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S7-400冗余控制器

兩種總線形式的創新型冗余控制器

說明

SIMATICS7-400 PNH系統可以根據具體應用需求量身定制：性能可擴展、的冗余度可靈活組態，安全功能易于集成。集成PROFINET接口，可冗余連接I/O設備，或者通過PROFIBUS連接I/O設備，實現工廠級通信。無論何種應用，使用SIMATIC S7-400 PNH，均可在熟悉的STEP7 工程環境中，進行便捷而有效的編程和組態。

應用

■ 避免控制器故障引起的停機。主要用于生產、能源、供水系統、機場助航照明、編組站系統等領域。

■ 避免因工廠故障造成數據丟失而導致的高昂重啟成本。主要用于行李處理、高架倉庫、跟蹤和追溯等領域。

■ 在工廠或機器停機時保護工廠、工件和材料。主要用于爐子、半導體、船舶等領域。

■ 無監督和維修人員亦能保障正常運行。主要用于污水處理廠、隧道、船閘、樓宇系統等領域。

效益

簡單、高效的工程組態

與在標準系統中一樣，SIMATIC S7-400H 可以使用所有 STEP 7 編程語言進行編程。可以很容易的把程序從標準系統遷移到冗余系統中，反之亦然。當加載程序時，它會自動傳送到兩個冗余控制器中。使用 STEP 7，可以對特定冗余功能和配置進行參數設置。

出色的診斷和模塊更換優勢  

■  利用集成的自我診斷功能，系統可以提前檢測故障和發送信號，避免故障對生產過程產生影響。這樣可以有針對性地替換故障組件，加快維修進程。

■   可以在系統運行過程中對所有組件進行熱插拔。更換一個 CPU 后，當前的所有程序和數據可以自動重新裝載。

■   即使在系統運行過程中，也可以修改程序（例如，程序塊的修改和重新裝載），更改配置（例如，增加或刪減 DP從站或模塊）以及改變 CPU 的內存分配。

設計和功能

根據統計數字表明，所有自動化組件（無論是機械式、機電式，還是電子式）都會出現故障。因此，工廠維護和工廠改造也就必不缺少。在實際應用中，期待的可用性是不現實的。
通過西門子 SIMATIC S7-400H，能夠大限度地降低生產故障機率，生產率。

SIMATIC S7-400H 具有以下功能：

■ 出現故障時，能夠無擾切換

■ 集成故障檢測功能；提前檢測故障，避免影響生產過程

■ 在線維護，即可在工廠運行期間，更換故障組件

■ 組態更改，即可在工廠運行期間，進行工廠擴容

■ 自動事件同步

■ 高可用性通信

■ 冗余連接I/O 設備

S7-400 標準控制器

要求嚴格任務用的控制器

說明

有一系列從入門級CPU直到高性能CPU，用于配置控制器。所有CPU控制大量結構;多個CPU可以在一個多值計算配置中一起工作以提高性能。由于CPU的高處理速度和確定性的響應時間，可縮短機器的循環周期。

不同的CPU具有不同性能，例如，工作存儲器，地址范圍，連接數量和執行時間。十款款標準的CPU，集成PROFIBUS、PROFINET 總線接口。

應用

S7- 400尤其適合于加工工業中的數據密集型任務。高處理速度和確定性的響應時間，縮短高速機械制造業設備控制的循環周期。

S7 - 400用于整體協調各種設備，控制低級別的系統。這是由高速通訊能力和集成接口來保證的。

在S7- 400的許多器件也可用于環境條件下的SIPLUS版本。

S7-400 的成功應用如下：

1. 汽車工業
2. 標準機械設備制造包括定制的機械設備制造
3. 倉儲系統
4. 建筑工程
5. 鋼鐵行業
6. 發電和配電
7. 造紙和印刷業
8. 木工
9. 紡織業
10. 醫藥制品
11. 食品和飲料行業
12. 處理工程，例如水和廢水處理設施
13. 化工和石化

效益

由于采用各種級別的CPU，S7-400可以靈活擴展升級；I/O能力幾乎是無限的。

強大的CPU允許集成新的功能，無需額外硬件投資，例如處理質量數據，用戶友好的診斷，到更高層次的MES解決方案或通過總線系統的高速通訊。

可以以模塊化的方式構建S7 - 400，有各種用于集中配置和分布式結構的模塊，以實現處理備件方面的低成本。

在操作過程中可以修改S7- 400 的分布式I/O配置（在運行中配置）。另外在工作時還可以刪除和插入信號模塊（熱插拔）。這使得很容易擴展系統或出現故障時替換模塊。

