​SIMATIC S7‑1500R/H​ 冗余系统3--S7-1500 R/H-CPU

S7-1500 R/H-CPU

S7-1500R/H 冗余系统允许 PROFINET 环网中的两个 R-CPU 或 H-CPU 中有一个发生故障。如果主 CPU 发生故障，则备用 CPU 将作为新的主 CPU 在中断点继续进行过程控制。

所有相关数据会通过主 CPU 与备用 CPU 之间的冗余连接在 CPU 之间进行永久同步。

主 CPU 和备用 CPU 并行执行用户程序。

通过 CPU 的显示屏，可以在各菜单中显示控制和状态信息。维修时，通过快速访问诊断报警，显著缩短工厂停工时间。

CPU 支持对所有 CPU 变量执行追踪功能，可实现驱动装置和控件的高效调试和快速优化。

CPU 技术规范概述

下表列出了 S7‑1500 R/H CPU 的主要技术规范。

R/H-CPU 技术规范概述

1) 切换时间是从主 CPU 发生故障或停止开始，直到备用 CPU 成为主 CPU 并且在中断点处作为主 CPU 进行过程控制的时间。切换时间会延长循环时间。

冗余

简介

S7-1500R/H 冗余系统基于 PROFINET 环网中的介质冗余 (MRP)。

可以在冗余 S7‑1500R/H 系统上使用以下 IO 设备：

• 使用系统冗余 S2 的 IO 设备
• 通过 CPU 的“交换 S1 设备”功能，可以操作标准 IO 设备。

介质冗余

介质冗余是用于确保网络和工厂可用性的功能。

冗余系统中的两个 CPU 必须位于使用 MRP 介质冗余协议的 PROFINET 环网中。PROFINET 环网中的所有 PROFINET 设备必须支持介质冗余 (MRP)。

S7-1500R 使用 PROFINET 环网同步两个 CPU。S7-1500H 使用通过光缆建立的冗余连接同步两个 CPU。S7‑1500H 强制要求使用 PROFINET 环网（通过 PROFINET 接口 X1）。

若要建立具有介质冗余性的环形拓扑结构，需要使用一个设备中的 2 个端口（环网端口，端口标签“R”）将线性网络拓扑结构的两个自由端接在一起。在设备组态中指定环网端口。

在 S7‑1500R/H 冗余系统中，需要分别将两个 CPU 的介质冗余角色组态为“管理器（自动）”(Manager (Auto))。对于 PROFINET 环网中的其它所有 PROFINET 设备，必须组态“客户端”介质冗余角色。冗余管理器与冗余客户端之间存在基于 MRP 的通信连接。如果环网中任何一点断开，介质冗余协议 (MRP) 会自动重新组态各个设备之间的数据路径。

在 STEP 7 中组态 IO 设备的介质冗余角色和其它 PROFINET 设备。对于不使用系统冗余 S2 的交换机，通过 Web 界面将介质冗余角色设为“客户端”。

H-Sync 转发

使用 H-Sync 转发功能时，支持 MRP 的 PROFINET 设备仅在 PROFINET 环网中转发 S7-1500R 冗余系统的同步数据（同步帧）。

此外，通过 H-Sync 转发功能，对 PROFINET 环网进行重新组态时也可转发同步数据。如果 PROFINET 环网中断，H-Sync 转发功能可避免循环时间增加。

