PLCهای سری S7-300 و S7-400

PLCهای سری S7-300‌ که اولین بار در سال ۱۹۹۵ میلادی برای کاربردهای سطح متوسط تا سطح پیشرفته اتوماسیون صنعتی به بازار عرضه شدند، ازجمله PLC های محبوب و پرکاربرد شرکت زیمنس به شمار می‌روند که با ساختاری ماژولار و برخورداری از طیف وسیعی از ماژول‌های متنوع، برای طراحان سیستم‌های کنترل صنعتی، کارایی و قابلیت اطمینان بالا و انعطاف‌پذیری در طراحی را در کاربردهای مختلف به ارمغان می‌آورند. این سری از PLCها جزء PLCهای نسبتاً قدیمی شرکت زیمنس به شمار می‌روند و سری S7-1500 به عنوان سری جایگزین آنها به بازار معرفی شده است. در ادامه به بیان مختصری از قابلیت‌ها و کارکرد ماژول‌های مختلف تشکیل‌دهنده این سری از PLCها پرداخته می شود.

PLCهای S7-300 دارای ساختاری ماژولار بوده و طیف وسیعی از ماژول‌ها همچون منابع تغذیه، ماژول‌های CPU، ماژول‌های سیگنال، ماژول‌های ارتباطی (به انگلیسی : (Communication Processor(CP)، ماژول‌های تابع (به انگلیسی : (Function Module(FM)، ماژول‌های واسط (به انگلیسی : (Interface Module(IM) و… برای آن‌ها طراحی و ارائه‌شده است. شمای کلی این ماژول‌ها در شکل زیر نشان داده شده است. به‌طورکلی حداکثر ۱۱ ماژول را می‌توان روی هر ریل آلومینیومی طراحی‌شده برای PLCهای سری S7-300 قرار داد. محل قرارگیری سه ماژول اول به ترتیب برای ماژول منبع تغذیه، CPU و ماژول واسط رزرو شده است و حتی اگر نیازی به استفاده از ماژول منبع تغذیه و ماژول واسط نباشد، امکان قرار دادن ماژول‌های دیگر به‌جای آن‌ها وجود ندارد. در خصوص نحوه قرارگیری ۸ ماژول بعدی محدودیتی وجود ندارد، بااین‌حال توصیه می‌شود ترتیب نشان داده شده در شکل ‏زیر رعایت گردد و ابتدا ماژول‌های سیگنال و سپس ماژول‌های تابع و نهایتاً ماژول‌های ارتباطی شبکه روی ریل قرار داده شوند.

ماژول‌های ورودی و خروجی دیجیتال برای S7-300، در سه گروه SM321 (ماژول‌های ورودی)، SM322 (ماژول‌های خروجی) و SM323/327 (ماژول‌های ترکیبی ورودی – خروجی) طراحی و عرضه‌شده‌اند. این ماژول‌ها بسته به تعداد کانال (۱۶،۸،۴و ۳۲ تایی) و سطوح ولتاژ کار (۲۴V DC ،۴۸V DC ،۱۲۰V AC ،۲۲۰V AC) از تنوع مناسبی برخوردار می‌باشد. همچنین قابلیت‌هایی خاصی همچون تأخیر در دریافت سیگنال‌های ورودی به‌منظور حذف نویز و نوسانات لحظه‌ای، تشخیص قطعی سیم تغذیه ماژول و اجرای یک برنامه خاص بر اساس فعال شدن یک ورودی (وقفه سخت‌افزاری) برای برخی از ماژول‌های ورودی ارائه‌شده است. به طریق مشابه برای ماژول‌های خروجی نیز قابلیت‌هایی همچون تشخیص قطعی سیم تغذیه، تشخیص اتصال کوتاه و طراحی کنتاکت های خروجی به‌صورت ترانزیستوری یا رله‌ای در آمپراژهای متفاوت تا رنج ۸ آمپر در نظر گرفته‌شده است. مزیت ماژول‌های خروجی ترانزیستوری سرعت‌بالاتر در قطع و وصل و مزیت ماژول‌های خروجی رله‌ای، امکان تغذیه مصرف‌کننده‌های با سطوح ولتاژ متفاوت و با جریان بالاتر می‌باشد.

