湖南亞貝納自動(dòng)化設(shè)備有限公司    

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西門子CPU314C-2DP模塊

本著“以人為本、科技先導(dǎo)、顧客滿意、持續(xù)改進(jìn)”的工作方針，致力于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程配套和系統(tǒng)集成，擁有豐富的自動(dòng)化產(chǎn)品的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及雄厚的技術(shù)力量，尤其以PLC復(fù)雜控制系統(tǒng)、傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控備品備件、人機(jī)界面及網(wǎng)絡(luò)/軟件應(yīng)用為公司的技術(shù)特長(zhǎng)，幾年來(lái)，公司在與德國(guó) SIEMENS公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)部門的*緊密合作過(guò)程中，建立了良好的相互協(xié)作關(guān)系，在可編程控制器、交直流傳動(dòng)裝置方面的業(yè)務(wù)逐年成倍增長(zhǎng)，為廣大用戶提供了SIEMENS的新技術(shù)及自動(dòng)控制的解決方案。

專業(yè)銷售代理西門子S7-200/300/400/1200/1500PLC、（備有大量現(xiàn)貨 包括部分已經(jīng)停產(chǎn)型號(hào)庫(kù)存）數(shù)控系統(tǒng)、變頻器、人機(jī)界面、觸摸屏、伺服、電機(jī)、西門子電線電纜、西門子軟件等,并提供供西門子plc模塊維修服務(wù).

支持中國(guó)轉(zhuǎn)型升級(jí)，讓關(guān)鍵所在，逐一實(shí)現(xiàn)
中國(guó)已進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”格局，企業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)刻。西門子以客戶面臨的挑戰(zhàn)為驅(qū)動(dòng)力，憑借的工程技術(shù)與創(chuàng)新能力，以優(yōu)秀的電氣化、自動(dòng)化和數(shù)字化產(chǎn)品，解決方案和服務(wù)，為客戶帶來(lái)更大價(jià)值——更強(qiáng)的靈活性，更高的效率，更快的上市時(shí)間，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。我們將這種力量稱之為“博大精深，同心致遠(yuǎn)”。  

西門子PLC連接線提高能源效率，中國(guó)位置舉足輕重西門子PLC模擬量AI/AO模塊

西門子CPU314C-2DP模塊

概述

• 帶集成的數(shù)字量和模擬量輸入/輸出的緊湊型 CPU
• 對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力
• 用于通過(guò) PROFIBUS 和 PROFINET 進(jìn)行分布式 I/O 連接。
• 組合 MPI/PROFIBUS DP-主/從接口
• 用于 2 端口交換機(jī)的 PROFINET 接口
• PROFINET I/O 控制器，用于在PROFINET上運(yùn)行分布式I/O
• PROFINET I-Device，用于連接作為智能 PROFINET 設(shè)備、帶 SIMATIC 或第三方 PROFINET I/O 控制器的 CPU
• 在PROFINET上實(shí)現(xiàn)基于組件的自動(dòng)化(CBA)
• PROFINET 代理，用于基于組件的自動(dòng)化（CBA）中的 PROFIBUS DP 智能設(shè)備
• 集成 Web 服務(wù)器，帶有創(chuàng)建用戶定義的 Web 站點(diǎn)的選項(xiàng)
• 經(jīng)由 PROFIBUS 的等時(shí)同步模式

CPU 運(yùn)行需要 SIMATIC 微存儲(chǔ)卡(MMC)。

應(yīng)用

CPU 314C-2 DP 是緊湊型 CPU，適合安裝在分布式結(jié)構(gòu)中。通過(guò)其擴(kuò)展工作存儲(chǔ)器，該緊湊型CPU也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。集成的數(shù)字量和模擬量輸入和輸出可與過(guò)程信號(hào)直接連接。集成的 的PROFIBUS DP 主站/從站以及 PROFINET IO 控制器/I-設(shè)備接口，用于 PROFIBUS 和 PROFINET 的分布式連接。這使得 CPU 314C-2 PN/DP 可作為進(jìn)行快速處理的分布式單元使用，也可作為 PROFIBUS 和 PROFINET 系統(tǒng)中具有低端現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的上位控制器。

