性通信

■ 冗余连接I/O 设备

S7-400 标准控制器

要求严格任务用的控制器

说明

有一系列从入门级CPU直到高性能CPU，用于配置控制器。所有CPU控制大量结构;多个CPU可以在一个多值计算配置中一起工作以提高性能。由于CPU的高处理速度和确定性的响应时间，可缩短机器的循环周期。

不同的CPU具有不同性能，例如，工作存储器，地址范围，连接数量和执行时间。十款款标准的CPU，集成PROFIBUS、PROFINET 总线接口。

应用

S7- 400尤其适合于加工工业中的数据密集型任务。高处理速度和确定性的响应时间，缩短高速机械制造业设备控制的循环周期。

S7 - 400用于整体协调各种设备，控制低级别的系统。这是由高速通讯能力和集成接口来保证的。

在S7- 400的许多器件也可用于环境条件下的SIPLUS版本。

S7-400 的成功应用如下：

1. 汽车工业
2. 标准机械设备制造包括定制的机械设备制造
3. 仓储系统
4. 建筑工程
5. 钢铁行业
6. 发电和配电
7. 造纸和印刷业
8. 木工
9. 纺织业
10. 医药制品
11. 食品和饮料行业
12. 处理工程，例如水和废水处理设施
13. 化工和石化

效益

由于采用各种级别的CPU，S7-400可以灵活扩展升级；I/O能力几乎是无限的。

强大的CPU允许集成新的功能，无需额外硬件投资，例如处理质量数据，用户友好的诊断，到更高层次的MES解决方案或通过总线系统的高速通讯。

可以以模块化的方式构建S7 - 400，有各种用于集中配置和分布式结构的?？椋允迪执肀讣矫娴牡统杀?。

在操作过程中可以修改S7- 400 的分布式I/O配置（在运行中配置）。另外在工作时还可以删除和插入信号?？椋ㄈ炔灏危?。这使得很容易扩展系统或出现故障时替换?？椤?/p>

项目的完整数据存储包括CPU上的符号和注释，简化了服务和维护过程。

可以将安全技术和标准自动化集成到一个单一的S7- 400控制器，可以通过S7- 400的冗余结构增加设备的可用性。

S7- 400的许多器件也可用于外部环境条件SIPLUS版本，例如：扩展温度范围（-25+60°C）和在恶劣环境/冷凝条件下使用。

S7- 400的高速背板总线确保集中式I/ O?？榈母咚偻ㄑ丁?/p>

设计和功能

?？榛?/strong>

S7 - 400的一个重要特点是它的?？榛?。S7- 400的高速通讯背板总线和允许直接插入CPU集成的DP接口，允许多条通讯线路的高性能运行。例如，把一根总线用于HMI通讯和编程任务，一根总线用于高性能运动控制，一根总线用于普通I / O现场总线通讯。
此外，也可以实现另外连接到MES-/ERP系统或通过SIMATIC IT连接到互联网的需要。根据任务情况，可对S7 – 400进行集中扩展或分布式配置。附加设备和接口?？橐部杉杏糜诖四康?。在CPU中集成的PROFIBUS或PROFINET接口上也可实现分布式扩展。如果需要，也可以使用通讯处理器（CP）。

设计

设计一个S7 - 400系统基本上包括机架，电源，和中央处理单元。它可以以一个?？榛姆绞桨沧昂屠┱?。所有的模块都可以自由地放置在左侧插入的电源旁边。S7- 400具有无风扇的坚固设计。信号?？榭梢匀炔灏?。一个多层面的?？榉段Э捎糜谥醒肜┱挂约熬哂蠩T200的分布式拓扑结构的简单配置。
在集中式扩展中，额外安装机架直接连接到中央控制器。

除了标准的安装机架，也提供9槽和18槽铝合金安装机架。这些铝机架可以很高地耐受不利环境条件，紧固耐用，重量轻25％左右。

多值计算

多值计算，也就是在一个S7- 400中央控制器中的几个CPU的同时操作，为用户提供不同的益处：

可通过多值计算共享的S7 - 400的整体性能。例如，在技术复杂的任务中，如开环控制，可以将计算机或通讯分割和分配给不同的CPU每个CPU分配给自己的，用于此目的本地输入/输出。
有些任务也可以从每个多值计算方式中断开，一个CPU处理关键时间的处理任务，另一个处理非关键时间的任务。
在多值计算操作中，所有的CPU的运行行为像一个CPU，也就是说，当一个CPU进入STOP状态，其他的也停止。几个CPU的动作可以通过同步指令选择性地协调调用。此外，CPU之间的数据交换通过高速的全局数据通讯机制。