ماژول‌های سیگنال آنالوگ برای S7-300، در سه گروه SM331 (ماژول‌های ورودی)، SM332 (ماژول‌های خروجی) و SM334 (ماژول‌های ترکیبی ورودی-خروجی) طراحی و عرضه‌شده‌اند. این ماژول‌های بر اساس تعداد کانال (۲، ۴ و ۸) و حد تفکیک، نوع سیگنال ورودی/خروجی (ولتاژ، جریان، مقاومت و…) و ارائه قابلیت‌های خاص همچون تشخیص قطعی سیم و فعال‌سازی وقفه سخت‌افزاری انواع مختلفی دارند. لازم به ذکر است که به‌منظور سیم‌کشی آسان‌تر ماژول‌های سیگنال و تعویض سریع‌تر ماژول‌های معیوب شده، سیم‌کشی ماژول‌ها روی قطعه‌ای به نام «Front Connector» صورت می‌پذیرد و این قطعه پس از سیم‌کشی روی ماژول‌های سیگنال سوار می‌گردد. شمای ظاهری اجزاء تشکیل‌دهنده یک نمونه ماژول ورودی آنالوگ در شکل ‏زیر نشان داده شده است.

ارتباط ماژول‌های مختلف با ماژول CPU روی ریل از طریق قطعه‌ای بنام کانکتور باس (به انگلیسی : Bus Connector) برقرار می‌گردد که پشت تمامی ماژول‌ها نصب می‌شود. تغذیه ماژول‌ها نیز به‌صورت مجزا و از طریق سیم‌کشی برقرار می‌گردد. شکل ظاهری باس کانکتور در شکل ‏زیر نشان داده شده است.

وجود ماژول واسط (IM) روی ریل اصلی، درصورتی‌که تعداد ماژول‌ها کمتر از هشت عدد باشد، کاربردی ندارد، اما در صورت افزایش تعداد ماژول‌ها می‌توان تا سه ریل اضافی را از طریق IM ها به ماژول CPU مرتبط نمود. درمجموع حداکثر تا ۳۲ ماژول مختلف را می‌توان از طریق سه ریل اضافی به CPU‌ متصل نمود. در شکل ‏زیر، نحوه استفاده و مشخصات ماژول‌های IM‌ ارائه‌شده برای توسعه پیکره‌بندی PLC های سری S7-300 نشان داده شده است.

به‌طور خلاصه از شکل ‏فوق می‌توان نتیجه گرفت که در PLCهای سری S7-300 تا ۲۵۶ ورودی-خروجی را روی ریل اصلی و با احتساب سه ریل اضافی حداکثر تا ۱۰۲۴ ورودی-خروجی را می‌توان به ماژول CPU متصل نمود. نکته حائز اهمیت آن است که معمولاً در طراحی سیستم‌های کنترل، حتی اگر ورودی–خروجی‌ها نزدیک تابلوی اصلی قرار داشته باشند، استفاده از این ساختار کاربرد چندانی ندارند و بجای آن‌ها عمدتاً از ساختارهای ورودی- خروجی توزیع‌شده به کمک ماژول‌های شبکه‌های صنعتی استفاده می‌گردد که این امر علاوه بر صرفه اقتصادی، سبب یکپارچه‌سازی سیستم کنترل و سادگی برنامه‌نویسی می‌گردد.

CPUهای سری S7-300 در پنج کلاس استاندارد، کامپکت، مخصوص شرایط ویژه محیط‌های صنعتی، ایمن در برابر خرابی و تکنولوژی طراحی و ساخته‌شده‌اند که کلاس‌های کامپکت، ایمن در برابر خرابی و تکنولوژی به ترتیب با حروف “C”، “F” و “T” و کلاس مخصوص شرایط سخت با عبارت “SIPLUS” در ابتدای نام‌گذاری CPU، از کلاس استاندارد متمایز می‌گردند. کلاس استاندارد، مدل پایه برای کاربردهای مختلف بوده و خود از ۷ مدل CPU تشکیل‌شده است که این مدل‌ها از لحاظ سرعت، حجم حافظه، تعداد ورودی – خروجی‌های قابل‌پردازش، تعداد و نوع پورت‌های موجود روی CPU و… با یکدیگر متفاوت می‌باشند. در CPU های کلاس کامپکت، تعدادی ورودی– خروجی دیجیتال یا آنالوگ به همراه تعدادی فانکشن روی CPU مجتمع گردیده است که این امر، انعطاف‌پذیری و صرفه اقتصادی در طراحی سیستم کنترل را به همراه دارد. ذکر این نکته لازم است که کامپکت بودن CPU در اینجا، لزوماً به معنای عدم امکان استفاده از ماژول‌های افزایشی نبوده و صرفاً به وجود ماژول یا قابلیتی روی CPU مازاد بر نسخه استاندارد دلالت دارد.