集成技術(shù)工程的其他用途包括：

• 計(jì)數(shù)
• 頻率測(cè)量
• 周期測(cè)量
• 脈寬調(diào)制
• PID 控制
• 定位控制

設(shè)計(jì)

CPU 314C-2 DP 安裝有：

• 微處理器;
  每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約60ns，每條浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)行指令約0.59µs.
• 擴(kuò)展存儲(chǔ)器;
  與執(zhí)行相關(guān)的程序段的 192 KB 高速 RAM（相當(dāng)于約 64 K 指令）可以為用戶程序提供足夠的空間；
  SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡（大 8 MB）作為程序的裝載存儲(chǔ)器，還允許將項(xiàng)目（包括符號(hào)和注釋）存儲(chǔ)在 CPU 中。
• 靈活的擴(kuò)展能力
  多達(dá) 31 個(gè)模塊，（4排結(jié)構(gòu)）
• 多點(diǎn)接口（MPI）；
  集成的 MPI 接口多可以同時(shí)建立與 S7-300/400 或編程設(shè)備、PC、OP 的 12 條連接。在這些連接中，總要分別為 PG 和 OP 各保留一個(gè)連接。通過(guò)“全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊”，MPI可以用來(lái)建立多16個(gè)CPU組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)。
• PROFIBUS DP 接口:
  帶有 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU 314C-2 DP 可以用來(lái)建立高速、易用的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。 對(duì)用戶來(lái)說(shuō),分布式I/O單元可作為一個(gè)集中式單元來(lái)處理(相同的組態(tài)、編址和編程).
• 以太網(wǎng)接口；
  CPU 314C-2 PN/DP 的第 2 個(gè)內(nèi)置接口是一個(gè)基于以太網(wǎng) TCP/IP 的 PROFINET 接口，帶有雙端口交換機(jī)。
  它支持下列協(xié)議：
  • S7通訊用于在SIMATIC控制器間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；
  • 用于通過(guò) STEP 7 編程、調(diào)試和診斷的編程器/OP通訊
  • 與HMI和SCADA連接的PG/OP通訊;
  • 通過(guò) PROFINET 進(jìn)行的開(kāi)放式 TCP/IP、UDP 和 ISO-on-TCP (RFC1006) 通訊
  • SIMATIC NET OPC-Server用于與其它控制器以及CPU自帶的I/O設(shè)備進(jìn)行通訊
• 內(nèi)置輸入/輸出;
  24路數(shù)字量輸入(所有輸入都可用作中斷處理)和16路數(shù)字量輸出，以及5個(gè)模擬量輸入和2個(gè)模擬量輸出，使得CPU 314C-2 DP是一款*的控制器。

功能

• 口令保護(hù);
  用戶程序使用密碼保護(hù)，可防止非法訪問(wèn)。
• 塊加密
  相關(guān)功能 (FC) 和 功能塊 (FB) 可以加密的方式存儲(chǔ)于 CPU 以保護(hù)專門知識(shí)應(yīng)用。
• 診斷緩沖;
  后500個(gè)故障和中斷事件保存在該緩沖區(qū)中，供診斷使用。 其中，保留后 100 個(gè)條目
• 免維護(hù)的數(shù)據(jù)后備;
  如果發(fā)生斷電，則可通過(guò) CPU 將所有數(shù)據(jù)(多達(dá) 64 KB)自動(dòng)寫入到 SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡（MMC 卡）上，且將在再次通電時(shí)保持不變。

可參數(shù)化的特性

可以使用 STEP 7 對(duì) S7 的組態(tài)、屬性以及CPU的響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：