条件：

• H-Sync 转发功能与 S7-1500H 冗余系统无关。在 S7-1500H 冗余系统中，H-Sync 帧仅通过光纤传输。
• 如果在 R 系统的 PROFINET 环网中使用具有两个以上端口的 PROFINET 设备（如交换机），这些设备必须支持 H-Sync 转发功能。 H-Sync 帧为 PROFINET 环网留下了一个没有 H-Sync 转发功能的交换机。这会导致网络负载额外升高。另一个严重的结果是网络中其它 R 系统的冗余可能发生故障或阻止启动。
• 如果要在 R 系统的 PROFINET 环网中使用仅具有 2 个端口的 PROFINET 设备，则建议为 PROFINET 环网中的所有设备使用 H-Sync 转发功能。 如果在 S7-1500R 冗余系统的 PROFINET 环网中操作不具备 H-Sync 转发功能的 PROFINET 设备，则以下情况将导致循环时间额外增加： 1.S7-1500R 冗余系统处于 RUN-Redundant 系统状态。2.直接连接两个 CPU 的 PROFINET 电缆发生故障。3.PROFINET 环网中断。4.PROFINET 环网将重新组态。5.不具备 H-Sync 转发功能的 PROFINET 设备不会在 PROFINET 环网重新组态过程中转发任何 H-Sync 帧。6.重新组态 PROFINET 环网会导致循环时间增加。CPU 之间的 PROFINET 电缆故障 如果循环程序超过循环监视时间，则启动时间错误 OB (OB 80)。如果时间错误 OB (OB 80) 不存在或使用 OB 80 的循环监视时间超过两次，则冗余将丢失。有关超出循环时间时 S7-1500R/H 冗余系统响应的更多信息，请参见“事件与 OB”部分。 说明 如果直接连接 S7-1500R 冗余系统两个 CPU 的 PROFINET 电缆不太可能发生故障，则可在 S7‑1500R 冗余系统的 PROFINET 环网中使用不具备 H‑Sync 转发功能的 PROFINET 设备。 示例：S7-1500R/H 冗余系统的两个 CPU 在控制柜中并排放置。在这种情况下，PROFINET 电缆不太可能发生故障。

系统冗余 S2

使用 S2 系统冗余的 IO 设备可在 CPU 出现故障时与 S7-1500R/H 冗余系统进行不间断的过程数据交换。

使用系统冗余 S2 的 IO 设备支持系统冗余 AR。

在冗余系统中，带有系统冗余 S2 的一个 IO 设备将与两个 CPU（IO 控制器）均建立系统冗余 AR。因此 IO 设备同时支持两个 IO 控制器的 AR（用于相同模块）。

系统冗余 AR 可以是主 AR 或备用 AR。IO 设备会在输出端激活主 AR 的数据。仅保存备用 AR 的数据。

• RUN-Redundant 系统状态下的特性： 两个 CPU 均为 IO 控制。PROFINET 通信同时在其中一个 CPU（IO 设备）与 IO 设备之间的两个系统冗余 AR 上进行。如果随后主 CPU 发生故障，备用 CPU 会成为主 CPU，还会将备用 AR 切换为主 AR。该 AR 的数据随后会在输出端变为激活状态。
• RUN-Solo 系统状态下的特性： 只有主 CPU 是 IO 控制器。PROFINET 通信在主 CPU 与 IO 设备之间的主 AR 上进行。备用 CPU 与 IO 设备之间没有 AR。

在 STEP 7 中，通过将使用 S2 系统冗余的 IO 设备分配给 S7‑1500R/H 冗余系统的两个 CPU，组态已连接系统冗余的 IO 设备。

交换 S1 设备

自固件版本 V2.8 起，S7-1500R/H 冗余系统支持“交换 S1 设备”功能。

通过 CPU 的“交换 S1 设备”功能，可以在 S7-1500R/H 冗余系统上操作标准 IO 设备。

标准 IO 设备始终分配给 S7-1500R/H 冗余系统的两个 CPU。与使用 S2 系统冗余的 IO 设备相比，标准 IO 设备仅支持一个 AR。IO 设备的 AR 仅通过主 CPU 设置一次。

• RUN-Redundant 系统状态下的行为： PROFINET 通信在主 CPU（IO 控制器）与标准 IO 设备之间的 AR 上进行。备用 CPU 与标准 IO 设备之间没有 AR。 如果主 CPU 发生故障或转入 STOP 模式，则 S7-1500R/H 冗余系统的响应如下：
  • 主 CPU 和标准 IO 设备之间的 AR 已断开连接。
  • 之前的备用 CPU 成为新的主 CPU。
  • S7-1500R/H 冗余系统暂时无法访问输入，也无法控制标准 IO 设备的输出。输出组态取决于相应通道的替换值特性。
  • 新的主 CPU 再次建立与标准 IO 设备的 AR。
  • 新的主 CPU 建立 AR 后，S7-1500R/H 冗余系统可再次访问输入并控制标准 IO 设备的输出。
• RUN-Solo 系统状态下的特性： 只有主 CPU 是 IO 控制器。PROFINET 通信在主 CPU（IO 控制器）与标准 IO 设备之间的 AR 上进行。备用 CPU 与标准 IO 设备之间没有 AR。

