系统概述 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统对于 S7-1500R/H 冗余系统，CPU 是重复的，也就是冗余的。两个 CPU 会并行处理相同的项目数据和相同的用户程序。两个 CPU 通过两条冗余连接进行同步。如果一个 CPU 出现故障，另一个 CPU 会接替它对过程进行控制。使用冗余自动化系统的目的冗余自动化系统旨在通过并行运行两个系统降低生产停机的可能性。故障安全自动化系统的目标故障安全自动化系统旨在通过安全关断将系统切换到安全状态，以保护生命安全、环境和资产。说明H-CPU 系统手册的所有内容理论上也适用于故障安全 CPU (HF-CPU)。有差异的内容和特殊功能作为补充内容进行介绍，并标记为参考内容。4.1.1 应用范围目标S7-1500R/H 冗余系统可提供高度的可靠性和系统可用性。最重要的自动化组件的冗余组态可降低生产停机的可能性并减轻组件错误造成的后果。生产停机的风险和成本越高，越值得使用冗余系统。可通过避免生产停机补偿通常来讲较高的投资成本。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 33使用在冗余操作的系统中，个别自动化组件的故障不得妨碍工厂运营。S7-1500R/H 冗余系统用于以下领域，如：• 隧道• 机场（例如行李传送带）• 地铁• 造船• 废水处理厂• 高货架立体仓库示例 1：避免停机自动化任务在公路隧道的以下应用中，可使用自动化解决方案：• 控制隧道中的照明• 控制隧道通风，以符合隧道内污染物浓度要求特点通风系统需确保不间断操作，从而将污染物浓度低于设定水平。为此，通风系统需确保始终可用，以应从容应对自动化组件故障事件（如，因隧道内起火）。解决方法使用三个风扇 (M) 对隧道进行通风。自动化解决方案根据测得的污染物浓度控制风扇速度。隧道中的三个传感器测量空气中的污染物水平。配有两个冗余 CPU 的 S7-1500H 冗余系统用于确保风扇可用性。S7-1500H 冗余系统在控制风扇的同时还控制着照明装置和交通信号灯。图 4-1 示例：隧道自动化系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统34 系统手册, 01/2023, A5EAE优势用于控制风扇的用户程序在 S7-1500H 冗余系统中的两个 CPU 上运行。两个 CPU 间的位置可距离长达 40 km。如果因本地故障导致一个 CPU 或一条冗余连接失败，则该故障不会所控制的过程造成任何影响。风扇继续运转。有关 S7-1500H 隧道自动化的详细说明，请参见冗余系统 S7-1500R/H 入门指南示例 2：避免因数据丢失增加系统重启成本自动化任务物流公司通过相应的自动化解决方案，对高货架立体仓库内中的货物的存取货仓进行控制。特点控制器故障会产生严重后果。系统重启后，需要重新找到存取货仓并再次记录集装箱内的货物清单。自动化解决方案需确保 CPU 发生故障时无任何数据丢失，以及仓库的继续运作。解决方法在仓库中对货物进行存取时，存取货仓将沿着 X、Y 和 Z 轴进行移动。如果该过程发生中断，则可能导致数据丢失，无法确认货物的所在位置。为了防止数据丢失，可采用 S7-1500R 冗余系统对货物的存取货仓进行控制。图 4-2 示例：高货架立体仓库系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 35优势如果一个 CPU 发生故障，另一个 CPU 将接管过程控制。过程数据和用户程序均冗余保存，可有效确保 CPU 发生故障时数据不会丢失。更换故障 CPU 并切换为 RUN 模式后，冗余系统将自动使用新 CPU 中的用户程序同步该项目。这一解决方案不仅可节省大量维护时间，同时还可有效降低仓库的停机成本。示例 3：避免设备和材料损坏自动化任务炼钢厂需要一个专业的自动化解决方案，对钢铁生产中所用的高炉进行控制。特点故障（尤其是过程工业中的故障）可能会导致系统、工件或物料损坏。在炼钢厂，如果过程中断，则将导致生铁冷却危险。之后，这些生铁将无法再用于钢材生产。自动化解决方案需确保 CPU 发生故障时工厂继续运行，以及物料无损。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统36 系统手册, 01/2023, A5EAE解决方法使用 S7-1500R 冗余系统，对高炉生产加工进行控制。通过冗余系统中的分布式自动化组件，严密控制温度、体积和压力等参数。图 4-3 示例：高炉优势S7-1500R 冗余系统可完美解决因 CPU 或冗余连接故障而引发的各种问题。您可在设备运行过程中更换 CPU，而无需中断钢材冶炼过程。不间断地工厂运行可有效地降低高额的重启与物料成本。参考有关采用 1518HF-4 PN CPU 的 SIMATIC Safety Integrated 的示例，请参见“安全 (页 73)”部分。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 374.1.2 S7-1500R/H 冗余系统的工作原理简介在 S7-1500R/H 冗余系统中，两个 CPU 中的一个发生故障不会影响正常的过程运行。S7-1500R 和 S7-1500H 系统在结构、组态限值以及性能上均有所不同。在 S7-1500R 系统中，环形拓扑中断不会影响正常的过程运行。