• 概要：
  定義名稱、系統(tǒng)號(hào)和位置號(hào)
• 啟動(dòng)；
  定義 CPU 的啟動(dòng)特性和監(jiān)視時(shí)間
• 同步循環(huán)中斷；
  設(shè)置 IO 系統(tǒng)編號(hào)、過(guò)程映像分區(qū)編號(hào)和延時(shí)
• 循環(huán)/時(shí)鐘存儲(chǔ)器；
  定義大的掃循環(huán)描時(shí)間和負(fù)載設(shè)置時(shí)鐘存儲(chǔ)器地址
• 記憶性；
  定義具有保持功能的存儲(chǔ)位、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和數(shù)據(jù)塊的數(shù)量
• 日時(shí)鐘中斷
  設(shè)定起始日期、起始時(shí)間和間隔周期
• 周期中斷；
  周期設(shè)定
• 系統(tǒng)診斷；
  定義診斷消息的處理和范圍。
• 時(shí)鐘；
  設(shè)定 AS 內(nèi)或 MPI 上的同步方式
• 防護(hù)等級(jí)；
  說(shuō)明程序和數(shù)據(jù)訪問(wèn)*。
• 通訊；
  保留連接源
• Web；
  CPU 的 Web 服務(wù)器設(shè)置
• MPI/PROFIBUS-DP 接口:
  設(shè)置接口類型。定義節(jié)點(diǎn)地址。對(duì)操作模式進(jìn)行參數(shù)化，并組態(tài)使用 PROFIBUS DP 時(shí)的傳輸區(qū)對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行參數(shù)化
• PROFINET 接口；
  地址設(shè)定。對(duì) PROFINET 屬性、智能設(shè)備功能、PROFINET 上的同步類型、使用 NTP 步驟的時(shí)間同步、介質(zhì)冗余和 KeepAlive 功能進(jìn)行參數(shù)化。參數(shù)化端口 1 和端口 2
• 數(shù)字量輸入/輸出
  地址設(shè)定，輸入繼電器和過(guò)程中斷
• 模擬輸入/輸出
  設(shè)定地址
  輸入的情況下：設(shè)定溫度單元，測(cè)量種類，測(cè)量范圍，以及接口頻率
  輸出的情況下：設(shè)定輸出類別和輸出范圍
• 集成功能“計(jì)數(shù)器”
  設(shè)定地址，以及 “連續(xù)計(jì)數(shù)”“單次計(jì)數(shù)”“周期計(jì)數(shù)”“頻率測(cè)量”和“脈寬調(diào)制”模式下的參數(shù)分配
• 集成功能“定位器”
  設(shè)定地址，“數(shù)字輸出定位”和“模擬輸出定位”參數(shù)
• 集成功能“規(guī)則”

顯示功能與信息功能

• 狀態(tài)和故障指示；
  LED 指示硬件、編程、定時(shí)或 I/O 故障以及操作狀態(tài)（如 RUN、STOP 和 Start-up）。
• 測(cè)試功能；
  可使用編程器顯示程序執(zhí)行過(guò)程中的信號(hào)狀態(tài)，可以不通過(guò)用戶程序而修改過(guò)程變量，以及輸出堆棧內(nèi)容。
• 信息功能；
  您可以使用編程器以純文本的形式獲取 CPU 存儲(chǔ)容量和操作模式、工作存儲(chǔ)器和裝載存儲(chǔ)器的當(dāng)前利用率以及當(dāng)前循環(huán)時(shí)間和診斷緩沖區(qū)內(nèi)容的相關(guān)信息。

集成的通訊功能

• 編程器/OP 通訊
• 全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊
• S7 基本通訊
• S7 通訊
• 路由
• 數(shù)據(jù)記錄路徑
• PROFIBUS DP 主站/從站
• 通過(guò) TCP/IP、ISO-on-TCP 和 UDP 進(jìn)行開(kāi)放式通訊
• PROFINET IO 控制器
• PROFINET 智能設(shè)備
• PROFINET CBA（基于組件的自動(dòng)化）
• Web 服務(wù)器