在 STEP 7 中，通过将标准 IO 设备分配给 S7‑1500R/H 冗余系统的两个 CPU，组态通过“交换 S1 设备”功能连接的 IO 设备。

• SIMATIC CPU 用作智能设备
  • 首先，在 STEP 7 中针对所有传输区域将 SIMATIC CPU 组态为智能设备。
  • 将智能设备导出为 GSD 文件。GSD 导出功能位于 PROFINET 接口属性的“操作模式 > 智能设备通信 > 导出通用系统描述文件 (GSD)”(Operating mode > I-device communication > Export Generic System Description file (GSD)) 下。
  • 在 STEP 7 中安装 GSD 文件。
• HMI 设备用作智能设备（功能“直接键”）
  • 该应用示例包含 SIMATIC Comfort Panel 和 SIMATIC Mobile Panel 的 GSD 文件。

  将通过 GSD 文件组态的设备分配到 S7-1500R/H 冗余系统。

自固件版本 V2.9 开始，主 CPU 出现故障/停止运行后，用户可以控制交换 S1 设备从断开到恢复所用的切换时间。有关详细信息，请参见 PROFINET 功能手册。

MRP 互连

MRP 互连过程是对 MRP 的增强，可在 PROFINET 网络中实现两个或更多环网与 MRP 的冗余耦合。MRP 互连（与 MRP 一样）在标准 IEC 62439-2（第 3 版）中规定。

MRP 互连可实现对采用环网冗余的更大型拓扑进行监视。采用 MRP 互连后，设置冗余网络拓扑时将不受环网中最多 50 台设备的限制。有关 MRP 互连数量结构的信息，请参见《SCALANCE XM-400/XR-500 基于 Web 的管理 (WBM) 组态手册》。

在固件版本 V2.9 及以上版本中，S7-1500R/H CPU 支持 MRP 互连。请遵循 R/H-CPU 可连接的最大设备数量的规定。更多信息，请参见 R/H CPU 的手册。

使用 4 台设备进行 MRP 互连连接

2 个 MRP 互连连接可在 2 个 MRP 环网之间提供冗余耦合。这 2 个连接需要四台设备：

• 1 个介质冗余互连管理器 (MIM)
• 3 个介质冗余互连客户端 (MIC)：
  • 主 MIC
  • 主耦合 MIC
  • 辅耦合 MIC

示例

下图显示的是以 2 个环网中使用 S7-1500R 为例的冗余耦合：

示例：在 2 个环网中 S7-1500R 与 MRP 互连的冗余连接

安全性

SIMATIC Safety Integrated 集成了故障安全功能的

要在工厂中实现故障安全功能，需对 F-CPU 进行编程。可以使用 TIA Portal 的“STEP 7 Safety Advanced”实现此目的。与 STEP 7 一起使用时，F-CPU 可将各种故障安全系统完美集成到工程组态环境中；一个控制器、一个通信系统和一个工程组态平台，实现标准和故障安全自动化：

• 集成安全技术
• 相关指令已通过德国技术监督组织认证，适用于各种安全应用
• 集成安全功能，安全等级可达 SIL 3 (IEC 61508)、SILCL 3 (IEC 62061) 和/或 PL e 和类别 4 (ISO 13849-1)
• 标准自动化系统和安全自动化系统采用统一的工程组态方式
• 通过 STEP 7 Safety 中的 F 更改历史来简单记录安全相关的更改
• 标准程序变更后，可对安全程序进行验收，也可对安全程序进行非更新性验收

优点和客户收益

Safety Integrated 可提供以下优势：

• 在 STEP 7 中使用 SIMATIC STEP 7 Safety Advanced 进行工程组态，标准和故障安全自动化任务使用的工程组态和运行概念相同。
• 在安全程序的安全系统库中，将经德国技术监督协会认证的说明书用于防护门、紧急停止、监控反馈回路和用户确认等；可节省时间并降低错误率
• 通过 PROFINET 即可连接 PROFIsafe 设备
• 为 F-CPU 和安全程序提供额外的密码保护以确保 IT 信息安全。
• 集成系统诊断中的集成