在 S7-1500H 系统中，线路拓扑中断和 R1 设备中的接口模块故障也不会影响正常的过程运行。说明每个 PROFINET 环网一次只能包含一个 R 系统或一个 H 系统。不支持在同一 PROFINET 环网中同时使用一个 R 系统和一个 H 系统。S7-1500 的设计和工作原理S7-1500R 冗余系统包含以下组件：• 两个 S7-1500R CPU ①• 采用介质冗余协议 PROFINET 环网 ②• IO 设备 ③• 交换机 ④（如果需要）S7-1500R 冗余系统需要使用 PROFINET 环网。两个 CPU 必须通过 PROFINET 电缆互连。即使发生环网中断，所有节点仍继续相互通信。PROFINET 环网中的所有 PROFINET 设备必须支持介质冗余 (MRP)。可以通过 ④ 交换机将其它设备与 PROFINET 环网分离，例如：• 带有一个端口的 PROFINET 设备• 不支持 MRP 的 PROFINET 设备• 不支持 H-Sync 转发功能的 PROFINET 设备，比如标准 IO 设备S7-1500R 系统中的冗余连接是支持 MRP ② 的 PROFINET 环网。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统38 系统手册, 01/2023, A5EAE下图显示了 PROFINET 环网中 S7-1500R 的组态。① R-CPU (CPU 1515R-2 PN)② PROFINET 电缆（冗余连接，PROFINET 环网）③ IO 设备④ 交换机图 4-4 PROFINET 环网中的 S7-1500R 组态工作原理在冗余系统中，两个 CPU 中的一个将作为主 CPU 角色。另一个 CPU 将作为跟随 CPU（备用 CPU）。在操作过程中，各 CPU 的角色可变更。由于主 CPU 与备用 CPU 间进行同步，因此可确保主 CPU 发生故障时可在 CPU 间快速切换。如果主 CPU 发生故障，则备用 CPU将作为新的主 CPU 继续进行过程控制。该冗余连接使用 PROFINET 电缆的部分带宽进行 R-CPU 同步。即，这一部分带宽无法用于PROFINET IO 通信。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 39S7-1500H 组态和操作原理S7-1500H 冗余系统中包含下列组件：• 两个 CPU S7-1500H ①• 采用介质冗余协议 PROFINET 环网 ②（仅当组态为环形拓扑时）• 两个冗余连接 ③• IO 设备 ④• 可能的交换机 ⑤与 S7-1500R 相比，S7-1500H 支持更多的功能和组态变型：• 系统冗余 R1• H-CPU 不必是 PROFINET 环网或 MRP 域的一部分。因此，可支持其它拓扑变型，例如线形拓扑、组合型拓扑或无需额外设备的设置。环形拓扑对于环型拓扑中的 S7-1500H，与 S7-1500R 一样，需要通过 CPU 闭合的 PROFINET 环网②。即使发生环网中断，所有节点仍继续相互通信。PROFINET 环网中的所有 PROFINET设备必须支持介质冗余 (MRP)。如果使用 R1 设备组态冗余系统，则需要两个独立的 PROFINET 环网。可以通过 ⑤ 交换机将其它设备与 PROFINET 环网分离，例如：• 带有一个端口的 PROFINET 设备• 不支持 MRP 的 PROFINET 设备系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统40 系统手册, 01/2023, A5EAE下图显示了 PROFINET 环网中 S7-1500H 的组态。① H-CPU② PROFINET 电缆（PROFINET 环网）③ 冗余连接（光纤电缆）④ IO 设备⑤ 交换机图 4-5 PROFINET 环网中连接了 IO 设备的 S7-1500H 组态系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 41下图显示了在两个单独的 PROFINET 环网中带有 R1 设备的 S7-1500H 的组态。① H-CPU② 冗余连接（光纤电缆）③ PROFINET 电缆（PROFINET 环网 1）④ PROFINET 电缆（PROFINET 环网 2）⑤ IO 设备（采用 R1 系统冗余）图 4-6 在 PROFINET 环网中组态包含 R1 设备的 S7-1500H系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统42 系统手册, 01/2023, A5EAE线形拓扑如果在线形拓扑中组态冗余系统，则不需要 PROFINET 环网。线形拓扑中的 PROFINET 设备不必支持介质冗余 (MRP)。这意味着无需重新组态 MRP，并且可以缩短监视时间。在使用 SIMATIC Safety 的应用中，这可以实现更短的安全距离。其它设备（例如带有一个端口的 PROFINET 设备）通过交换机 ④ 与线路分离。对于线形拓扑，H-CPU 必须位于线路的末端。下图显示了线形拓扑中包含 S2 设备的 S7-1500H 的组态。