集成功能

• 計(jì)數(shù)器；
  4 個(gè)計(jì)數(shù)器(高 60 kHz)，具有獨(dú)立方向的比較器，可直接連接到 24V 增量編碼器。
• 4通道頻率測(cè)量；
  允許進(jìn)行頻率測(cè)量（高達(dá) 60 kHz），例如，測(cè)量軸速或吞吐量（每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的件數(shù)）。
• 周期測(cè)量
  用于獲取并處理計(jì)數(shù)脈沖，頻率高為 1 KHz
• 脈寬調(diào)制；
  4個(gè)輸出可直接連接控制閥、執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、加熱裝置等，例如采樣頻率為 2.5 kHz。 可設(shè)置周期長(zhǎng)度并可在運(yùn)行時(shí)修改占空比。
• 定位控制
  集成在操作系統(tǒng)中的SFB可通過(guò)2路數(shù)字量輸出或1個(gè)模擬量輸出對(duì)1個(gè)軸進(jìn)行定位控制。
• 報(bào)警輸入（所有數(shù)字量輸入）；
  報(bào)警輸入可以檢測(cè)過(guò)程事件，并在短的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)響應(yīng)。

在自動(dòng)化的許多領(lǐng)域，有效性的要求越來(lái)越高，因而對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的容錯(cuò)水平的要求也變得越來(lái)越高，尤其在設(shè)備停機(jī)代價(jià)非常大的場(chǎng)合。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，在DCS系統(tǒng)中通常采用冗余技術(shù)，這樣才能夠滿足這些領(lǐng)域所需要的安全性、可靠性和有效性的標(biāo)準(zhǔn)。

　　在DCS控制系統(tǒng)中，分布處理單元是系統(tǒng)關(guān)鍵的部分。當(dāng)前這些分布處理單元的控制器往往是基于86系列CPU建構(gòu)的，這種架構(gòu)目前被廣泛采用。但是由于86系列分布處理單元的特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)在的控制器處理單元存在很多的缺點(diǎn)，如放熱量大等。而且在封閉的環(huán)境中，這些問(wèn)題始終很難解決。隨著很多低功耗技術(shù)的發(fā)展和低功耗控制器的出現(xiàn)，分布處理單元的CPU可以有更多的選擇，尤其是低功耗的控制器產(chǎn)生很少的熱量，且可以使系統(tǒng)的集成度更高。

　　無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的DCS控制系統(tǒng)之間有多大區(qū)別，冗余技術(shù)在這些DCS控制系統(tǒng)中都被廣泛采用。DCS控制系統(tǒng)中主要采用了網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)、分布處理單元冗余技術(shù)、IO卡件冗余技術(shù)、電源冗余技術(shù)等。

　　1 DCS系統(tǒng)的模型

　　DCS控制系統(tǒng)是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及圖形顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其一般的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由圖1 DCS控制系統(tǒng)模型框圖可知，DPU指的是分布處理單元。DCS控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3層：過(guò)程控制層、監(jiān)控層和管理層。其中過(guò)程控制層是DCS系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，其設(shè)備的主要功能是控制接口、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu);監(jiān)控層主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、高級(jí)操作站和接口裝置構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)操作監(jiān)視、系統(tǒng)報(bào)警、趨勢(shì)顯示及系統(tǒng)診斷等功能;管理層主要由管理計(jì)算機(jī)組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理工作。

　　DCS控制系統(tǒng)的冗余設(shè)置大部分都與過(guò)程控制層和監(jiān)控層有關(guān)，因此大部分的冗余技術(shù)都與過(guò)程控制層相關(guān)。下面結(jié)合新的基于ARM控制器的分布式處理單元，對(duì)DCS控制系統(tǒng)中采用的冗余技術(shù)中的分布處理單元冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余進(jìn)行討論。

　　2 基于ARM的分布處理單元結(jié)構(gòu)