CPU های کلاس F که با رنگ زرد در شکل ظاهری از سایر کلاس‌ها متمایز می‌گردند، به‌منظور پردازش هم‌زمان برنامه نرمال پروسه و برنامه ایمنی درنظرگرفته شده برای ماشین و یا پروسه مورداستفاده قرار می‌گیرند. این سری از CPU ها علاوه بر پشتیبانی از ماژول‌های سیگنال کلاس F، از ماژول‌های سیگنال کلاس استاندارد نیز پشتیبانی می‌نمایند. شمای ظاهری یک نمونه CPU با کلاس ایمن در برابر خرابی به همراه یک ماژول سیگنال کلاس F در شکل های زیر نشان داده شده است.

CPU های سری S7-300 کلاس T، برای کاربردهای کنترل حرکت همچون کاربردهای کنترل حرکت چند محور با توالی مشخص طراحی‌شده‌اند. برای این CPU‌ ها، مجموعه‌ای از بلوک‌های از پیش برنامه‌نویسی شده تحت عنوان “PLC Open Motion Control” فراهم گردیده است و کاربر می‌تواند به‌سادگی برای کاربردهای مرتبط از آن‌ها استفاده نماید. در برخی از مدل‌ها تا ۳۲ و در برخی دیگر تا ۶۴ تابع تکنولوژی می‌توانند به‌طور هم‌زمان پردازش گردند. دو نمونه CPU315T-2DP و CPU317T-2DP در شکل زیر نشان داده شده است.

روی تمامی CPU های سری S7-300، پورتی به نام Multipoint Interface یا به اختصار MPI وجود دارد که از این پورت عمدتاً جهت اتصال به CPU برای آپلود و دانلود برنامه و خطایابی استفاده می‌شود اما امکان برقراری ارتباط شبکه‌ای با پروتکل MPI نیز از طریق آن وجود دارد. علاوه بر پورت MPI، روی برخی از CPUهای S7-300، پورت‌های دیگری همچون DP، PN و PtP نیز وجود دارد که به ترتیب امکان اتصال CPU به پروتکل‌های پروفی باس، پروفی نت و PtP را فراهم می‌آورند. بسته به تعداد و نوع پورت‌های روی CPU، پسوندی به نام کنترلر اضافه می‌شود، به‌عنوان نمونه CPU315-2DP، کنترلری است که از دو پورت بنام‌های MPI و DP بهره می‌برد اما از آنجا که پورت MPI روی تمامی کنترلرها وجود دارد، از ذکر آن در نام CPU خودداری می‌شود. در مواردی همچون CPU317-2PN/DP که علی‌رغم وجود دو پورت، هر دو پروتکل DP و PN پشتیبانی می‌شود، پورت DP دومنظوره بوده و به‌طور هم‌زمان پروتکل MPI را نیز پشتیبانی می‌نماید. علاوه بر پورت‌ها، روی ماژول کنترلر، نشانگرهای وضعیت کاری کنترلر و خطاهای مربوطه، سلکتورسوئیچ انتخاب مد کاری، اسلات کارت حافظه و محل قرارگیری باتری پشتیبان وجود دارد. این سری از PLC ها عمدتاً دارای حافظه بارگذاری داخلی نمی‌باشند و برای این منظور می‌بایست از کارت حافظه خارجی استفاده نمود. علاوه بر این کاربرد می‌توان به‌منظور انتقال برنامه به PLC یا به‌روزرسانی میان‌افزار PLC از کارت حافظه استفاده نمود. قسمت‌های تشکیل‌دهنده یک نمونه CPU سری S7-300 در شکل ‏زیر نشان داده شده است.

از دیگر ماژول‌های ارائه‌شده برای سری S7-300 می‌توان به ماژول‌های تابع (FM) و ماژول‌های شبکه (CP) اشاره نمود. FM ها، ماژول‌هایی دارای پردازنده هستند که برای انجام برخی کاربردهای خاص و پرتکرار صنعتی طراحی‌شده‌اند تا از این طریق علاوه بر کاستن از حجم برنامه روی CPU اصلی، پیاده‌سازی و اجرای چنین کاربردهایی با سهولت برای طراحان سیستم‌های کنترل میسر گردد. شمارش سریع، اندازه‌گیری دقیق پارامترهای مختلف، کنترل PID، موقعیت‌یابی و … ازجمله کاربردهایی هستند که FM های مربوط به آن‌ها برای سری S7-300 طراحی و عرضه گردیده است. ماژول‌های شبکه یا پردازنده‌های ارتباطی (CP)، از دیگر ماژول‌های پرکاربرد سری S7-300 می‌باشند که جهت مرتبط ساختن CPU به شبکه‌های مختلف صنعتی همچون پروفی باس، پروفی نت/ اترنت صنعتی، ASI و… طراحی و عرضه گردیده‌اند. برای اتصال CPU به شبکه‌های صنعتی مختلف می‌بایست ماژول شبکه مخصوص به آن پروتکل را تهیه و به پیکره‌بندی CPU اضافه نمود و نهایتاً تنظمیات مربوطه را در نرم‌افزار انجام داد. تا پیش از ارائه پرتال TIA، برنامه‌نویسی و کار با PLC های سری S7-300 از طریق نرم‌افزار SIMATIC STEP7 نسخه Professional صورت می‌پذیرفت اما با ارائه پرتال TIA، پشتیبانی و برنامه‌نویسی این سری از PLCها نیز به پرتال TIA منتقل گردید.

