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S7-400/S7-400H/S7-400F/FH

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概述

应用

设计

功能

技术规范

更多信息

概述

S7-400 是 SIMATIC 控制器家族中功能***为强大的 PLC。它可以成功实现全集成自动化 (TIA) 解决方案。S7-400 是一个用于制造业和过程工业系统解决方案的自动化平台,其主要特点是具有模块化的结构并拥有性能储备。

S7-400

  • 中端到高端性能范围内功能强大的 PLC

  • 可满足要求极为苛刻的任务的解决方案

  • 全面的模块和各种性能等级 CPU 可针对具体自动化任务进行调整

  • 可实现分布式结构,适用十分灵活

  • 连接方便

  • ***优通信和联网功能

  • 操作方便,设计简单,不含风扇

  • 任务增加时可顺利扩展

  • 多重计算:
    多个 CPU 在一个 S7-400 中央控制器中同时运行。
    多重计算功能可对 S7-400 的总体性能进行分配。例如,可将复杂的技术任务(如开环控制、计算或通信)进行拆分并分配给不同的 CPU。可以为每个 CPU 分配自己的 I/O。

  • 模块化:
    通过功能强大的 S7-400 背板总线和可直接连接到 CPU 的通信接口,可实现许多大量通信线路的高性能操作。例如,这样可以拥有一条用于 HMI 和编程任务的通信线路、一条用于高性能等距运动控制组件的通信线路和一条“正常”I/O 现场总线。另外,还可以实现额外需要的与 MES/ERP 系统或 Internet 的连接。

  • 工程组态和诊断:
    结合使用 SIMATIC 工程组态工具,可极为高效地对 S7-400 进行组态和编程,尤其对于采用高性能工程组件的广泛自动化任务。为此,可以使用高级语言(如 SCL)以及用于顺序控制、状态图和工艺图的图形化组态工具。


S7-400H

  • 具有冗余设计的高可用性自动化系统。

  • 用于具有很高故障安全要求的应用:
    重新启动成本很高、停产代价高昂、几乎不需要监视且维护选项较少的过程。

  • 冗余设计的集中功能

  • 提高 I/O 的可用性:切换式 I/O 配置

  • 也可使用具有标准可用性的 I/O:单侧配置

  • 热后备:发生故障时,自动切换到备用设备。

  • 包含 2 个单独机架或一个分隔式中央机架的配置

  • 通过冗余 PROFIBUS DP 或系统冗余 PROFINET I/O 来连接切换式 I/O。

S7-400F/FH

  • 故障安全型自动化系统,适用于具有很高安全要求的工厂

  • 符合相关标准的安全要求(IEC 61508 的 SIL 3、DIN V 19250 的 AK6 以及EN 954-1 的 Cat.4)

  • 如果需要,也可通过冗余设计来实现容错

  • 不对安全相关 I/O 进行额外接线

  • 通过采用 PROFIsafe 行规的 PROFIBUS DP 实现安全通信

  • 基于带有故障安全模块的 S7-400H 和分布式 ET 200 I/O

  • 适用于非安全相关应用的标准模块也可以在自动化系统中使用

  • 隔离模块用于在一个 ET 200M 的安全模式下组合使用故障安全模块和标准模块。


应用

S7-400

SIMATIC S7-400 是中端到高端性能范围内功能强大的 PLC。

SIMATIC S7-400 具有模块化、无风扇设计和较高扩展能力,并具有全面的通信和网络功能,可以简便实现分布式结构,用户操作十分方便,因此成为中端到高端性能范围内要求极为苛刻的任务的理想解决方案。

SIMATIC S7-400 的应用领域包括:

  • 汽车工业,如装配线

  • 机械设备制造,包括专用机械设备制造

  • 仓储技术

  • 钢铁工业

  • 楼宇管理系统

  • 发电和配电

  • 造纸和印刷领域

  • 木材加工

  • 食品和饮料领域

  • 过程工程,如水务和污水处理

  • 化工和石化领域

  • 仪表和控制

  • 包装机械

  • 制药工业

由于具有多种性能等级的 CPU,并有具备大量用户友好的功能的广泛模块,用户可以根据具体情况执行其自动化任务。

任务扩展时,可通过附加模块随时对控制器进行扩展,成本不会很高。

SIMATIC S7-400 是一种通用控制器:

  • 具有很高电磁兼容性以及抗冲击性和抗振性,因此拥有极高的工业适用性。

  • 可以带电连接和断开各模块。

S7-400H

在自动化技术的许多领域中,对自动化系统的可用性(从而故障安全性)的需求在不断提高。在许多领域中,设备停机会产生极高的成本。此时,只有冗余系统才能满足可用性要求。

容错型 SIMATIC S7-400H 即能满足这些要求。即使在一个或多个故障导致控制器的部件出现故障时,也能继续运行。通过以这种方式实现的可用性让 SIMATIC S7-400H 尤其适用于以下应用领域:

  • 控制器发生故障后重启会产生很高费用的过程(通常在过程工业中)。

  • 停产的代价十分高昂的过程。

  • 涉及贵重材料的过程(例如在制药工业中)。

  • 无人监视的应用

  • 涉及较少维护人员的应用

订货数据

关于 S7-400H 组件的订货数据,请参见在“S7-400/S7-400H/S7-400F/FH”下的相应模块。

S7-400F/FH

SIMATIC S7-400F/FH 故障安全自动化系统可在安全要求较高的工厂中使用。它可对立即停机不会给人员或环境带来危险的过程进行控制。S7-400F/FH 具有两种基本设计:

  • S7-400F:
    故障安全自动化系统。在控制系统中发生故障的情况下,生产过程会切换到安全状态并中断。

  • S7-400FH:
    故障安全和高可用性自动化系统。在控制系统中发生故障的情况下,冗余控制部分将发挥作用,继续控制生产过程。

通过另外使用标准模块,可以建立一个全集成控制系统,可在非安全相关和安全相关任务共存的工厂环境中使用。可以使用相同的标准工具对整个工厂进行组态和编程。


设计

SIMATIC S7-400 有多个型号:

  • S7-400:
    中、高端性能的功能强大的 PLC,具有模块化结构和免风扇的设计。

  • S7-400H:
    采用冗余设计的容错自动化系统,适用于故障安全型应用。

  • S7-400F/FH:
    采用冗余设计的故障安全自动化系统,也具备高可用性。

S7-400

S7-400 自动化系统采用模块化设计。它拥有丰富的模块,这些模块可进行各种组合。

系统包含下列组件:

  • 电源模块 (PS):
    用于将 SIMATIC S7-400 连接到 120/230 V AC 或 24 V DC 电源电压。

  • CPU:
    配有集成 PROFIBUS DP 接口的不同 CPU 具有不同性能范围。根据具体型号,这些 CPU 也可以带有集成 PROFINET 接口。使用 PROFIBUS接口,***多可以连接 125 个PROFIBUS DP 从站。可以将***多 256 个 PROFINET IO 设备连接到 PROFINET 接口。SIMATIC S7-400 的所有 CPU 均可处理极大型的配置。此外,在一个中央控制器中的多重计算模式下,多个 CPU 可以协同工作以提高性能。这些 CPU 处理速度快且具有确定性响应时间,可实现较短机器循环时间。

  • 用于数字量 (DI/DO) 和模拟量 (AI/AO) 输入/输出的信号模块 (SM)

  • 通信处理器 (CP),例如,用于总线连接和端到点连接

  • 功能模块 (FM):
    用于完成计数、定位和凸轮控制等要求苛刻的任务的专业模块。

根据具体要求,也可使用下列模块:

  • 接口模块 (IM):
    用于连接中央控制器和扩展单元。SIMATIC S7-400 的中央控制器可带有***多 21 个扩展单元运行。

  • SIMATIC S5 模块:
    在相关 SIMATIC S5 扩展单元中,可以寻址 SIMATIC S5-115U/-135U/-155U 的所有输入/输出模块。此外,在 S5 EU 或者直接在 CC 中(使用适配器)都可以使用 SIMATIC S5 的特定 IP 和 WF 模块。

扩展

若用户需要在应用中使用一个以上中央控制器时,则可以对 S7-400 进行扩展:

  • ***多 21 个扩展单元:
    可将***多 21 个扩展单元 (EU) 连接到中央控制器 (CC)。

  • 接口模块 (IM) 的连接:
    通过发送和接收 IM 来连接 CC 和 EU。发送 IM 插到 CC 中,相关的接收 IM 插到下游 EU 中可将***多 6 个发送 IM 插到 CC 中(其中***多 2 个带 5-V 电源),并可将***多 1 个 IM 插到 EU 中。每个发送 IM 均有 2 个接口,每个接口用于连接 1 条线路。可将***多 4 个 EU(不带 5-V 电源)或 1 个 EU(带 5-V 电源)连接到发送 IM 的每个接口。

  • 电源模块的固定插槽:
    必须始终将电源模块插在 CC 和 EU 中的***左侧。

  • 通过 C 总线进行的数据交换受限制:
    通过 C 总线进行的数据交换只能在 CC 和 6 个 EU(EU 1 至 EU 6)之间进行。

  • 集中扩展:
    建议用于小型配置和机器上的控制柜。也可以提供 5-V 电源。

    • CC 和***后一个 EU 之间的线路距离:1.5 m(带 5 V 电源)、3 m(不带 5 V 电源)。

  • 通过 EU 进行分布式扩展:
    建议在面积很大工厂内采用,其中,多个 EU 位于各个位置。可以使用 S7-400 EU 或 SIMATIC S5 EU。

    • CC 和***后一个 EU 之间的线路距离:对于 S7 EU,约 100 m;对于 S5 EU 约 600 m。

  • 注意 将 S5 扩展单元分布式连接到:
    IM 463-2 可在 S7-400 的 CC 中使用,IM 314 在 S5 EU 中使用。可将以下S5 EU 连接到 S7-400:

    • EG 183U

    • EG 185U

    • EG 186U

    • ER 701-2

    • ER 701-3

连接类型

(总)电缆长度

本地链路,具有 5-V 电源,通过 IM 460-1 和 IM 461-1 实现

1.5 m

本地链路,无 5-V 电源,通过 IM 460-0 和 IM 461-0 实现

5 m

远程链路,通过 IM 460-3 和 IM 461-3 实现

102.25 m

远程链路,通过 IM 460-4 和 IM 461-4 实现

605 m




  • ET 200 的分布式扩展:
    建议用于面积很大的工厂。通过 CPU 的 PROFIBUS DP 接口,可以连接含有***多 125 个总线节点的总线。CC 与总线上***后一个节点之间的距离:23 km(使用光缆)。

S7-400 通信

SIMATIC S7-400 具有不同的通信选项:

  • 组合了多点接口和 DP 主站,集成在所有CPU 中:
    用于同时连接编程器/PC、HMI 系统、S7-200 和 S7-300 系统以及其它 S7-400 系统。

  • 附加 PROFIBUS DP 接口,集成在多个 CPU 中,用于经济实用连接分布式 I/O 系统(例如,ET 200)。

  • PROFINET CPU 上的集成式 PROFINET 接口,用于连接到分布式 I/O 系统或与其它控制器和 PC 系统通信。

  • 通信处理器,用于连接到 PROFIBUS 总线系统和工业以太网。

  • 通信处理器,用于功能强大的点到点连接。

通过 PROFIBUS DP 进行过程通信

通过 S7-400-CPU 的集成式 PROFIBUS DP接口(可选),可将 SIMATIC S7-400 作为主站连接到 PROFIBUS DP。

以下设备均可作为 PROFIBUS DP 上的主站进行连接:

  • SIMATIC S7-400(CPU、CP 443-5)

  • SIMATIC S7-300 (CPU、CP 342-5 DP 或 CP 343-5)

  • SIMATIC C7(通过配有 PROFIBUS DP 接口的 C7,或通过 PROFIBUS DP CP)

虽然配有 STEP 7 的编程器/PC 或 OP 是总线上的主站,但它们仅使用也部分通过PROFIBUS DP 运行的 PG 和 OP 功能。

以下设备可作为从站连接:

  • 分布式 I/O 设备,例如ET 200

  • 现场设备

  • SIMATIC S7-200、S7-300

  • C7-633/P DP、C7-633 DP、C7-634/P DP、C7-634 DP、C7-626 DP

  • SIMATIC S7-400(仅通过 CP 443-5)

通过多点接口 (MPI) 实现数据通信

多点接口 (MPI) 是集成在 SIMATIC S7-400的 CPU 中的通信接口。

它用于:

  • 编程和参数设置

  • HMI

  • 建立涉及对等通信伙伴的简单网络拓扑

  • 可选择的连接选项:
    MPI 可以实现***多 32 个节点的同时连接:

    • 编程器/PC

    • HMI 系统

    • S7-200(作为从站)

    • S7-300

    • S7-400

    • C7

  • 内部通信总线(C 总线);
    通过 S7-400 的 C 总线以及 CPU 的 MPI 或 DP 接口,可以寻址带有 C 总线接口的通信处理器和功能模块。这样就可以从编程器直接访问 C 总线上连接的模块。通过接口模块,可将***多 6 个扩展单元连接到 C 总线。

  • MPI 的性能数据:

    • ***多 32 个 MPI 节点

    • 数据传输速率高达 12 Mbps

  • 灵活的安装选件:
    使用性能可靠的组件建立 MPI 通信:PROFIBUS 和“分布式 I/O”产品系列中的总线电缆、总线连接器和 RS 485 中继器 (12 Mbps)。
    可通过组件实现调整以满足具体要求。例如,任意两个 MPI 节点之间***多可以串入 9 个中继器以连接更大距离。

  • DP 主站:
    也可将 S7-400 的 MPI 配置为 DP 主站。随后可以连接***多 32 个传输速率为 12 Mbps 的 DP 从站。从而保留编程功能和人机界面功能。

通过 CP 实现数据通信(点到点)

通过 CP 441 通信处理器,可以实现功能强大的点到点连接。

  • 可连接各种设备,例如:

    • PC

    • SIMATIC S5/S7

    • 工业 PC

    • 其它厂商的 PLC

    • 扫描仪、条形码阅读器、识别系统

    • 机械手控制装置

    • 打印机

  • 可变接口:
    通过可更换的接口模块,可以使用不同传输介质进行通信:

    • 20 mA (TTY)

    • RS 232C (V.24)

    • RS 422/485

通过 CP(PROFIBUS 或工业以太网)实现数据通信

通过 CP 443-x 通信处理器,可以将 SIMATIC S7-400 连接至 PROFIBUS 和工业以太网总线系统。

例如包括:

  • SIMATIC S7-200(通过 PROFIBUS)

  • SIMATIC S7-300

  • SIMATIC S7-400

  • SIMATIC S5-115U/H、S5-135U、S5-155U/H

  • 编程设备

  • PC

  • SIMATIC HMI 人机界面系统

  • 数控装置

  • 机械手控制装置

  • 工业 PC

  • 驱动控制装置

  • 其它厂商的设备

S7-400H

SIMATIC S7-400H 包括以下组件:

  • 2 个中央控制器:
    2 个单独的 UR1/UR2 中央控制器,或一个分隔式中央控制器 (UR2-H) 上的 2 个区域。

  • 每个中央控制器有两个同步模块,用于通过光缆连接两个设备。

  • 每个中央控制器 1 个 CPU 412-5H、1 个 CPU 414-5H、1 个 CPU 416-5H 或 1 个 CPU 417-5H。

  • 中央控制器中具有 S7-400 I/O 模块。

  • UR1/UR2/ER1/ER2 扩展单元和/或带有 I/O 模块的 ET 200M 分布式 I/O 设备。

中央功能采用冗余设计。可将 I/O 组态为常规可用性型和切换型。

通常可用的 I/O(单侧配置)

在单侧配置中,I/O 模块具有单通道设计,仅由两个中央控制器中的一个来寻址。单侧 I/O 模块可插到中央控制器和/或扩展单元/分布式 I/O 设备中。

在 I/O 寻址设备工作正常的情况下,从单侧读入的信息始终提供给两个中央控制器。发生故障时,受影响的中央控制器的 I/O 模块将停止工作。

单侧配置用于:

  • 不需要很高可用性的工厂部分。

  • 连接基于用户程序的冗余I/O。此时,必须对系统进行对称设置。

高可用性(切换式配置)

在切换式配置中,I/O 模块采用单通道设计,但它们将由两个中央控制器通过冗余 PROFIBUS DP 来寻址。在切换式配置中运行的 I/O 模块只能插到 ET 200M 分布式 I/O 设备中。