　　基于ARM的分布處理單元的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2，這和一般的分布處理單元的結(jié)構(gòu)非常相似。這里主要把處理單元分為6部分：ARM控制器、上層網(wǎng)絡(luò)模塊、電源管理模塊、存儲(chǔ)器模塊、低層網(wǎng)絡(luò)模塊和時(shí)鐘模塊。ARM控制器和存儲(chǔ)模塊組成了基本的嵌入式系統(tǒng)，整個(gè)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制策略都是在這里處理的。上層網(wǎng)絡(luò)模塊主要是指和管理層通信的主/冗余網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)實(shí)現(xiàn)主/冗余分布處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)，這部分的主要功能是完成管理層對(duì)DCS控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)主/冗余分布處理單元的數(shù)據(jù)冗余。底層的網(wǎng)絡(luò)模塊是由分為主次的2條485網(wǎng)絡(luò)組成，此模塊主要實(shí)現(xiàn)ARM控制器的I/O卡件之間的數(shù)據(jù)通信。存儲(chǔ)器模塊可分為兩部分，一部分用來(lái)管理存放操作系統(tǒng)，另一部分用來(lái)管理存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。電源模塊和時(shí)鐘模塊分別實(shí)現(xiàn)電源的管理和時(shí)鐘的管理。

　　3 控制器冗余

　　分布式處理單元的冗余根據(jù)冗余度可以分為冗余度為1∶1和1∶n兩種情況。這在每個(gè)DCS廠家的產(chǎn)品中是不同的。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。這里介紹的是冗余度為1∶1的冗余設(shè)置。

　　分布處理單元冗余度為1∶1，就是將2塊組態(tài)*一樣的控制器設(shè)置成冗余方式。在投入運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)故障，兩分布處理單元之間能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　本系統(tǒng)所采用的分布處理單元均帶3個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，其中2個(gè)網(wǎng)口分別連接到A網(wǎng)和B網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各工作站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，第3個(gè)網(wǎng)口通過(guò)對(duì)等網(wǎng)數(shù)據(jù)連接子分布處理單元間(對(duì)等網(wǎng)數(shù)據(jù)現(xiàn)可選用光纖作傳輸介質(zhì))，用來(lái)傳輸主、從分布處理單元之間的備份數(shù)據(jù);分布處理單元之間的狀態(tài)信息由串口傳輸。冗余分布處理單元與網(wǎng)絡(luò)的連接見(jiàn)圖3。

　　冗余分布處理單元的工作原理：兩個(gè)分布處理單元硬件配置*相同，內(nèi)部裝有相同的操作系統(tǒng)，相同的組態(tài)軟件，

　　相同的組態(tài)信息。在同一時(shí)刻只有1個(gè)分布處理單元通過(guò)雙機(jī)交換卡接受過(guò)程信息并進(jìn)行運(yùn)算處理，后產(chǎn)生控制結(jié)構(gòu)去控制過(guò)程設(shè)備，此分布處理單元稱為主分布處理單元。同時(shí)冗余分布處理單元并沒(méi)有閑置，它在每一個(gè)工作周期都通過(guò)雙機(jī)之間的光纖對(duì)主分布處理單元所接受的過(guò)程信息和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)拷貝，這樣冗余分布處理單元始終與主分布處理單元同步。冗余分布處理單元同時(shí)檢測(cè)拷貝的信息是否完整，是否在所允許的容錯(cuò)度內(nèi)。一旦信息不完整或報(bào)錯(cuò)，則說(shuō)明主分布處理單元工作不正常。在這種情況下，冗余分布處理單元通過(guò)光纖將主分布處理單元旁路，同時(shí)切換為主分布處理單元繼續(xù)工作。切換時(shí)間選用短的運(yùn)算周期(幾十ms或更短)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。等到主分布處理單元恢復(fù)正常后，冗余分布處理單元自動(dòng)把控制權(quán)交還給主分布處理單元，轉(zhuǎn)為冗余備份狀態(tài)。

　　從圖3中可看出雙分布處理單元仲裁電路工作原理為將分布處理單元各自自身之診斷結(jié)果加到仲裁電路上，并讀取相應(yīng)的仲裁結(jié)果，以確定自身之主輔狀態(tài)。通過(guò)編程，確定各狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)，由于雙分布處理單元均根據(jù)仲裁之結(jié)果確定各自之主輔狀態(tài)，故只要仲裁結(jié)果變化了，雙分布處理單元?jiǎng)t自動(dòng)進(jìn)行切換。