項目的完整數據存儲包括CPU上的符號和注釋，簡化了服務和維護過程。

可以將安全技術和標準自動化集成到一個單一的S7- 400控制器，可以通過S7- 400的冗余結構增加設備的可用性。

S7- 400的許多器件也可用于外部環境條件SIPLUS版本，例如：擴展溫度范圍（-25+60°C）和在惡劣環境/冷凝條件下使用。

S7- 400的高速背板總線確保集中式I/ O模塊的高速通訊。

設計和功能

模塊化

S7 - 400的一個重要特點是它的模塊化。S7- 400的高速通訊背板總線和允許直接插入CPU集成的DP接口，允許多條通訊線路的高性能運行。例如，把一根總線用于HMI通訊和編程任務，一根總線用于高性能運動控制，一根總線用于普通I / O現場總線通訊。
此外，也可以實現另外連接到MES-/ERP系統或通過SIMATIC IT連接到互聯網的需要。根據任務情況，可對S7 – 400進行集中擴展或分布式配置。附加設備和接口模塊也可集中用于此目的。在CPU中集成的PROFIBUS或PROFINET接口上也可實現分布式擴展。如果需要，也可以使用通訊處理器（CP）。

設計

設計一個S7 - 400系統基本上包括機架，電源，和中央處理單元。它可以以一個模塊化的方式安裝和擴展。所有的模塊都可以自由地放置在左側插入的電源旁邊。S7- 400具有無風扇的堅固設計。信號模塊可以熱插拔。一個多層面的模塊范圍可用于中央擴展以及具有ET200的分布式拓撲結構的簡單配置。
在集中式擴展中，額外安裝機架直接連接到中央控制器。

除了標準的安裝機架，也提供9槽和18槽鋁合金安裝機架。這些鋁機架可以很高地耐受不利環境條件，緊固耐用，重量輕25％左右。

多值計算

多值計算，也就是在一個S7- 400中央控制器中的幾個CPU的同時操作，為用戶提供不同的益處：

可通過多值計算共享的S7 - 400的整體性能。例如，在技術復雜的任務中，如開環控制，可以將計算機或通訊分割和分配給不同的CPU每個CPU分配給自己的，用于此目的本地輸入/輸出。
有些任務也可以從每個多值計算方式中斷開，一個CPU處理關鍵時間的處理任務，另一個處理非關鍵時間的任務。
在多值計算操作中，所有的CPU的運行行為像一個CPU，也就是說，當一個CPU進入STOP狀態，其他的也停止。幾個CPU的動作可以通過同步指令選擇性地協調調用。此外，CPU之間的數據交換通過高速的全局數據通訊機制。

數據/程序存儲器

從精細分級的各種CPU中選擇合適的CPU取決于集成工作存儲區的大小。集成裝載存儲器（RAM）足以滿足中小型企業方案。對于大型程序，通過插入RAM或FEPROM存儲卡增大裝載內存（64 KB到64 MB）。

特殊功能

S7- 400 CPU有一些非常有用的特殊功能：

從工程工作站通過網絡更新固件實現更簡單和快速的升級
通過一個系統功能實現額外的寫保護（例如沒有從PC器件下載到CPU）
通過讀取存儲卡的序列號獲得保護，因此，保證了程序只與特定的存儲卡一起運行

集成的路由功能允許在不同總線系統和網絡問數據記錄，例如控制級PC可以通過S7 -400控制器與連接在PROFINET或者PROFIBUS接口上的現場設備進行通訊。

SIMATIC S7-400 信號模塊

描述

信號模塊是控制器進行過程操作的接口。許多不同的數字量和模擬量模塊根據每一項任務的要求，準確提供輸入/輸出。數字量和模擬量模塊在通道數量、電壓和電流范圍、電絕緣、診斷和警報功能等方面都存在著差別。S7-400 信號模塊不僅是能夠在中央機架擴展，而且可以通過 PROFIBUS DP 連接到 S7-400 中央控制器。支持熱插拔，這使更換模塊變得極其簡單。