数据/程序存储器

从精细分级的各种CPU中选择合适的CPU取决于集成工作存储区的大小。集成装载存储器（RAM）足以满足中小型企业方案。对于大型程序，通过插入RAM或FEPROM存储卡增大装载内存（64 KB到64 MB）。

特殊功能

S7- 400 CPU有一些非常有用的特殊功能：

从工程工作站通过网络更新固件实现更简单和快速的升级
通过一个系统功能实现额外的写?；ぃɡ缑挥写覲C器件下载到CPU）
通过读取存储卡的序列号获得?；?，因此，保证了程序只与特定的存储卡一起运行

集成的路由功能允许在不同总线系统和网络问数据记录，例如控制级PC可以通过S7 -400控制器与连接在PROFINET或者PROFIBUS接口上的现场设备进行通讯。

SIMATIC S7-400 信号?？?/h3>

描述

信号?？槭强刂破鹘泄滩僮鞯慕涌?。许多不同的数字量和模拟量模块根据每一项任务的要求，准确提供输入/输出。数字量和模拟量模块在通道数量、电压和电流范围、电绝缘、诊断和警报功能等方面都存在着差别。S7-400 信号?？椴唤鍪悄芄辉谥醒牖芾┱?，而且可以通过 PROFIBUS DP 连接到 S7-400 中央控制器。支持热插拔，这使更换模块变得极其简单。

设计和功能

安装简便

通过前连接器连接传感器/执行器。更换?？楹螅恍杞傲悠鞑迦胂嗤嘈偷男履？橹?，并保留原来的布线。前连接器带自动编码功能可避免发生错误。S7-400 也可以检测前连接器是否已插入。

快速连接

SIMATIC TOP 连接使连接变得更加简单、快速?？墒褂迷は茸芭涞拇械ジ龅缋滦镜那傲悠?，和带有前连接器模块、连接线缆和端子盒的完整插件模块化系统。

高组装密度

?？橹形诙嗟耐ǖ朗迪至私谑】占涞纳杓?。例如，可使用带有 16 至 32 个数字通道和 8 至 16 个模拟通道的?？?。

简单参数设置

使用 STEP 7 对这些?？榻凶樘筒问柚?，并且不需要进行不便的转换设置。数据进行集中存储，如果更换了?？?，数据会自动传输到全新模块，避免发生任何设置错误。使用新模块时，无需进行软件升级?？筛菪枰粗谱樘畔?，例如用于标准机器。

诊断、中断

许多模块还会监控信号采集（诊断）和从过程（过程中断，例如边沿检测）中传回的信号。这样便可对过程中出现的错误（例如断线或短路）以及任何过程事件（例如数字量输入时的上升沿或下降沿）立刻做出反应。使用 STEP 7，即可轻松对控制器的响应进行编程。在数字量输入?？樯希扛瞿？榭梢源シ⒍啻沃卸?。

S7-400 功能模板

描述：

多种S7-400 系列 功能模板可以进行模块定制来满足多变的任务。

除了带有集成功能和接口的 CPU，还有丰富的采用 S7-400 设计的特殊?？楣┘际跏褂?。

应用范围

1. 木材、玻璃、石料和金属加工
2. 包装机械
3. 印刷
4. 一般机器制造
5. 机床
6. 纺织机
7. 橡胶和塑料行业
8. 工厂

效益

1. 高等级的精度和动态响应
2. 带有丰富功能的和通用?？?/li>
3. 不涉及 CPU，因为功能保存在每个模块的固件里
4. 快速的响应时间（确定性的动态响应）
5. 使用组态工具进行工程组态，集成到 STEP 7 中

设计和功能

功能?？槭悄芄恢葱屑际跞挝癫⒁虼私档?CPU 负荷的智能?？?。它们可以使用在需要高等级的精度和动态响应的应用中。

S7-400 通讯处理器

描述

通讯处理器用于将 S7-400 连接到不同的总线系统/通讯网络，也用于点对点的连接。

作为总线系统的替代品，借助通讯处理器 (CP) 实现的点对点连接功能非常强大且成本较低。当仅要将几个 (RS 485) 设备连接到 SIMATIC S7 时，与总线系统相比，点对点链路的优势是极为明显的。

通讯处理器也能够轻松地将第三方系统连接至 SIMATIC S7-400 系统中。由于 CP 具有很高的灵活性，因此可以执行不同的物理传输介质、传输速度，甚至是自定义的传输协议。对每一个 CP 都有一个组态包。组态包中带有电子手册、参数化屏幕表单和用于 CPU 和 CP 之间通讯的标准功能块。组态数据存储在系统块中并在 CPU 中备份。因此，在更换模块后，新?？槁砩暇涂梢允褂谩?/p>