برقراری ارتباط PC با این سری از PLCها بسته به پورت‌های روی CPU، به سه روش امکان‌پذیر می‌باشد. متداول‌ترین روش، استفاده از تجهیزی بنام PC Adapter می‌باشد. این تجهیز قابلیت برقراری ارتباط PC و PLC را از طریق پورت‌های MPI یا DP فراهم می‌آورد. یکسوی این تجهیز از طریق یک کانکتور ۹ پین به یکی از پورت‌های MPI یا DP روی CPU و سوی دیگر آن از طریق کابل سریال با کانکتور RS232 یا USB به PC متصل می‌گردد. روش پرکاربرد دیگر، استفاده از کارت CP5512 و کابل واسط می‌باشد. CP5512 در اسلات PCMCIA لپ‌تاپ‌های صنعتی قرار می‌گیرد و کابل واسط آن، ارتباط این کارت را با یکی از پورت‌های MPI یا DP روی CPU برقرار می‌سازد. مزیت این روش نسبت به PC Adapter در آن است که اگر در سیستم کنترل از شبکه صنعتی پروفی باس استفاده‌شده باشد به کمک این تجهیز می‌توان از هر نقطه از شبکه به CPU متصل گردید، حال آنکه با PC Adapter تنها می‌توان از طریق پورت قرارگرفته روی CPU به آن متصل شد. علاوه بر دو شیوه بیان شده، درصورتی‌که CPU داری پورت PN باشد و یا ماژول شبکه اترنت یا پروفی نت در پیکره‌بندی PLC وجود داشته باشد می‌توان از طریق یک کابل شبکه CAT5 نیز به CPU متصل گردید.

PLCهای سری S7-400‌ هم‌زمان با PLCهای سری S7-300 در سال ۱۹۹۵ میلادی برای کاربردهای پیچیده اتوماسیون صنعتی در هر دو نوع سیستم کنترل کارخانه‌ای و پروسه‌ای طراحی و به بازار عرضه شدند. این سری از PLCها، علاوه بر برخورداری از مزایای ذکر شده برای PLCهای سری S7-300، همچون ساختار ماژولار و بهره‌مندی از طیف وسیعی از ماژول‌های متنوع، دارای قابلیت‌های منحصربه‌فردی می‌باشند که سبب گردیده است تا به امروز، شرکت زیمنس با ارتقاء و بروز رسانی قابلیت‌های این سری از کنترلرها، آن‌ها را همچنان در صدر قوی‌ترین و مطمئن‌ترین PLCهای ساخت خود حفظ نماید. سیکل زمانی کوتاه و سرعت پردازش بالا به علت برخورداری از چهار انباره (به انگلیسی : Accumulator) در معماری CPU، قابلیت پردازش تعداد نامحدودی ورودی – خروجی، برخورداری از حجم حافظه بزرگ‌تر، قابلیت اتصال به انواع شبکه‌های صنعتی، پشتیبانی از تکنیک افزونگی و امکان دستیابی به سیستم‌های با قابلیت اطمینان بالا، قابلیت پردازش هم‌زمان (به انگلیسی : MultiComputing) برنامه روی چند CPU، قابلیت تغییر پیکره‌بندی و تعویض ماژول‌های سیگنال در هنگام اجرای برنامه (به انگلیسی : (Hot Swapping or Configuration in Run (CiR) از ویژگی‌ها بارز این سری از PLCها می‌باشد. لازم به ذکر است بر طبق قابلیت پردازش هم‌زمان، امکان تقسیم یک برنامه سنگین و پیچیده روی حداکثر چهار CPU سری S7-400 وجود دارد، به‌گونه‌ای که این CPU‌ ها به‌منزله یک CPU واحد عمل نمایند. در این حالت، تبادل سریع اطلاعات مابین CPU ها از طریق مکانیسمی موسوم به «Global Data» صورت می‌پذیرد و هر CPU، با ماژول‌های سیگنال مربوط به خود ارتباط برقرار می‌نماید. شمایی کلی از پیکره‌بندی  PLCهای سری S7-400، در شکل زیر نشان داده شده است.