带急停按钮的行李输送系统示例

自动化任务

机场使用行李传送带分发行李。传送带和轨道开关将行李运送到不同的终端。如果出现危险情况或者行李在轨道开关位置或转运设施中卡住，工作人员需能立即停止传送带运行。

带急停按钮的行李输送系统

特性

需要 1518HF-4 PN CPU。利用集成的故障安全功能，通过 PROFIsafe 启用急停按钮。

解决方案

如果其中一个 CPU 发生故障（冗余丢失），S7‑1500HF 冗余系统会由 RUN-Redundant 系统状态切换为 RUN-Solo 系统状态。HF 系统降低了 CPU 发生故障时触发 F-STOP 的可能性。

通过 ET 200SP 分布式 I/O 系统中的故障安全模块启用规定开关位置和转运设施处的急停按钮。如果发生危险或者行李卡住，员工需按下急停按钮。 结果：冗余系统通过 PROFIsafe 立即将传送带关停。

采用 CPU 1518HF-4 PN 和 ET 200SP 并带有故障安全模块的组态

优势

Safety Integrated 具有以下优势：

• 利用 TIA Portal 中的 SIMATIC STEP 7 Safety Advanced 进行工程组态
• 通过 PROFINET 即可连接 PROFIsafe 设备
• 集成系统诊断中的集成

信息安全

信息安全即为保护运动控制系统，防止数据损坏、窃取和人为错误。

保护功能

S7-1500R/H 冗余系统中集成的安全解决方案包含从授权级别到块保护等各种功能，可有效确保网络安全：

保护功能概述

• SIMATIC 存储卡上的工程组态数据
• 在 TIA Portal 与 CPU 之间传输的工程组态数据
• 在 HMI 系统与 CPU 之间传输的工程组态数据
• 在主 CPU 与备用 CPU 之间传输的同步数据
• 加密固件

访问保护通过四个或五个（采用 HF-CPU）授权级别和集成防火墙保护系统，防止在未授权的情况下更改组态专有技术保护通过密码功能，保护系统防止未经授权的访问和算法修改CPU 锁定在前盖上使用密封装置或锁具，保护系统防止未授权的访问

有关 SIMATIC 自动化系统中信息安全机制的更多信息，请参见《SIMATIC S7 控制器安全性》文档和《通信》功能手册。

访问保护示例

可从 STEP 7 的四种或五种（采用 HF-CPU）不同的访问级别中进行选择，以限制用户对功能和存储区进行访问。

信息安全即为保护运动控制系统，防止数据损坏、窃取和人为错误。

保护功能

S7-1500R/H 冗余系统中集成的安全解决方案包含从授权级别到块保护等各种功能，可有效确保网络安全：

保护功能概述

• SIMATIC 存储卡上的工程组态数据
• 在 TIA Portal 与 CPU 之间传输的工程组态数据
• 在 HMI 系统与 CPU 之间传输的工程组态数据
• 在主 CPU 与备用 CPU 之间传输的同步数据
• 加密固件

访问保护通过四个或五个（采用 HF-CPU）授权级别和集成防火墙保护系统，防止在未授权的情况下更改组态专有技术保护通过密码功能，保护系统防止未经授权的访问和算法修改CPU 锁定在前盖上使用密封装置或锁具，保护系统防止未授权的访问

有关 SIMATIC 自动化系统中信息安全机制的更多信息，请参见《SIMATIC S7 控制器安全性》文档和《通信》功能手册。

访问保护示例

可从 STEP 7 的四种或五种（采用 HF-CPU）不同的访问级别中进行选择，以限制用户对功能和存储区进行访问。

例如，如果仅允许用户通过 HMI 进行访问，则可在 TIA Portal 中选择访问级别“HMI 访问”(HMI access)。随后，如果不输入密码，则只能进行 HMI 访问和诊断数据访问。

具有该访问级别的用户可通过 HMI 设备读取和写入变量。

用户不能：

• 将块或硬件配置下载到 CPU
• 将块或硬件配置从 CPU 上传到 PG/PC
• 运行编写测试功能
• 通过 PG/PC 更改操作状态
• 运行固件更新

保护功能的优点和客户收益

上述保护功能可帮助客户资产不受未授权访问和修改，从而帮助其确保工厂可用性的安全。

PG/PC 和 HMI 通信

借助 STEP 7 和 WinCC（自版本 V17 起），固件版本为 2.9 的 R/H-CPU 支持创新和标准化安全 PG/PC 及 HMI 通信（简称为安全 PG/HMI 通信）。