借助S7-400 点对点链路?？?，针对不同的物理传输介质，只需要插入相关的接口子?？?，而无需外部转换器。

1. 应用
2. 通讯?？樵市斫?SIMATIC S7-400 连接到以下位置（举例）：
3. SIMATIC S7 和 SIMATIC S5 PLC 和许多其它制造商的系统
4. PC、编程设备和 HMI 设备
5. 现场设备
6. 扫描仪和条形码识别器
7. 测量系统
8. 秤重设备

S7-400 产品附件

安装机架

机架设计为壁挂式，可以安装在框架内，或者安装在机柜内。它有以下功能：为模板提供机械支持、为模板提供电源、通过背板总线将各个模板连接在一起。

配置SIMATIC S7-400有多种形式的机架：

- UR1 和 UR2，用于中央控制器和扩展但愿

- CR2，用于有分割的中央控制器

- ER1 和 ER2，用于有信号模板的扩展单元

- UR2-H，用于冗余系统

电源模板

电源模板用于转换220V AC或24V DC，通过背板总线向S7-400 提供5V DC和24V DC。采用冗余电源时，标准系统和容错系统可作为*安全系统运行。

- 发光二极管用于指示内部故障，5V、24V及后备电池

- 一个故障确认按钮

- 输出电压的通断开关

- 一个后备电池安装部件

- 一个电池监视开关

- 一个系统电压选择开关

存储卡

在S7-400 CPU中可以使用的存储卡有两种：一种是RAM卡，用于只需要扩展CPU集成的装载存储器，并且需要经常修改程序的状况；另一种是FEPROM卡，用于需要在存储卡上存储用户程序，即使掉电程序也不会丢失，或者在CPU之外使用扩展卡。

为了满足应用需求，RAM卡和FEPROM卡大存储容量均达到64M。

电池

对于使用RAM扩展装载内存的用户，可以通过使用后备电池，使CPU在断电情况下保持用户程序。

IF-964 PROFIBUS DP 模板

每个S7-400 CPU 可以插入一个或者两个IF-964 接口模板，用于连接PROFIBUS DP 作为主站，通过9针Sub-D 插座连接，传输速率达到9.6 kbit/s 到12Mbit/s。

接口模板

S7-400 系统扩展支持本地扩展和远程扩展两种方式。根据扩展方式的不同，选用的接口模板、连接电缆、传输距离也有所不同。

- 集中式扩展，长距离3m，采用 IM460-0 和 IM461-0

- 集中式扩展，长距离1.5m，采用 IM460-1 和 IM461-1

- 分布式扩展，远距离100m，采用 IM460-3 和 IM461-3

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鉴于西门子现有的eAircraft业务，这个项目对于西门子而言意味着什么？

Frank Anton：继我们2016年与空客达成合作伙伴关系之后，这架大型飞行测试机将是eAircraft迈向混合动力电动飞机未来的一大步 。通过在飞行中测试这架测试机及其电力推进系统，我们将学会如何让这项性创新技术在航空1域大显手。

归功于我们现有的面向无人机以及超轻型和轻型运动类飞机的驱动系统，我们已经涉足航空1域。不久前，我们还推出一个用于城市电动空中出租 CityAirbus的电机原型。

现在，我们正充分运用在研发这些输出功率级别的电机过程中积累的经验，研制适用于座位数在50到100之间的混合动力电动商用飞机的解决方案。 这一发展将促使航空客运降低噪声，同时更具可持续发展性。

你们的计划究竟是什么呢？

Wulf Roscher：eAircraft迄今为止开发的电力推进系统，譬如，我们“创纪录的驱动系统”，已经拥有高达250千瓦的输出功率。但现 在，我们正在开发适用于支线飞机的2兆瓦电力推进系统，其功率约为Extra 330LE驱动系统的8倍。支线飞机机翼上将安装4到8个这样的电机，为飞机的螺 旋桨或涡扇提供动力。这架飞行测试机的电力推进系统将从由机载涡轮机驱动的发电机获得动力。起飞和爬升的动力则来自拥有700千瓦输出功率的锂离子 电池。

Anton：我们的目标是及时将测试机的4个涡轮喷气发动机中的一个，更换为2兆瓦电力推进系统，以按计划在2020年实现首飞。这将 是这样的大功率电机用于推进飞机！我们可以设想，在随后的测试中，我们将再把一个涡轮发动机更换为电力推进系统。

这样强劲的驱动系统会不会很重、很占空间呢？尽管电动交通益处良多，但这样的驱动系统是否高效呢？

Roscher：得益于我们在轻量化工程和高科技材料等1域开展的大量研究工作，我们将大幅降低驱动系统的尺寸和重量。尽管我 们之前的创纪录电机已经能够持续实现高达5.2千瓦/公斤的功率密度，我们仍希望新的2兆瓦电机可以进一步大幅提升这一性能。