PLCهای سری S7-400 را می‌توان نسل پیشرفته‌تر PLCهای سری S7-300 به شمار آورد، چرا که مشابهت بسیاری مابین این دوسری از PLCها در هر دو بخش سخت‌افزاری و نرم‌افزاری وجود دارد و تقریباً تمامی ماژول‌های ارائه‌شده برای PLC های سری S7-300 برای سری S7-400 نیز با قابلیت‌های بیشتر موجود می‌باشند. با توجه به این امر، از تکرار مجدد مطالب خودداری و در ادامه تنها به ذکر مهم‌ترین تفاوت‌های موجود مابین این دو سری از PLCها بسنده می‌شود. شمایی کلی از پیکره‌بندی کلیه ماژول‌های ارائه‌شده برای PLCهای سری S7-400 در شکل زیر نشان داده شده است. در این پیکره‌بندی، ماژول‌های منبع تغذیه، CPU، ماژول‌های سیگنال دیجیتال و آنالوگ، ماژول ارتباطی، ماژول تابع و ماژول واسط مورداستفاده قرارگرفته‌اند که توضیحات مربوط به کارکرد این ماژول‌ها مشابه مطالب بیان شده برای سری S7-300 است با این تفاوت که این ماژول‌ها در سری S7-400 روی رک (به انگلیسی : Rack) نصب می‌گردند.

استفاده از رک بجای ریل، یکی از تفاوت‌های بارز مابین PLCهای سری S7-300 و S7-400 می‌باشد. هر رک بسته به نوع خود از تعدادی اسلات (به انگلیسی : Slot) تشکیل‌شده است و ماژول‌های مختلف داخل این اسلات ها جای می‌گیرند. به‌طورکلی، دو نوع باس به نام‌های باس موازی (P Bus) یا باس ورودی-خروجی (I/O Bus) و باس ارتباطی (C Bus) روی اسلات های یک رک طراحی می‌گردند. P Bus یا I/O Bus امکان تبادل سریع داده‌ها مابین ماژول‌های سیگنال و CPU را فراهم می‌نماید و C Bus، برقراری ارتباط مابین ماژول‌های شبکه، ماژول‌های تابع و CPU را ممکن می‌سازد. رک‌ها بسته به تعداد اسلات ها و چگونگی برخورداری از باس های ذکر شده، انواع مختلفی دارند، با این وجود می‌توان انواع رک‌های ارائه‌شده برای PLCهای سری S7-400 را بسته به محل کاربرد به سه گروه رک‌های مرکزی (به انگلیسی : (Central Rack(CR)، رک‌های توسعه (به انگلیسی : (Expansion Rack(ER) و رک‌های دومنظوره (به انگلیسی : (Universal Rack(UR) تقسیم‌بندی نمود. رک‌های مرکزی (CR) تنها از قابلیت استفاده به‌عنوان رک اصلی و رک‌های توسعه (ER) تنها از قابلیت استفاده به‌عنوان رک‌های افزایشی برخوردار می‌باشند و هریک، بسته به تعداد اسلات از چندین مدل مختلف تشکیل‌شده‌اند. در مقابل، رک‌های دومنظوره (UR)، از قابلیت استفاده برای هر دو کاربرد برخوردار هستند. چند نمونه از رک‌های پرکاربرد سری S7-400 از گروه‌های سه‌گانه ذکر شده به همراه باس های ارتباطی موجود روی آن‌ها در شکل ‏۲‑۹۴ نشان داده شده است. به‌عنوان مثال رک CR2 با ۱۸ اسلات در این شکل، از باس های ارتباطی P Bus و C Bus برخوردار می‌باشد. از آنجا که ارتباط P Bus مابین اسلات های ۸ و ۱۰ قطع گردیده است، از این رک می‌توان به‌عنوان رک مرکزی برای قرارگیری دو پیکره‌بندی S7-400 به‌صورت مجزا روی یک رک استفاده نمود. در این حالت، هر CPU با ماژول‌های سیگنال مربوط به خود تبادل داده خواهد نمود. ضمناً هریک از ماژول‌های CPU و PS در این رک، دو اسلات فضا اشغال می‌نمایند.