通过 PROFIBUS DP 连接到中央控制器。

I/O 冗余

冗余 I/O 模块以冗余方式成对配置。使用冗余 I/O 可以实现程度的可用性,因为通过这种方式,可以承受 CPU、PROFIBUS 或信号模块出现故障。

可进行实现以下配置:

  • 单侧 DP 从站采中采用冗余 I/O

  • 切换式 DP 从站采用冗余 I/O

适宜的 I/O 模块

相互冗余的模块必须为同一类型和设计形式(例如,均为集中式或均为分布式)。不对插槽进行规定。不过,出于可用性原因,建议在不同的站中使用。关于可以使用的模块,请咨询系门子客户支持部门或参阅相关手册。

FM 和 CP 冗余

功能模块 (FM) 和通信处理器 (CP) 可在两种不同配置中使用:

  • 切换式冗余配置:
    可以双重连接 FM/CP 以将 ET 200M 或一个交换式 ET 200M 分离。

  • 双通道冗余配置:
    可将 FM/CP 插到两个子单元中或插到与子单元相连的扩展单元中(参见单侧配置)。

此时可以不同方式实现模块冗余:

  • 由用户编程:
    在功能模块和 SIMATIC 通信处理器上,通常可由用户对冗余功能进行编程。将会确定主动模块并检测可能的故障以执行切换。所需的程序与配有冗余 FM/CP 的单个 CPU 的程序一致。

  • 由操作系统直接提供支持。
    对于 SIMATIC NET-CP 443-1,操作系统直接支持冗余。有关详细信息,请参见“通信”下面的内容。

S7-400F/FH

故障安全型 S7-400F/FH 自动化系统可根据需求进行不同配置:

单通道、单侧 I/O,用于 S7-400F

工厂需要使用故障安全型控制器。无需容错。需要下列部件:

  • 1 个 CPU 414-4H/417-4H,含 F-Runtime 许可证。

  • 1 条 PROFIBUS DP 总线。

  • 带有 IM 153-2 的 ET 200M。

  • 故障安全信号模块,采用非冗余设计。

发生故障时,I/O 不再可用。故障安全信号模块被禁用。

单通道、切换式 I/O,用于 S7-400FH

工厂需要使用故障安全型控制器。CPU 侧需要有容错功能。需要下列部件:

  • 2 个 CPU 414-4H/417-4H,含 F-Runtime 许可证。

  • 2 条 PROFIBUS DP 总线。

  • 1 个 ET 200M ,带 2 个 IM 153-2(冗余)。

  • 故障安全信号模块,采用非冗余设计。

若 CPU、IM 153-2 或 PROFIBUS DP 总线出现故障,控制器仍保持可用。在故障安全信号模块或 ET 200M 出现故障时,I/O 不再可用。故障安全信号模块被禁用。

冗余、切换式 I/O,用于 S7-400FH

工厂需要使用故障安全型控制器。CPU 侧和 I/O 侧需要容错功能。需要下列部件:

  • 2 个 CPU 414-4H/417-4H,含 F-Runtime 许可证。

  • 2 条 PROFIBUS DP 总线。

  • 2 个 ET 200M,带 2 个 IM 153-2(冗余)。

  • 故障安全信号模块,冗余设计。

在 CPU、IM 153-2 或 PROFIBUS DP 总线、故障安全信号模块或 ET 200M 出现故障时,控制器仍保持可用。

在 S7-400F/FH 自动化系统中,也可以使用标准模块。这些设备不能与故障安全模块在同一个 ET 200M 中一起使用。

通信

中央控制器和 ET 200M 之间的安全相关通信和标准通信是通过 PROFIBUS DP 实现的。通过专门开发的 PROFIBUS 行规 PROFIsafe,可在标准数据报文中传输与安全功能相关的用户数据。无需附加的硬件组件,如专用安全总线。所需的软件既可以作为操作系统的扩展功能集成在硬件组件中,也可作为经过认证的软件块装载到 CPU 中。

带有隔离模块的安全等级

在 ET 200M 中隔离模块具有以下优点:

  • 可以使用铜质总线电缆来建立 PROFIBUS DP 总线。没有必要使用光纤电缆。

  • 每个 IM 153-x 都可以使用。

  • 在一个 ET 200M 中,可以混合使用安全模式下的故障安全信号模块和 S7-300 标准模块。

若需要取得安全等级 SIL 2,则无需使用隔离模块。







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