Anton：秘诀不在于材料或拓扑。我们所谈论的这种超轻型推进系统之所以能够研发并制造成功，*是西门子PLM仿真软件 SimcenterTM的功劳，它将所有已知的物理和技术影响纳入考虑范围。利用这项技术，我们通过迭代创建出1化双胞胎，从而以虚拟方式优化我们的原型 机。这不仅加快了研发过程，也让我们打造出更为强大的电机。

Franz K?binger说：“目前，树立信任是1化取得成功的关键标准。”他对此深有体会。作为西门子1化企业业务部的营销经理，他非常了解他的客户，他意识到，对于许多公司而言，在迈向1化之前，仍有很高的门槛尚待跨越。他说：“然而，1化可以释放出巨大潜力，让所有人从中受益。”当前发展1实了这一观点：2017年，约有84亿台设备接入互联网。据预测，到2020年，这一1将增至204亿。未来，这将促使工业界持续提高质量标准，提高生产过程的灵活性和成本效益。

K?binger补充道，“尽管如此，许多人担心，网络在实现这种连接的同时，也出现了薄弱点。”这样的担忧不无理由。据估算，2017年网络攻击造成的损失超过5000亿欧元。相互连接的设备和机器越多，如物联网（IoT）就是这种情况，受到1攻击的危险似乎就越大。

面向第四次工业革命的创新技术：在位于德国埃尔兰根的西门子电子制造工厂，它们已经成为现实。这座工厂成功的一个关键原因是人与机器携手合作。

目标：助力1化取得成功

显然，只有当我们成功地为数据和连接系统设立高安全标准时，我们才可能释放出1化转型的巨大潜力。1化和网络安全是一枚的两面。换言之，网络安全之所以成为企业的关键要素，原因正在于1化。K?binger指出，“如今，没有人能够独力应对网络安全的艰巨挑战。为了确保用户能够安全地使用产品，整条产业链上的所有参与者都应同意遵守共同标准。”

为此，在2018年慕尼黑安全会议上，西门子发起了《信任宪章》倡议，以构建安全的1世界，朝着更多合作、更透明的1化世界迈出重要一步。这一步备受关注，因为现在已有12个合作伙伴签署《信任宪章》。感兴趣的公司数量正迅猛增长。

尽管《信任宪章》仍在发展之中，但西门子已经完成其中规定的部分任务。西门子是一家软件和1服务营收高达52亿欧元的公司，已经有超过100万台设备连接至MindSphere。因此，它亟需提高安全水平，以跟上日益增长的1业务组合的步伐。工业安全与西门子业务息息相关，《信任宪章》有两个重要主题涉及这个1域：“1供应链责任”和“工厂设置的网络安全”。这两个主题紧密交织，二者都要求签署人确保在物联网的每一层提供保护。

“深度防御”——西门子的整体性安全概念

Franz K?binger说：“西门子已经对这些要求作出响应。我们的应对之道名为深度防御。这是我们提出的工业安全概念。您不妨将之设想成洋葱的许多层。就这个比喻而言，我们用多个防御层来?；ぱ蟠心诓浚饧凑こЪ捌渌幸?，包括有关网络。创建单个要素的过程中，换句话说，产品开发过程中，已经将安全事项纳入考虑。我们称之为安全设计。”

K?binger认为，“每座工厂各不相同，但有一些原则应当始终牢记。”保障工业设施安全必须遵循三个基本步骤。步是确保工厂的总体安全——也就是说，工厂应设置进出门禁，采取诸如安全政策等组织措施，以及监测工厂的异常情况，这些异常可能表明工厂受到网络攻击。步是?；ね绨踩?，包括安装防火墙和数据传输加密。第三步侧重于系统完整性——换句话说，?；さジ鲋斩撕拖低?，防止个人非法访问和非法更改。这样一来，潜在攻击者必须突破多重阻碍的组合，这比仅仅破解单独的安全措施要困难得多，耗时亦更长。

友好1：主动迎接考验

此外，西门子有一支专门的CERP团队（网络应急准备小组）负责执行自我监测过程。这个部门使用“友好1”方法来测试西门子自有产品和解决方案，以及公司的内部IT基础设施。此外，当报出薄弱点或事故时，也会调用这支专家小组。这时，专家们将检查是否有任何西门子产品受到影响，并确定是哪个产品受到影响，以便尽快提供安全更新程序。按照《信任宪章》规定，这种情况下，西门子将及时告知行业客户所有薄弱点，并提供安全更新程序和纠正措施。K?binger说：“要想消除薄弱点，保持透明度至关重要。一旦发现问题，我们将及时告知客户并提供解决方案。”无论问题严重程度如何，结论总是一样的：“我们只有同心协力，才能保护1基础设施。”