诊断

S7-1500R/H 冗余系统中所有级别的自动化都集成有诊断功能。所有 SIMATIC 产品都集成有诊断功能，用于对故障和错误进行快速定位、分析和记录。

系统诊断功能集成在 CPU 的固件中，可独立于循环用户程序执行。CPU 可进行工厂故障实时检测并立即显示在显示设备上。

统一的显示理念会通过以下设备将错误消息以普通文本形式显示出来：

• TIA Portal
• HMI 设备
• CPU 显示屏

在 IO 设备中显示故障

S7-1500R/H 冗余系统的各个组件通过 PROFINET/工业以太网 (IE) 连接。设备检测到其模块（例如 IO 设备 ET 200SP）中的错误，并将诊断数据发送给指定的 CPU。CPU 分析此诊断信息并通知所连接的显示媒体。分析得出的信息以图形形式显示在 HMI 设备和 CPU 显示屏上的组态和编程软件 (TIA Portal) 中。

跟踪功能功能便于对用户程序进行故障排除和优化。跟踪功能可记录设备变量并对记录进行评估，以供用户分析故障信号响应。如，CPU 中驱动参数变量、系统变量和用户变量。由于 CPU 会直接记录变量，因此，跟踪和逻辑分析器功能适用于监视高度动态的过程。

信号响应分析示例

要分析特定的信号响应，请定义待记录信号的记录和触发条件。

① 可从冗余系统项目树中顶级 CPU 的“跟踪”(Traces) 文件夹中调用跟踪功能。

趋势图 ② 将显示某次记录中所选的信号。在图形下部，各个位将显示为位轨迹。

信号表 ③ 中列出了所选测量的信号以及特定特性的设置选项。

跟踪功能具有以下优势：

• 最多同时记录 16 个信号和四个单独的跟踪作业
• 采用统一标准进行变量分析，即使是偶发错误也能快速定位

工厂内系统诊断的概述

优点和客户收益

集成式系统诊断具有以下优势：

• 诊断始终与工厂的实际状态相同。在 S7-1500R/H 冗余模式下，各 CPU 之间的诊断信息是同步的。
• 统一的显示理念可实现高效错误分析。
• 发现错误后立即判断错误来源可加快调试速度并最大限度地缩短生产停机时间。
• 通过组态诊断事件，根据自动化任务的需求定制诊断功能。

PID 控制

PID 控制器作为标准内置于所有 R/H‑CPU 中。PID 控制器可测量物理变量的实际值，例如温度或压力，并将实际值与设定值进行比较。基于产生的误差信号，控制器计算调节变量，该调节变量会使过程值尽可能快速而稳定地达到设定值。

可以从三种不同的 PID 工艺对象中进行选择：

• 预调节
• 精确调节
• 自动模式
• 手动模式

PID_3StepPID_3Step 工艺对象为 PID 控制器提供带有积分行为的阀门或执行器调节。可组态以下控制器：

• 带位置反馈的三点步进式控制器
• 不带位置反馈的三点步进式控制器
• 带模拟量输出值的阀门控制器

PID_TempPID_Temp 工艺对象提供带有集成调节的连续 PID 控制器。PID_Temp 专为温度控制而设计，适用于加热或加热/冷却应用。共有两个输出，一个用于加热，一个用于冷却。也可以将 PID_Temp 用于其它控制任务。PID_Temp 可以级联。可以在手动或自动模式下使用 PID_Temp。

冷热水混合龙头中阀门的闭环控制示例

自动化任务是根据所需的温度设置控制冷热水混合龙头的阀门。可以在 PID_3Step 工艺对象中组态阀门的开关。为此需要：

• 实际值的模拟量输入通道
• “控制向上”的数字量输出（如打开阀门）
• “控制向下”的数字量输出（如关闭阀门）

第一步是在 STEP 7 中选择 PID_3Step 工艺对象：

优点和客户收益

• 通过集成的编辑器和块简化组态和编程。
• 通过 PG 和 HMI 简化仿真、可视化、调试和操作。
• 在操作期间自动计算控制参数和调节。
• 无需额外的硬件和软件。