Fault Tolerant Automation System SIMATIC S7-400H Fault Tolerant Automation System

Totally Integrated Automation SIMATIC S7- 400H Haute disponibilité à Architecture redondante

Motivation for the use of H-PLC Systems Expensive downtimes or processing of valuable material High restart costs after control failure Operation without monitoring or maintenance personal Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

AUTOMATE S7-400H Domaines d‘application Energie Pipeline, Offshore et Central Thermique Chimie, Petrochimie, Pharmacie Industrie minière Environnement Traitement des eaux, Incinération des déchets Transport Gestion Tunnel Construction naval Industrie du verre Industrie alimentaire

High Availability Overview Clients Parallel Redundancy Application fields Supervisiory level Overview Redundany Features PC-Network/Terminalbus Server Parallel Redundancy Configuration Communication Ordering High available Communication Process level PROFIBUS / Ethernet Medium-Redundancy Red. PS S7-400H SW-Redundanz Warm-Standby H-CPUs Hot-Standby Red. IM 153 DP-Bus Red. IM 157 Field level ET 200M Red. IM 153 Red. DP-Bus

Definitions H (High availability) F (Failsafe) F H Terminologie Buts Réaction H (High availability) Disponibilité Eviter les arrêts de production quelque soit l ’élément qui tombe en défaut. Dans le cas d ’un défaut sur le système actif, celui-ci va basculer automatiquement sur le second système F (Failsafe) Sécurité Eviter les dégats, corporels, sur le matériel ou l ’environnement Dans le cas d ’un défaut le système se place en état de sécurité F H ou Sécurité ET Dans le cas d ’un défaut dans la partie dite de sécurité le système se place en état de sécurité pour cette partie là, le reste de l ’installation continue de fonctionner Et éviter les dégats, corporels,

Redundancy Principles Redundancy with Application fields Overview identical components (homogenous redundancy) different components (Diversified redundancy) Not used with SIMATIC Redundany Features redundancy- principle S7-400H Configuration Communication majority redundancy passive redundancy active redundancy Ordering m-from-n high availability and fail-safe HW or SW Voting A B C m-v-n Hot-Standby = automatic switch in ms-range Warm-Standby = in second range A Cold-stand-by = manuel switch R 1-v-2 2oo2 High availability Fail-safe  A B 1 2-v-2 1-v-2 2oo2 1oo2

Process Architecture I M B I A O B O F C P U B I D O A I A O C P P S Synchronisation, Data and State Exchange C P U B I D O A I A O C P P S C P U B I B O A I A O C P P S Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication I M B I A O B O F Ordering Process

Highlights S7-400H: Complete SIMATIC System Integration User hidden redundancy Transparent programming (programming same as non-redundant systems) Easy system parameterisation with option package Handling like non-redundant systems All standard programming languages can be used without limitation Use of standard components (I/O, CP, FM) Hardware platform for F/FH systems Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Synchronisation Principle Event- Synchronisation Application fields Overview CPU A CPU B Without Synchronisation CPU A CPU B Cycle- Synchronisation CPU A CPU B Time- Synchronisation Clock- Synchronisation CPU A CPU B Redundany Features Configuration Communication Ordering

Principe de la synchronisation évènementielle (Brevet Siemens) Partial PLC A Teil-AG B Partial PLC B Définition Les CPU‘s se synchronisent sur toute instruction dont l‘exécution pourrait conduire à des branches de programmes différentes dans chaque CPU Cette fonction est prise en charge par le firmware des CPU‘s Points de synchronisation Mise à jour de la MIE Accès direct à la périphérie Interruptions,alarmes Evaluation des temporisations Echanges des données lors de fonctions de communications

Event Synchronisation Principle Definition: Synchronisation of all commands whose execution would trigger different states in both PLC parts. Fully automatic operating system function Synchronized events: Updating the process image Direct access to the I/O Interrupts, alarms Updating the timers Changing data through Communication functions Application fields Event synchronization (Siemens Patent) CPU A Teil-AG B CPU B Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Synchronisation évènementielle Exemple de déroulement de fonctionnement P S C P U Synchronization, Information and Status Exchange A I 10.0 : S O 8.0 L PEW100 Acknowledge Value Synchronisation L DW 10 + F T PAW130 Synchronisation + F L DW 12

Event Synchronisation Principle Application fields Synchronisation, Information and Status Exchange P S C P U P S C P U Overview Redundany Features Configuration A I 10.0 : S O 8.0 Communication Ordering L PW100 Acknowledge Value Synchronisation L DW 10 + F T PW130 Synchronisation + F L DW 12