رک دومنظوره UR1 که شمای ظاهری آن در شکل ‏زیر نشان داده شده است، از دیگر رک‌های پرکاربرد در سری S7-400 می‌باشد که از قابلیت استفاده به‌عنوان هر دو نوع رک مرکزی و اضافی برخوردار می‌باشد. این رک دارای ۱۸ اسلات بوده و باس های ارتباطی P Bus و C Bus، تمامی اسلات های آن را به هم متصل نموده‌اند. ذکر این نکته نیز لازم است که منابع تغذیه، توان موردنیاز برای عملکرد ماژول‌های مختلف را از طریق رک به آن‌ها منتقل می‌نمایند و برای این امر، نیازی به سیم‌کشی اضافی نیست. شمایی از چگونگی نصب یک ماژول سیگنال روی ریل UR2 در شکل زیر نشان داده شده است.

ماژول‌های CPU سری S7-400 در چهار کلاس استاندارد، کلاس با قابلیت اطمینان بالا (به انگلیسی : High Availability)، کلاس ایمن در برابر خرابی و با قابلیت اطمینان بالا (به انگلیسی : High Availability and Fail-Safe) و کلاس مخصوص شرایط سخت صنعتی طراحی و عرضه‌شده‌اند. CPU های کلاس استاندارد، CPU های پایه سری S7-400 و مناسب برای کاربردهای پیشرفته اتوماسیون صنعتی تحت شرایط کاری نرمال می‌باشند و خود بسته به کاربرد از مدل‌های متنوعی برخوردار می‌باشند. شمای ظاهری یک نمونه CPU از کلاس استاندارد (CPU414-3PN\DP) در شکل ‏زیر نشان داده شده است. همان‌گونه که پیش‌تر بیان گردید، CPU های کلاس ویژه شرایط سخت صنعتی با عبارت SIPLUS در ابتدای نام‌گذاری از کلاس استاندارد متمایز می‌گردند.

از آنجا که احتمال بروز خرابی در تمامی المان‌های بکار رفته در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی اعم از المان‌های الکترونیکی، الکترومکانیکی و مکانیکی وجود دارد، می‌توان استنباط نمود که قابلیت اطمینان ۱۰۰% در عمل برای هیچ نوع سیستم کنترلی قابل‌دسترس نیست. با این وجود، با به‌کارگیری سیستم‌های کنترل با قابلیت اطمینان بالا، می‌توان احتمال بروز توقفات در این بخش را به حداقل رساند. تکنیک افزونگی و چگونگی پیاده‌سازی آن در سیستم‌های افزونه، مبحث گسترده‌ای است که می‌تواند تقریباً تمامی المان‌های سیستم کنترل اعم از منابع تغذیه، ماژول‌های CPU، ماژول‌های سیگنال و حتی کابل‌های شبکه را در برگیرد. شرکت زیمنس PLCهای با قابلیت اطمینان بالای خود را در کلاسی موسوم به S7-400H، طراحی و به بازار عرضه نموده است که عمدتاً از این تجهیزات در سیستم‌های اتوماسیون غیرمتمرکز استفاده می‌گردد. این شرکت همچنین با تجمیع و یکپارچه‌سازی قابلیت‌های سیستم‌های ایمن در برابر خرابی و سیستم‌های با قابلیت اطمینان بالا در کلاس S7-400FH، انعطاف‌پذیری در طراحی، ملاحظات اقتصادی و سادگی در بهره‌برداری را در یک بسته کامل کنار یکدیگر قرار داده است. شمایی از یک نمونه پیکره‌بندی S7-400 و یک نمونه پیکره‌بندی S7-400H در شکل ‏زیر نشان داده شده است. در سیستم افزونه از دو پیکره‌بندی سخت‌افزاری یکسان که از طریق فیبر نوری به یکدیگر متصل شده‌اند، جهت ایجاد افزونگی سخت‌افزاری استفاده‌شده است. لازم به یادآوری است که سیستم‌های افزونه به دو شکل سخت‌افزاری و نرم‌افزاری قابل طراحی و پیاده‌سازی می‌باشند.