設計和功能

安裝簡便

通過前連接器連接傳感器/執行器。更換模塊后，只需將前連接器插入相同類型的新模塊中，并保留原來的布線。前連接器帶自動編碼功能可避免發生錯誤。S7-400 也可以檢測前連接器是否已插入。

快速連接

SIMATIC TOP 連接使連接變得更加簡單、快速。可使用預先裝配的帶有單個電纜芯的前連接器，和帶有前連接器模塊、連接線纜和端子盒的完整插件模塊化系統。

高組裝密度

模塊中為數眾多的通道實現了節省空間的設計。例如，可使用帶有 16 至 32 個數字通道和 8 至 16 個模擬通道的模塊。

簡單參數設置

使用 STEP 7 對這些模塊進行組態和參數設置，并且不需要進行不便的轉換設置。數據進行集中存儲，如果更換了模塊，數據會自動傳輸到全新模塊，避免發生任何設置錯誤。使用新模塊時，無需進行軟件升級。可根據需要復制組態信息，例如用于標準機器。

診斷、中斷

許多模塊還會監控信號采集（診斷）和從過程（過程中斷，例如邊沿檢測）中傳回的信號。這樣便可對過程中出現的錯誤（例如斷線或短路）以及任何過程事件（例如數字量輸入時的上升沿或下降沿）立刻做出反應。使用 STEP 7，即可輕松對控制器的響應進行編程。在數字量輸入模塊上，每個模塊可以觸發多次中斷。

S7-400 功能模板

描述：

多種S7-400 系列 功能模板可以進行模塊定制來滿足多變的任務。

除了帶有集成功能和接口的 CPU，還有豐富的采用 S7-400 設計的特殊模塊供技術使用。

應用范圍

1. 木材、玻璃、石料和金屬加工
2. 包裝機械
3. 印刷
4. 一般機器制造
5. 機床
6. 紡織機
7. 橡膠和塑料行業
8. 工廠

效益

1. 高等級的精度和動態響應
2. 帶有豐富功能的和通用模塊
3. 不涉及 CPU，因為功能保存在每個模塊的固件里
4. 快速的響應時間（確定性的動態響應）
5. 使用組態工具進行工程組態，集成到 STEP 7 中

設計和功能

功能模塊是能夠執行技術任務并因此降低 CPU 負荷的智能模塊。它們可以使用在需要高等級的精度和動態響應的應用中。

S7-400 通訊處理器

描述

通訊處理器用于將 S7-400 連接到不同的總線系統/通訊網絡，也用于點對點的連接。

作為總線系統的替代品，借助通訊處理器 (CP) 實現的點對點連接功能非常強大且成本較低。當僅要將幾個 (RS 485) 設備連接到 SIMATIC S7 時，與總線系統相比，點對點鏈路的優勢是極為明顯的。

通訊處理器也能夠輕松地將第三方系統連接至 SIMATIC S7-400 系統中。由于 CP 具有很高的靈活性，因此可以執行不同的物理傳輸介質、傳輸速度，甚至是自定義的傳輸協議。對每一個 CP 都有一個組態包。組態包中帶有電子手冊、參數化屏幕表單和用于 CPU 和 CP 之間通訊的標準功能塊。組態數據存儲在系統塊中并在 CPU 中備份。因此，在更換模塊后，新模塊馬上就可以使用。

借助S7-400 點對點鏈路模塊，針對不同的物理傳輸介質，只需要插入相關的接口子模塊，而無需外部轉換器。

1. 應用
2. 通訊模塊允許將 SIMATIC S7-400 連接到以下位置（舉例）：
3. SIMATIC S7 和 SIMATIC S5 PLC 和許多其它制造商的系統
4. PC、編程設備和 HMI 設備
5. 現場設備
6. 掃描儀和條形碼識別器
7. 測量系統
8. 秤重設備

S7-400 產品附件

安裝機架

機架設計為壁掛式，可以安裝在框架內，或者安裝在機柜內。它有以下功能：為模板提供機械支持、為模板提供電源、通過背板總線將各個模板連接在一起。

配置SIMATIC S7-400有多種形式的機架：

- UR1 和 UR2，用于中央控制器和擴展但愿

- CR2，用于有分割的中央控制器

- ER1 和 ER2，用于有信號模板的擴展單元

- UR2-H，用于冗余系統

電源模板

電源模板用于轉換220V AC或24V DC，通過背板總線向S7-400 提供5V DC和24V DC。采用冗余電源時，標準系統和容錯系統可作為*安全系統運行。

- 發光二極管用于指示內部故障，5V、24V及后備電池

- 一個故障確認按鈕

- 輸出電壓的通斷開關

- 一個后備電池安裝部件

- 一個電池監視開關

- 一個系統電壓選擇開關

存儲卡

在S7-400 CPU中可以使用的存儲卡有兩種：一種是RAM卡，用于只需要擴展CPU集成的裝載存儲器，并且需要經常修改程序的狀況；另一種是FEPROM卡，用于需要在存儲卡上存儲用戶程序，即使掉電程序也不會丟失，或者在CPU之外使用擴展卡。

