西门子S7-1500R/H冗余系统概述

胡 鹏，唐 坚

（江苏扬力集团股份有限公司，江苏 扬州 225000）

随着制造业竞争的加剧，生产企业对生产设备无障碍工作时间的要求越来越高，尤其是那些控制关键性生产工序的自动化生产线，持续工作时间直接影响工厂的生产效率，渐渐地单层网络已经无法满足大部分控制系统的要求。冗余控制是一种满足连续生产需要、提高系统可靠性的有效手段，冗余控制是一种采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统的控制方式。当某一设备或元器件发生故障而损坏时，它可以通过硬、软件或人为方式，相互切换作为后备设备或元器件，替代因故障而损坏的设备或元器件，保持系统正常工作，使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低。

目前，多数的基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller：PLC）的冗余控制系统采用了两套CPU（Central Processing Unit）处理器模块，一个处理器作为主处理器，另外一个作为从处理器。正常情况下，由主处理器工作，从处理器不断监测主处理器的状态，如果主处理器出现故障，从处理器立即替换主处理器控制系统，从而实现对系统的控制。

1 S7-1500R/H冗余系统简介

德国西门子（SIEMENS）公司生产的PLC以其优越的通讯能力和强大的功能，在我国的应用相当的广泛，下面本文以西门子PLC中典型的S7-1500系列为例，详细阐述西门子PLC的冗余控制系统。西门子S7-1500系列PLC的冗余控制系统主要为S7-1500R/H冗余系统，该系统CPU为冗余的，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，如果其中一个CPU出现故障，另外一个CPU会接替它对过程进行控制。

S7-1500R/H冗余系统，均支持两个CPU中的一个发生故障或PROFINET环网断开，不会影响控制系统的正常运行，但是S7-1500R和S7-1500H系统在结构、组态限值等性能上均有所不同。如图1所示为S7-1500R系统结构示意图。

图1 S7-1500R冗余系统结构

S7-1500R系统中的冗余连接是支持介质冗余协议（MediaRedundancyProtocol：MRP）的 PROFINET环网，两个CPU除了通过环网互联外，还必须运用PROFINET电缆直连，以保证当环网出现中断时，所有节点仍能继续相关通信。S7-1500R冗余系统CPU连接使用了PROFINET电缆，因此电缆的部分带宽用于进行R-CPU同步，这一部分带宽不能用于PROFINETIO设备通信，所以S7-1500R冗余系统适用于控制系统数据交互速度要求不高地方。需要注意的是，不支持MRP的PROFINET设备如果需要接入该冗余系统，必须通过交换机与环网进行分隔。通过图1可以看出，如果S7-1500R冗余系统中任意一个CPU故障都不会影响整个控制过程，同时由于PROFINET环网的存在，任意一根PROFINET电缆发生故障，也不会导致整个控制系统运行停止，有效增加了控制系统的可靠性和稳定性。

如图2所示为西门子S7-1500H冗余系统典型结构示意图。

图2 S7-1500H冗余系统结构

与S7-1500R冗余系统不同的是，S7-1500H冗余系统要求利用双CPU组建闭合的PROFINET环网，而CPU间的冗余连接与PROFINET环网分开，使用两根双工光纤电缆通过同步模块组建环网将CPU直接连接在一起，因此H-CPU的同步不会影响PROFINET电缆上的带宽，适用于时间要求较高的控制系统中。和S7-1500R冗余系统相同的是，S7-1500H冗余系统所以节点需要支持MRP，不支持MRP的PROFINET设备如果需要接入该冗余系统，必须通过交换机与环网进行分隔。通过上图可以看出，S7-1500H冗余系统的稳定性和可靠性要优于S7-1500R冗余系统，不但任意一个CPU故障都不会影响控制过程，由于两个CPU之间可以通过三层网络交换数据，两个光纤电缆和PROFINET环网，意味着就算两个光纤电缆同时故障，只要此时PROFINET环网运行正常，都不会影响控制过程，与S7-1500R冗余系统一样，PROFINET环网的存在使得任意一根PROFINET电缆发生故障，不会影响控制过程。

2 S7-1500R/H冗余系统应用

2.1 系统构建

根据实际应用的需要，本文以西门子博图软件搭建了S7-1500R冗余系统应用于设备无故障要求较高的自动化冲压生产线，使用CPU 1515R-2PN的控制器，以分布式IO的形式布置压力机控制系统，将分布式IO和支持PROFINET协议的编码器以及西门子TP1200型号的触摸屏均组态于PROFINET网络中，同时扩展PN/PN耦合器与机器人控制系统通信，完成数据交换。