برای کاربردها و پروسه‌های کُند می‌توان سیستم‌های افزونه نرم‌افزاری را به کمک PLCهای سری S7-300/400 طراحی و پیاده‌سازی نمود. در این نوع از سیستم‌های افزونه، در صورت بروز اشکال در عملکرد PLC اصلی، PLC جایگزین آماده‌به‌کار، کنترل پروسه را با یک‌فاصله زمانی به عهده می‌گیرد و در این بازه زمانی، خروجی‌ها حالت قبلی خود را حفظ می‌نمایند. شمایی از یک نمونه پیکره‌بندی نرم‌افزاری S7-300/400 در شکل ‏زیر نشان داده شده است. در این شکل، هر یک از CPUهای اصلی و رزرو دارای تعدادی ورودی – خروجی غیرافزونه و ناحیه‌ای مشترک به‌صورت افزونه می‌باشند. در شرایط عادی، هر CPU وظیفه کنترل ورودی-خروجی‌های مربوط به خود را بر عهده‌دارند؛ اما در صورت بروز اشکال در عملکرد CPU اصلی، CPU رزرو با تأخیری چندثانیه‌ای، وظیفه کنترل ناحیه ورودی- خروجی‌های افزونه را نیز بر عهده خواهد گرفت. وضعیت عملکرد دو CPU از طریق ارتباط افزونگی به‌صورت پیوسته بررسی می‌گردد. توجه گردد که در این نوع از سیستم‌های افزونه، از CPU های کلاس استاندارد استفاده می‌گردد.

سیستم‌های افزونه سخت‌افزاری برای کاربردهای بسیار حساس و سریع از طریق دو PLC سری S7-400H یا S7-400FH که دارای برنامه‌های یکسانی می‌باشند، طراحی و پیاده‌سازی می‌گردند. در این نوع از سیستم‌های کنترل، هم‌زمانی داده‌ها در دو CPU از طریق یک ماژول سنکرون ساز و اتصال فیبر نوری به دو CPU صورت می‌پذیرد. هر دو CPU، به‌صورت هم‌زمان در حالت «Hot Standby» قرار دارند و به‌محض بروز اشکال در عملکرد یکی از CPU ها، بلافاصله CPU دیگر، وظیفه کنترل پروسه را بر عهده می‌گیرد. به‌منظور افزایش قابلیت اطمینان این نوع از سیستم‌های کنترل می‌توان از تکنیک افزونگی علاوه بر CPU برای سایر قطعات و ماژول‌ها همچون رک، منبع تغذیه، کابل‌های شبکه و… نیز استفاده نمود. در شکل زیر، چهار نمونه پیکره‌بندی سیستم‌های افزونه سخت‌افزاری نشان داده شده است.

در پیکره‌بندی نخست، دو مجموعه سخت‌افزاری یکسان S7-400H/FH به‌صورت افزونه روی رک مرکزی قرارگرفته‌اند و به‌محض بروز اشکال در عملکرد هر CPU یا ماژول‌های I/O متصل به آن، CPU دیگر کنترل پروسه را بلافاصله بر عهده خواهد گرفت. در پیکره‌بندی دوم، یکی از CPU ها علاوه بر ماژول‌های I/O موجود روی رک مرکزی، با تعدادی I/O روی رک اضافی مرتبط می‌باشد. در این حالت، وضعیت کلیه سیگنال‌ها از طریق ارتباط افزونه در اختیار هر دو CPU قرار داده می‌شود. در این پیکره‌بندی، در صورت بروز اشکال در رک اضافی یا حتی CPU متصل به آن، این بخش از سیستم کنترل از دست خواهد رفت. به‌منظور افزایش قابلیت اطمینان پیکره‌بندی دوم، آرایشی به‌صورت پیکره‌بندی سوم قابل‌استفاده می‌باشد. در این پیکره‌بندی، هر دو CPU از طریق دو مسیر شبکه‌ای مجزا به ماژول‌های I/O رک اضافی دسترسی دارند و تنها در صورت بروز اشکال در ماژول‌های این رک، این بخش از سیستم کنترل از دست خواهد رفت. نهایتاً در پیکره‌بندی چهارم، با ایجاد تکنیک افزونگی برای I/O های رک اضافی، ماکزیمم قابلیت اطمینان در این کاربرد محقق می‌گردد. تنوع پیکره‌بندی سیستم‌های با قابلیت اطمینان بالا به این موارد محدود نمی‌گردد و انواع مختلفی از ساختارها بسته به کاربرد قابل پیاده‌سازی می‌باشند. در شکل ‏زیر چهار نمونه دیگر از سیستم‌های با قابلیت اطمینان بالای شرکت زیمنس نشان داده شده است.

تمامی CPU های سری S7-400 علی‌رغم تفاوت‌های کارکردی، از ساختار سخت‌افزاری مشابهی برخوردار می‌باشد که این ساختار برای دو نمونه CPU از کلاس استاندارد، در شکل ‏زیر نشان داده شده است. سلکتور انتخاب مُدکاری CPU، محل قرارگیری کارت حافظه، نشانگرهای وضعیت کارکرد CPU و چگونگی ارتباط شبکه‌ای آن، پورت‌های مختلف بسته به مدل CPU، ترمینال‌های تغذیه و محل قرارگیری باتری پشتیبان ازجمله این اجزاء سخت‌افزاری می‌باشند.