Event Synchronisation Cycle OB 1 CPU 0 CPU 1 User program Application fields Self test Overview PII switched and PII switched and one-sided PII Exchange one-sided Redundany Features Alarms, Diagnostic OB synch. Configuration Communication synch. 1 2 n Ordering PIQ switched, PIQ switched and one-sided PIQ Comparison one-sided

Event Synchronisation Customer Advantages Transparent Programming All command from standard can be used User program directly portable from standard CPU to H CPU and back All standard SIMATIC S7 programming languages can be used Guaranteed bumpless Switch-Over Quick Switch-Over time No loss of information No loss of alarms Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Self Test What is tested CPU (Processor, ASIC) Memory Synchronisation connection Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Self test Organization Start-up self test Complete test When errors occur, the CPU goes to the state „defect“ Self test in cycle operation Runs in background The entire test is distributed over multiple cycles Runs completely through during a time that can be parameterized (default value 90mn) Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Process Architecture I M B I A O B O F C P U B I D O A I A O C P P S Synchronisation, Data and State Exchange C P U B I D O A I A O C P P S C P U B I B O A I A O C P P S Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication I M B I A O B O F Ordering Process

Automate H : 1 seul point d’entrée MPI/DP PG/PC pour configuration chargement de programme modification en ligne , etc...

Programming Connection Examples Application fields Profibus/Ethernet MPI/DP MPI Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Programming Online Program Corrections Fully online programming through a CPU the program is automatically copied to the redundant CPU Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Online Repair S7-400 Components DP Components I/O and CP can be exchanged in RUN mode IM and CPU via Power off exchanged CPU is automatically updated after power ON Sync-Modules PS Standard PV via power off Redundant PS in RUN mode DP Components IM 153-2 in RUN mode I/O modules can be exchanged in RUN mode Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

AUTOMATE S7-400H Configuration de base 2 Châssis Standard UR1/UR2 SV P-Bus K-Bus C P U S Alimentation Redondante Châssis de base divisé UR2-H SV P-Bus K-Bus C P U S Alimentation Redondante

AUTOMATE S7-400H CPU Redondantes CPU 417H Redundancy Module X 2 3 4 CPU 417-H/414-H avec 4 interfaces integrés: 2 Modules de synchro 1 Interface DP 1 Interface MPI/DP CPU 417H Redundancy Module X 2 3 4 Sync-Module Liaison FO Haute vitesse

Configuration CPU CPUs 4 integrated interfaces High end: CPU 417H (4MB expandable to 20MB) Mid mrange: CPU 414H (768KB) 4 integrated interfaces Sync-Module DP MPI/DP Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication CPU 417H Sync-Module X 2 3 4 Ordering

Redondance des Entrées,Sorties 1 canal 2 canaux Monovoie Haute Disponibilité Redondante Commutée standard Disponibilité (en préparation)

I/O Configuration Redundant PROFIBUS ET 200M with active backplane bus L+ Redundant IM 153-2 Application fields Profibus-DP Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering IM Special bus module (BM) Active backplane bus Available as separate components IM: 6ES7 153-2AA02-0XB0 BM: 6ES7 195-7HD00-0XA0 or as Bundle (2 x IM + 1 BM) 6ES7 153-2AR00-0XA0

Fonctionnement d‘un API H Réseaux redondants,périphérie commune Les deux CPU‘s sont actives Lecture des entrées Les deux CPU‘s lisent les entrées et la MIE est constituée à partir des coupleurs actifs Ecriture des sorties - Les deux CPU‘s transfèrent la MIS sur les coupleurs. - Les coupleurs actifs transmettent la MIS sur les sorties.

I/O Configuration Connection of PROFIBUS PA via DP/PA Link Profibus-DP IM 157 (DP PA Link) DP PA Coupler Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

I/O Configuration Connection of single DP slaves via Y Link Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering 2xIM 157 Y-Link

Principe de Redondance Redondance avec Composants identiques (Redondance Homogène) Composants différents (Redondance Hétérogène) m- out of -n Haute disponibilité et Sécurité Vote par Hardware ou Software Redondance Majoritaire A B C m-sur-n Redondance Passive Composants différents (Redondance diversifiée) Cold-stand-by = Basculement manuel A R 1-sur-2 Warm-Standby = Basculement automatique Sécurité & A B 2-sur-2 Hot-Standby = Basculement automatique en ms ³1 1-sur-2 Redondance Active

I/O Configuration Redundant PROFIBUS: Function One IM of the station is active Input data: CPU reads data from the active IM Output data: - CPU writes data to both IM - Data from the active IM are transferred to the Outputs. Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

Communication Configuration of single Communication Application fields Overview Redundany Features Profibus-DP PzP Kommunikation Single controller CP 341 Configuration Communication Ordering