① H-CPU② 冗余连接（光纤电缆）③ IO 设备（采用系统冗余 S2）④ 交换机⑤ PROFINET 电缆（线形拓扑）⑥ HMI 设备图 4-7 线形拓扑中包含 S2 设备和交换机的 S7-1500H 组态系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 43下图显示了线形拓扑中包含 R1 设备的 S7-1500H 的组态。① H-CPU② 冗余连接（光纤电缆）③ PROFINET 电缆（线形拓扑 1）④ PROFINET 电缆（线形拓扑 2）⑤ IO 设备（采用 R1 系统冗余）图 4-8 线形拓扑中包含 R1 设备的 S7-1500H 组态H-CPU 的 X1 接口上无附加设备的 S7-1500H只有 2 个 H-CPU 的组态适用于在 H-CPU 的 PROFINET 接口 X1 P1R/X1 P2R 上不需要任何附加设备的所有应用（例如 Modbus/TCP）：① H-CPU② 冗余连接（光纤电缆）图 4-9 不含附加设备的 S7-1500H 组态工作原理与 S7-1500R 中不同，S7-1500H 中的 PROFINET 环网（PROFINET 网络）与冗余连接是分开的。两个冗余连接使用光纤电缆经由同步模块将 CPU 直接连接在一起。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统44 系统手册, 01/2023, A5EAE在冗余系统中，两个 CPU 中的一个将作为主 CPU 角色。另一个 CPU 将作为跟随 CPU（备用 CPU）。在操作过程中，各 CPU 的角色可变更。由于主 CPU 与备用 CPU 间进行同步，因此可确保主 CPU 发生故障时可在 CPU 间快速切换。如果主 CPU 发生故障，则备用 CPU 将作为新的主 CPU 继续进行过程控制。H-CPU 的同步不会影响 PROFINET 上的带宽。参考有关 S7-1500H 冗余系统的更多信息和组态变型（例如组合拓扑），请参见“S7-1500H 冗余系统的特定组态变型 (页 105)”部分。系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统系统手册, 01/2023, A5EAE 45S7-1500R 与 S7-1500H 的区别表格 4- 1 S7-1500R 与 S7-1500H 的系统差异S7-1500R S7-1500HCPU 1513R-1 PNCPU 1515R-2 PNCPU 1517H-3 PNCPU 1518HF-4 PN性能 • 数据传输率为 100 Mbps（用于同步和通信）• 数据工作存储器：– CPU 1513R-1 PN：最大 2.5 MB– CPU 1515R-2 PN：最大 4.5 MB• 代码工作存储器：– CPU 1513R-1 PN：最大 600 KB– CPU 1515R-2 PN：最大 1 MB• 与 S7-1500R 相比，性能得到显著提升，原因如下：– 通过光缆建立的单独冗余连接– 计算能力强• 数据传输率为 1 Gbps（用于同步）• 数据工作存储器：– CPU 1517H-3 PN：最大为 8 MB– CPU 1518HF-4 PN：最大 60 MB• 代码工作存储器：– CPU 1517H-3 PN：最大为 2 MB– CPU 1518HF-4 PN：最大 9 MB硬件 • CPU 在设计方面与相应的标准型S7-1500 完全相同。• CPU 同步在 PROFINET 环网中进行。• 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 HSync 转发功能。• 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。• PROFINET 电缆的部分带宽用于同步CPU。因此，可用于 PROFINET IO 通信的带宽较少。• 每个 CPU 都配有 2 个光纤接口。• CPU 的同步通过光纤独立于 PROFINET网络工作。• PROFINET 电缆的全部带宽均可用于PROFINET IO 通信。范围 • 两个 R-CPU 之间的距离：– 不带介质转换器时，最长 100 m– 有介质转换器时数千米（取决于所用介质转换器）• 两个 H-CPU 之间的距离：– 最长 40 km（取决于所用的同步模块）系统概述4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？S7-1500R/H 冗余系统46 系统手册, 01/2023, A5E4R S7-1500H组态版本 包含 S2 设备、开关型 S1 设备的 PROFINET环网• 包含 S2 设备、开关型 S1 设备的PROFINET 网络• 包含 R1 设备的 PROFINET 网络• 组合拓扑中包含 R1 设备、S2 设备、开关型 S1 设备的 PROFINET 网络• 不含附加设备的组态组态限值 • 在 PROFINET 环网中：最多 50 个PROFINET 设备，包括 R-CPU（建议最多16 个 PROFINET 设备）• 在 PROFINET 环网中，通过交换机（附加线形拓扑）分隔开：最多 64 个 IO 设备• PROFINET 环网：最多 50 个 PROFINET设备（包括 H-CPU）• PROFINET 网络（环网、线形或组合拓扑）：最多 256 个 IO 设备S7-1500 标准系统与 S7-1500R/H 对比下表列出了 S7-1500 自动化系统与 S7-1500R/H 冗余系统的类似 CPU 的主要特点。