کارت حافظه در این سری از PLCها به دو صورت RAM از نوع فرّار و FLASH از نوع غیرفرّار و در حجم‌های مختلف در دسترس می‌باشد. حافظه بارگذاری کوچکی از نوع رَم روی اکثر PLCهای سری S7-400 به‌صورت داخلی وجود دارد و از طریق کارت حافظه می‌توان این میزان فضا را افزایش داد. در صورت نیاز به حفظ اطلاعات ذخیره‌شده روی حافظه از نوع RAM در صورت قطع تغذیه، استفاده از باتری پشتیبان و یا تغذیه از طریق ورودی تغذیه خارجی ضروری است.

مشابه PLCهای S7-300، پورت MPI روی تمامی PLCهای سری S7-400 نیز وجود دارد و مطالب بیان شده در خصوص واسط‌های ارتباطی برای PLCهای سری S7-300، در مورد این سری از PLCها نیز صادق است. ماژول‌های ورودی و خروجی دیجیتال برای S7-400، در دو گروه SM421 (ماژول‌های ورودی) و SM422 (ماژول‌های خروجی) طراحی و عرضه‌شده‌اند. این ماژول‌ها بسته به تعداد کانال (۱۶ و ۳۲) و سطوح ولتاژ کار (۲۴V DC، ۲۴/۶۰V UC، ۱۲۰/۲۳۰V UC) از تنوع کمتری نسبت به سری S7-300 برخوردار می‌باشد. با این وجود قابلیت‌های خاصی همچون تأخیر در دریافت سیگنال‌های ورودی به‌منظور حذف نویز و نوسانات لحظه‌ای، تشخیص قطعی سیم تغذیه ماژول و اجرای یک برنامه خاص بر اساس فعال شدن یک ورودی (وقفه سخت‌افزاری) برای اکثر ماژول‌های ورودی ارائه‌شده است. به طریق مشابه برای ماژول‌های خروجی نیز قابلیت‌هایی همچون تشخیص قطعی سیم تغذیه، تشخیص اتصال کوتاه و طراحی کنتاکت های خروجی به‌صورت ترانزیستوری یا رله‌ای در آمپراژهای متفاوت تا رنج ۸ آمپر در نظر گرفته‌شده است. ماژول‌های سیگنال آنالوگ نیز برای سری S7-400، در دو گروه SM431 (ماژول‌های ورودی) و SM432 (ماژول‌های خروجی) طراحی و عرضه‌شده‌اند. این ماژول‌های بر اساس تعداد کانال (۸ و ۱۶) و حد تفکیک، نوع سیگنال ورودی/خروجی (ولتاژ، جریان، مقاومت و…) و ارائه قابلیت‌های خاص همچون تشخیص قطعی سیم و فعال‌سازی وقفه سخت‌افزاری انواع مختلفی دارند.

از دیگر ماژول‌های ارائه‌شده برای سری S7-400 می‌توان به ماژول‌های تابع (FM) برای کاربردهایی همچون شمارش سریع تا فرکانس ۵۰۰kHz، موقعیت‌یابی و کنترل PID و ماژول‌های شبکه (CP) جهت برقراری ارتباط CPU با انواع شبکه‌های صنعتی همچون PtP، پروفی باس، اترنت صنعتی و … اشاره نمود. درصورتی‌که امکان قرارگیری تمامی ماژول‌های معرفی‌شده روی رک مرکزی وجود نداشته باشد یا آنکه تعدادی از سیگنال‌های ورودی- خروجی در فواصل دوری از رک مرکزی قرار داشته باشند، می‌توان رک‌های اضافی را از طریق سه نوع ماژول واسط (IM) مطابق شکل ‏زیر به رک مرکزی متصل نمود. در رک مرکزی امکان استفاده از حداکثر شش ماژول IM وجود دارد که از این تعداد، حداکثر دو ماژول می‌توانند از نوع IM46x-1 باشند. در صورت استفاده از ۵ ماژول IM46X-0 یا IM46x-3 و یک ماژول IM46x-1، می‌توان به حداکثر پیکره‌بندی با ۲۱ رک اضافی دست یافت. IM ها در رک اصلی می‌توانند از اسلات ۳ به بعد و در رک‌های اضافی فقط در آخرین اسلات قرار گیرند. هر IM می‌تواند به شکل زنجیری حداکثر به چهار ماژول IM دیگر متصل شود.