為了滿足應用需求，RAM卡和FEPROM卡大存儲容量均達到64M。

電池

對于使用RAM擴展裝載內存的用戶，可以通過使用后備電池，使CPU在斷電情況下保持用戶程序。

IF-964 PROFIBUS DP 模板

每個S7-400 CPU 可以插入一個或者兩個IF-964 接口模板，用于連接PROFIBUS DP 作為主站，通過9針Sub-D 插座連接，傳輸速率達到9.6 kbit/s 到12Mbit/s。

接口模板

S7-400 系統擴展支持本地擴展和遠程擴展兩種方式。根據擴展方式的不同，選用的接口模板、連接電纜、傳輸距離也有所不同。

- 集中式擴展，長距離3m，采用 IM460-0 和 IM461-0

- 集中式擴展，長距離1.5m，采用 IM460-1 和 IM461-1

- 分布式擴展，遠距離100m，采用 IM460-3 和 IM461-3

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鑒于西門子現有的eAircraft業務，這個項目對于西門子而言意味著什么？

Frank Anton：繼我們2016年與空客達成合作伙伴關系之后，這架大型飛行測試機將是eAircraft邁向混合動力電動飛機未來的一大步 。通過在飛行中測試這架測試機及其電力推進系統，我們將學會如何讓這項性創新技術在航空1域大顯手。

歸功于我們現有的面向無人機以及超輕型和輕型運動類飛機的驅動系統，我們已經涉足航空1域。不久前，我們還推出一個用于城市電動空中出租 CityAirbus的電機原型。

現在，我們正充分運用在研發這些輸出功率級別的電機過程中積累的經驗，研制適用于座位數在50到100之間的混合動力電動商用飛機的解決方案。 這一發展將促使航空客運降低噪聲，同時更具可持續發展性。

你們的計劃究竟是什么呢？

Wulf Roscher：eAircraft迄今為止開發的電力推進系統，譬如，我們“創紀錄的驅動系統”，已經擁有高達250千瓦的輸出功率。但現 在，我們正在開發適用于支線飛機的2兆瓦電力推進系統，其功率約為Extra 330LE驅動系統的8倍。支線飛機機翼上將安裝4到8個這樣的電機，為飛機的螺 旋槳或渦扇提供動力。這架飛行測試機的電力推進系統將從由機載渦輪機驅動的發電機獲得動力。起飛和爬升的動力則來自擁有700千瓦輸出功率的鋰離子 電池。

Anton：我們的目標是及時將測試機的4個渦輪噴氣發動機中的一個，更換為2兆瓦電力推進系統，以按計劃在2020年實現首飛。這將 是這樣的大功率電機用于推進飛機！我們可以設想，在隨后的測試中，我們將再把一個渦輪發動機更換為電力推進系統。

這樣強勁的驅動系統會不會很重、很占空間呢？盡管電動交通益處良多，但這樣的驅動系統是否高效呢？

Roscher：得益于我們在輕量化工程和高科技材料等1域開展的大量研究工作，我們將大幅降低驅動系統的尺寸和重量。盡管我 們之前的創紀錄電機已經能夠持續實現高達5.2千瓦/公斤的功率密度，我們仍希望新的2兆瓦電機可以進一步大幅提升這一性能。

Anton：秘訣不在于材料或拓撲。我們所談論的這種超輕型推進系統之所以能夠研發并制造成功，*是西門子PLM仿真軟件 SimcenterTM的功勞，它將所有已知的物理和技術影響納入考慮范圍。利用這項技術，我們通過迭代創建出1化雙胞胎，從而以虛擬方式優化我們的原型 機。這不僅加快了研發過程，也讓我們打造出更為強大的電機。