High Available Communication Principle The communication switches automatically from the active to the reserve connection after a fault Active + Reserve Connection = H Connection Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering Active Connection Reserve Connection

High Available Communication Configuration of the connections Active and reserve connections are automatically offered by the HW configuration tool H connections can be created between H stations, one-channel H-CPUs and PC stations (on PC Redconnect package required). Application fields Overview Redundany Features Configuration Communication Ordering

AUTOMATE S7-400H Configuration :CPU et réseaux redondants Superviseur avec Soft de Redondance S7 Red-Connect Communication Haute disponibilité API S7-400H avec CPU 417H dans un chassis UR2-H avec liaison redondante Peripherie IM153-2 avec châssis Actif ! PROFIBUS-DP Périphérie commutée/ Redondante

High Available Communication Configuration with redundant Bus Redconnect Application fields Overview Ethernet H-CPU im Single Mode Redundany Features Configuration Communication Ordering Redundancy Diagram PS Bus CP CPU

High Available Communication - Configuration with redundant Bus and redundant CP Redconnect Application fields Overview Ethernet H-CPU in Single Mode Redundany Features Configuration Communication Ordering Redundancy Diagram PS CPU Bus CP

High Available Communication Configuration with single Bus Redconnect Application fields Overview Ethernet H-CPU in Single Mode S7-400H Redundany Features Configuration Communication Ordering Redundancy Diagram: PS CPU Bus CP

High Available Communication Configuration with optical Ringbus Redconnect Redundant optical Ringbus Application fields Overview Redundany Features H-CPU im Single Mode S7-400H Configuration Communication Ordering Redundancy Diagram PS CPU CP Bus

Haute disponibilité Configuration API-H mode simple PS CPU Bus CP Diagramme de Redondance:

Haute disponibilité Configuration avec réseau Optique en anneau API-H Diagramme de Redondance: PS CPU CP Bus CP CPU PS PS CPU CP Bus CP CPU PS

AUTOMATE S7-400H Principe des automates Redondants (H) Synchronisation ET 200M (Esclave) PROFIBUS Monovoie Unilatérale Monovoie Unilatérale Monovoie Commuté

Entrées/Sorties monovoie, commutée Système Redondant (H) 2 châssis Fibre optique Station décentralisée commutée Entrées Sorties

Entrées/Sorties Redondantes Système Redondant (H) mono bloc (2 UC) Fibre optique Station décentralisée redondante Sorties Entrées (non encore pris en charge par le firmware)

Haute disponibilité Capteurs/Actionneurs API Redondant (H) Fibre optique Diagramme de Redondance: Station décentralisée commutée PS CPU E_Tor 2 sur 3 E_Tor PS CPU E_Tor Entrées Sorties

Redondance Logicielle Configuration

Concept global Haute disponibilité avec SIMATIC S7 Cluster Redond. parallele Supervision Redond. réseau PC-Netzwerk/Terminalbus Serveur Redond. parallele avec synchro d‘archive Niveau process Redond. réseau PROFIBUS/ Ethernet Communication à Haute dispon. Redondance SW warm standby CPUs H: hot standby CPUs H: hot standby Alim Red. Red. IM 157 Profibus-DP IM 157 (DP-PA-Link) Coupleur DP-PA Profibus-DP Raccordement d‘ esclaves DP standard Red. IM 153 Niveau terrain BUS DP redondant ET 200M Profibus-DP Peripherie red. 1sur2 et 2sur3 Red. IM 153 BUS DP redondant

Disponibilité Redondance logicielle Prix faible/ Performance faible. Pour application qui accepte des temps de basculement Maître Réserve de l‘ordre de la seconde(s). Solution utilisable avec du matériel standard. Programmation/Paramétrage du programme liée à la redondance -> Coûts à prévoir.

Haute Disponibilité Automate Redondant Prix + élevé que Api standard. Hautes performances, Solution Haute disponibilité (Hot stand-by) avec Firmware H. Utilisation de périphérie décentralisée standard. Pas de programme applicatif (firmware uniquement) Fonctions transparentes (on-line). Redondance : temps de basculement Maître-Réserve de l‘ordre de la ms, Alimentations, Unités centrales, Périphérie d‘entrées/sorties, coupleurs réseaux, modules technologiques.

Haute Disponibilité & Sécurité Architecture solution S7 400H/F Télégramme Standard CPU 417H Programme Standard et application F RUN-P RUN STOP CMRES RUN-P RUN STOP CMRES Module de Sécurité F Module standard Redondant Module F redondant Module standard Redondant Profibus DP ProfiSafe- Profibus DP

Sécurité Intégrée Vue d‘ensemble logicielle Sécurité répartie

Automatisation Totally Integrated Automation avec SIMATIC S7- 400H