2.2 组态

根据上述西门子S7-1500R冗余控制系统的应用，对使用过程中遇到的冗余系统软件组态注意事项进行详细描述。西门子组态为博图。在博图软件中组态S7-1500R/H冗余系统，无论添加和删除CPU都必须成对，添加双CPU后软件会自动为CPU的每个PROFINET接口分配一个 IP（Internet Protocol）地址，用户也可以手动分配IP地址，但是两个CPU之间用于组PROFINET环网的接口IP地址必须位于同一个子网中，否则无法进行通信。如图3所示。

图3 设备IP地址设置

除了设置各CPU的设备IP地址外，还需要为冗余系统分配系统IP地址，这样，其他设备就可以通过系统IP地址与冗余系统的主CPU进行数据交换，并且可以确保在冗余系统的主CPU发生故障后，可以与新的主CPU（之前的备用CPU）进行通信。下面以CPU的PROFINET接口X1为例，详细描述系统IP地址的设置流程。

（1）在网络视图中，选择CPU，在巡视窗口中，选择“属性”（Properties）选项卡。

（2）在区域导航中，选择区域“PROFINET接口[X1]”（PROFINET Interface[X1]）和“切换通信的系统IP地址”（System IP Address For Switch Communication）部分。

（3）确保接口X1选中复选框“启用切换通信的系统IP地址“（Enable The System IP Address For Switched Communication），在“IP 地址”（IP Address）字段中，应用或分配系统IP地址。

（4）为系统IP系统地址分配虚拟MAC（Media Access Control Address）地址，虚拟MAC地址的长度为6个字节，字节分配采用十六进制，需要注意的是要确保以太网广播域中存储的MAC地址唯一。如图4所示。

图4 系统IP地址设置

（5）另一个CPU将自动应用上述设置。

在S7-1500R/H冗余系统中，每个CPU都有一个冗余ID（Identity），并且仅当两个CPU的冗余ID不同时，才能实现冗余操作，一般冗余ID的值为1和2。初始调试时的默认状态下，两个CPU的冗余ID均为1，可以通过CPU上的显示屏分配冗余ID，具体操作步骤如下。

（1）冗余系统中两个CPU相互连接且独处于Stop操作状态。

（2）启动要为其分配冗余ID2的CPU。

（3）在该CPU的显示屏上，选择菜单命令“概述> 冗余”（Overview>Redundancy），为该 CPU分配冗余ID2，为CPU分配冗余ID后，CPU将重新启动。如图5所示。

图5 分配冗余ID

需要注意的是，分配好冗余ID后，在项目树中冗余ID为1的CPU处于顶端，冗余ID为2的CPU处于低端。

S7-1500R/H冗余系统两个CPU在配对时，主CPU和备用CPU的角色由系统自行分配。在博图软件项目树中选择S7-1500R/H系统并运行“下载到设备”（Download To Device），操作系统会默认将项目数据下载到主CPU，然后在同步状态下，项目数据会自动从主CPU传输到备用CPU。项目数据默认下载到主CPU的操作步骤如下。

（1）在项目树中右键单击选择S7-1500R/H系统。

（2）从快捷菜单中选择“下载到设备>硬件和软件（仅更改）”（Download To Device>Hardware And Software（Only Changes））命令。

（3）然后在弹出的对话框中，从“PG/PC接口类型”（Type of the PG/PC Interface）下拉列表中选择子网（PN/IE）；在“PG/PC 接口”（PG/PC Interface）中选择指向本地网络的适配器；从“接口/子网连接”（Connection To Interface/Subnet）下拉列表中选择“尝试所有接口”（Try All Interface）条目。如图6所示。

图6 扩展下载对话框

（4）单击“开始搜索”（Start Search）按钮，“选择目标设备”（Select Target Device） 表中会显示S7-1500R/H系统中的CPU及其角色，选择主CPU。

（5）单击“加载”（Load），即可将项目数据下载到冗余系统的主CPU中。

3 结束语

针对当前工业生产方面，对控制系统的稳定性和可靠性要求越来越高，本文以西门子S7-1500系列PLC为例，对西门子冗余系统S7-1500R/H系统的构成、工作原理和运用场合进行了分析，详细描述了S7-1500R/H冗余系统的硬件组成，以及其在软件组态的方面的具体步骤和注意事项，为冗余控制系统的构建和发展提供了进一步支持。