Franz K?binger說：“目前，樹立信任是1化取得成功的關鍵標準。”他對此深有體會。作為西門子1化企業業務部的營銷經理，他非常了解他的客戶，他意識到，對于許多公司而言，在邁向1化之前，仍有很高的門檻尚待跨越。他說：“然而，1化可以釋放出巨大潛力，讓所有人從中受益。”當前發展1實了這一觀點：2017年，約有84億臺設備接入互聯網。據預測，到2020年，這一1將增至204億。未來，這將促使工業界持續提高質量標準，提高生產過程的靈活性和成本效益。

K?binger補充道，“盡管如此，許多人擔心，網絡在實現這種連接的同時，也出現了薄弱點。”這樣的擔憂不無理由。據估算，2017年網絡攻擊造成的損失超過5000億歐元。相互連接的設備和機器越多，如物聯網（IoT）就是這種情況，受到1攻擊的危險似乎就越大。

面向第四次工業革命的創新技術：在位于德國埃爾蘭根的西門子電子制造工廠，它們已經成為現實。這座工廠成功的一個關鍵原因是人與機器攜手合作。

目標：助力1化取得成功

顯然，只有當我們成功地為數據和連接系統設立高安全標準時，我們才可能釋放出1化轉型的巨大潛力。1化和網絡安全是一枚的兩面。換言之，網絡安全之所以成為企業的關鍵要素，原因正在于1化。K?binger指出，“如今，沒有人能夠獨力應對網絡安全的艱巨挑戰。為了確保用戶能夠安全地使用產品，整條產業鏈上的所有參與者都應同意遵守共同標準。”

為此，在2018年慕尼黑安全會議上，西門子發起了《信任憲章》倡議，以構建安全的1世界，朝著更多合作、更透明的1化世界邁出重要一步。這一步備受關注，因為現在已有12個合作伙伴簽署《信任憲章》。感興趣的公司數量正迅猛增長。

盡管《信任憲章》仍在發展之中，但西門子已經完成其中規定的部分任務。西門子是一家軟件和1服務營收高達52億歐元的公司，已經有超過100萬臺設備連接至MindSphere。因此，它亟需提高安全水平，以跟上日益增長的1業務組合的步伐。工業安全與西門子業務息息相關，《信任憲章》有兩個重要主題涉及這個1域：“1供應鏈責任”和“工廠設置的網絡安全”。這兩個主題緊密交織，二者都要求簽署人確保在物聯網的每一層提供保護。

“深度防御”——西門子的整體性安全概念

Franz K?binger說：“西門子已經對這些要求作出響應。我們的應對之道名為深度防御。這是我們提出的工業安全概念。您不妨將之設想成洋蔥的許多層。就這個比喻而言，我們用多個防御層來保護洋蔥內部，意即整座工廠及其所有要素，包括有關網絡。創建單個要素的過程中，換句話說，產品開發過程中，已經將安全事項納入考慮。我們稱之為安全設計。”

K?binger認為，“每座工廠各不相同，但有一些原則應當始終牢記。”保障工業設施安全必須遵循三個基本步驟。步是確保工廠的總體安全——也就是說，工廠應設置進出門禁，采取諸如安全政策等組織措施，以及監測工廠的異常情況，這些異常可能表明工廠受到網絡攻擊。步是保護網絡安全，包括安裝防火墻和數據傳輸加密。第三步側重于系統完整性——換句話說，保護單個終端和系統，防止個人非法訪問和非法更改。這樣一來，潛在攻擊者必須突破多重阻礙的組合，這比僅僅破解單獨的安全措施要困難得多，耗時亦更長。

友好1：主動迎接考驗

此外，西門子有一支專門的CERP團隊（網絡應急準備小組）負責執行自我監測過程。這個部門使用“友好1”方法來測試西門子自有產品和解決方案，以及公司的內部IT基礎設施。此外，當報出薄弱點或事故時，也會調用這支專家小組。這時，專家們將檢查是否有任何西門子產品受到影響，并確定是哪個產品受到影響，以便盡快提供安全更新程序。按照《信任憲章》規定，這種情況下，西門子將及時告知行業客戶所有薄弱點，并提供安全更新程序和糾正措施。K?binger說：“要想消除薄弱點，保持透明度至關重要。一旦發現問題，我們將及時告知客戶并提供解決方案。”無論問題嚴重程度如何，結論總是一樣的：“我們只有同心協力，才能保護1基礎設施。”