1.4.1 S7-400 PLC设计综述

西门子S7-400是用于中、高档性能范围的PLC，具有模块化及无风扇的设计、坚固耐用、容易扩展和广泛的通信能力、容易实现分布式结构、操作界面用户友好等特点。

S7-400 PLC具有功能逐步升级的多种级别CPU，带有各种用户友好功能的种类齐全的功能模板，使用户能够构成最佳的解决方案，满足自动化的任务要求。即使当控制任务变得更加复杂时，S7-400 PLC控制系统都可以逐步升级，而不必过多地添加额外的模板。

S7-400 PLC已经在以下领域有了广泛的应用：通用机械工程、汽车工业、立体仓库、机床与工具、过程控制控制技术与仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造和专用机械等。

S7-400 PLC系统采用模块化设计，其扩展和配置能够按照用户项目不同的需求而进行灵活组合。图1-21所示为S7-400 PLC示意图。该系统包括电源模板，中央处理单元（CPU），各种信号模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM），接口模板（IM），SIMATIC S5模板等。

在扩展配置上，S7-400 PLC最多有21个扩展单元（EU）可以连接到中央控制器，扩展的途径包括：通过接口模板连接（IM）、集中式扩展、用扩展单元（EU）进行分布式扩展、用ET 200进行远程扩展等。

表1-4为西门子公司目前推出的常见S7-400 CPU的技术指标对比情况，其中带有V6固件的新S7-400 PN CPU于2010年8月27日起正式发布，其显著特点是具有更高的运算速度和更大的工作内存。

从表1-4中可以看出，西门子S7-400具有大范围的可选CPU，大大增加了性能级别的可用性：

1）CPU 412-1、CPU 412-2和CPU412-2 PN用于中等性能范围的小型自动化系统。

2）CPU 414-2、CPU 414-3和CPU412-3 PN/DP适合于中等性能范围的自动化系统，它们满足对程序规模和指令处理速度以及复杂通信的更高要求。

3）CPU 416-2、CPU 416-3和CPU416-3 PN/DP安装于高性能范围中的各种高要求的场合。

4）CPU 417-4适用于更高性能范围的最高要求的场合。

1.4.2 S7-400 PLC的硬件组成

1.机架

机架构成SIMATIC S7-400 PLC的机械框架，它主要为模板提供电源，并通过背板总线将各个模板连接在一起。机架设计为壁挂式，可以安装在框架内或安装在机柜内。图1-22所示为安装有模块的机架，其中PS为电源模块、CPU为处理器模块、SM为信号模块（如输入输出模块等）。

配置SIMATIC S7-400 PLC有多种形式的机架，如图1-23所示。

1）UR1和UR2机架：用于中央控制器和扩展单元。

2）CR2机架：用于有分隔的中央控制器（2个CPU在单一机架内彼此独立地并行运行）。

3）ER1和ER2机架：用于有信号模板的扩展单元。

4）UR2-H机架：用于S7-400H。

2.西门子S7-400 PLC电源

常见的有PS 405、PS 407电源等，用于对S7-400 PLC的供电，即将用于将AC或DC进线电压转换为背板总线所需的DC 5V和DC 24V，进线电压可以是85～264V的交流电源或者19.2到300V的直流电源。一般情况下每个机架均需要电源模板，除了包含有电源传输的接口。必须注意的是传感器和执行器用的负载电压应单独提供。

3.西门子S7-400 PLC总线

S7-400 PLC的背板总线是并行I/O总线，又称为P总线，用于CPU与输入输出模块、功能模块等进行高速数据交换，它集成在所有机架上（除了ER1和ER2扩展机架上）。

1.4.3 S7-400 PLC的特色

1.容错自动化系统S7-400H

当S7 Software Redundancy（软件冗余性）可选软件在S7-400标准系统上运行时，生产过程一旦出现故障时，在几秒内就能切换到替代系统，即为S7-400H系统。

如图1-24所示为S7-400H冗余控制系统，其S7-400H主要器件都是双重的：CPU、电源模块以及连接两个CPU的硬件……每个机架上都有S7 I/O模块，也可以有扩展机架或ET200M分布式I/O。S7-400H可以使用系统总线或点对点通信，支持PROFIBUS或工业以太网的容错通信。

S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余原理，在发生故障时，无扰动地自动切换。两个控制器使用相同的用户程序，接收相同的数据，两个控制器同步地更新内容，任意一个子系统有故障时，另一个承担全部控制任务。

2.安全型自动化系统S7-400F/FH

1）S7-400F：安全型自动化系统，出现故障时转为安全状态，并执行中断，其外观如图1-25所示。

2）S7-400FH：安全及容错自动化系统，如果系统出现故障，生产过程能继续执行。S7-400F/FH使用标准模块和安全型模块，整个工厂用相同的标准工具软件来配置和编程。

3.多处理器运行环境

所谓多处理器运行环境，是指多个CPU在一个S7-400中央控制器中同时运行，如图1-26所示，这为用户带来了很多好处：

1）多处理器运行实现了S7-400整体性能的分享，如类似开环控制、计算或通信等复杂的技术功能任务可以分配至不同的CPU。每个CPU都可以有专用的本地I/O。

2）在多处理器运行中，还可将某些进程相互断开，如一个CPU处理对时间要求严格的进程，另外一个处理对时间要求不严格的任务。

在多处理器运行操作中，所有CPU作为单个CPU运行，即当一个CPU进入“STOP”状态时，其他CPU也将停止。同步调用会有选择性地发出指令协调多个CPU的动作。此外，这些CPU之间的数据交换通过“全局数据”机制以非常高的速度进行。