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什么是 S7-1500R/H 冗余系统?

发布时间2021-12-07人气:40

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。


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。

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。

图片11.png

例:隧道自动化


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 10 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。

图片12.png

例:高货架立体仓库


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。

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。

图片13.png

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”部分。

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 中的一个发生故障或 PROFINET 环网断开,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。


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

下图显示了 S7-1500R 冗余系统的典型结构。

图片14.png

CPU 1515R-2 PN

PROFINET 电缆(冗余连接,PROFINET 环网)

IO 设备

交换机

S7-1500R 冗余系统的结构

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 d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。

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。

S7-1500H 的结构和工作原理

下图显示了 S7-1500H 冗余系统的典型结构。

图片15.png

工厂组件与自动化层级

工厂组件与自动化层级

以下示意图显示了冗余系统中从管理层级到控制层级和现场层级的主要组件。

图片16.png

 S7-1500R 为例介绍管理、控制和现场层级的可能组态


位于管理层级的主 PC 访问位于控制层级和现场层级的各种设备。主 PC 通过工业以太网连接到 CPU。

处于控制层级的 R-CPU 采用冗余设计。处于现场层级的 IO 设备连接至 PROFINET 环网内的 R-CPU。

冗余 S7-1500R 系统通过 PN/PN 耦合器与另一 PROFINET IO 系统循环交换 IO 数据。PN/PN 耦合器的左侧分配给 S7-1500R 冗余系统。PN/PN 耦合器的右侧分配给 CPU 1516-3 PN/DP(IO 控制器)。

该组态允许一个 CPU 发生故障或 PROFINET 环网中断。主 CPU 和备用 CPU 并行执行用户程序。如果一个 CPU 发生故障,另一个 CPU 将接管过程控制。

如果 PROFINET 环网中断(例如因电缆断开或 IO 设备故障),环网不再冗余。但未发生故障的 IO 设备会继续运行并可被访问。

CPU 1517H-3 PN

PROFINET 电缆(PROFINET 环网)

冗余连接(光纤电缆)

IO 设备

交换机

S7-1500H 冗余系统的结构

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

  • 两个冗余连接 ③

  • IO 设备 ④

  • 交换机 ⑤(如果需要)

对于 S7-1500R,S7-1500H 冗余系统要求通过 CPU 闭合 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)。

可以通过 ⑤ 交换机将其它设备与环网分离,例如:

  • 带有一个端口的 PROFINET d设备

  • 不支持 MRP 的 PROFINET 设备,例如标准 IO 设备

与 S7-1500R 中不同,S7-1500H 中的 PROFINET 环网与冗余连接是分开的。两个冗余连接使用光纤电缆 ③ 经由同步模块将 CPU 直接连接在一起。

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。

S7-1500R 与 S7-1500H 的区别

S7-1500R 与 S7-1500H 的系统差异


S7-1500R

S7-1500H

CPU 1513R‑1 PN

CPU 1515R‑2 PN

CPU 1517H‑3 PN
CPU 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:最大为 1.5 MB

    • CPU 1515R-2 PN:最大为 3 MB

  • 代码工作存储器:

    • CPU 1513R-1 PN:最大为 300 KB

    • CPU 1515R-2 PN:最大为 500 KB

  • 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 H-Sync 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 同步通过光缆进行,独立于 PROFINET 环网。

  • 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 10 km(取决于所用的同步模块)

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(线路)分隔开:最多 66 个 PROFINET 设备(包括 R-CPU)

  • 在 PROFINET 环网中:最多 50 个 PROFINET 设备(包括 H-CPU)

  • 在 PROFINET 环网中,通过交换机(线路)分隔开:最多 258 个 PROFINET 设备(包括 H-CPU)

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。

S7-1500 与 S7-1500R/H 比较


S7-1500

S7-1500R/H

CPU 1513‑1 PN

CPU 1515‑2 PN

CPU 1517‑3 PN/DP

CPU 1518F-4 PN/DP

CPU 1513R‑1 PN

CPU 1515R‑2 PN

CPU 1517H‑3 PN

CPU 1518HF-4 PN

支持集中式 I/O

---

---

组态控制

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---

Web 服务器

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CPU 冗余

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---

系统冗余 S2

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S1 设备

 1)

 1)

等时同步模式

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共享设备

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IRT

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MRP

MRPD

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---

OPC UA

---

---

运动控制

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---

PID 控制

安全集成

保护功能:防拷贝保护

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---

安全模式 2)

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---

集成系统诊断

1) 作为交换 S1 设备

2) 为了保护人身安全、环境或投资,需要使用故障安全自动化系统(F 系统)。

可扩展性

简介

与非冗余系统相比,冗余系统使用起来对成本更为敏感:

  • 有两个 CPU。

  • 物理连接(PROFINET 环网和冗余连接)可能需要跨越较远的距离。

S7-1500R/H 冗余系统可扩展。也就是说,S7‑1500R 和 S7‑1500H 系统的功能范围相同,但在以下方面有所不同:

  • 性能

  • 硬件

  • 范围

  • 组态限值

  • 成本


说明



MRP 互连

MRP 互连可在 PROFINET 网络中实现两个或更多环网与 MRP 的冗余耦合。采用 MRP 互连后,设置冗余网络拓扑时将不受环网中最多设备数量的限制。更多信息,请参见“冗余”部分。



S7-1500R

通过 CPU S7-1515R-2 PN 的 X2 PROFINET 接口或使用额外的交换机将 CPU 连接至工业以太网。

S7-1500 支持的 PROFINET 设备(交换机、S7-1500R/H CPU、S7-1500 CPU(V2.5 或更高版本)、HMI 设备和 IO 设备,如 ET 200MP 和 ET 200SP)数目如下:

  • 在 PROFINET 环网中:最多 50 个(建议值:最多 16 个)

  • 在 PROFINET 环网中,通过交换机(线路)分隔开:最多 66 个


说明



针对 S7-1500R 的建议:PROFINET 环网中最多运行 16 个 PROFINET 设备(包括 R-CPU)。

PROFINET 环网中的设备数量会影响 S7-1500R 系统的可用性。因此在 PROFINET 环网中运行的 PROFINET 设备(包括 R-CPU)数量不应超过 16 个。如果 PROFINET 环网中运行的设备数量显著高于该限值,则会降低 IO 设备与 R-CPU 的可用性。

本文档中的技术规范基于环网中建议的 S7-1500R 可连接 PROFINET 设备最大数量,16 个。



S7-1500R 中的冗余连接为支持 MRP 的 PROFINET 环网。CPU 通过 PROFINET 环网进行同步。

图片17.png

负载电源(可选)

CPU S7-1515R-2 PN

PROFINET 电缆(冗余连接,PROFINET 环网)

PROFINET 环网中的 IO 设备

交换机

PROFINET 环网之外的 IO 设备(通过交换机分隔开)

S7-1500R 组态方式


S7-1500H

通过 PROFINET 接口或使用额外的交换机将 CPU 连接至工业以太网。

S7-1500 支持的 PROFINET 设备(交换机、S7-1500R/H CPU、S7-1500 CPU(V2.5 或更高版本)和 HMI 设备)数目如下:

  • 在 PROFINET 环网中:最多 50 个

  • 在 PROFINET 环网中,通过交换机(线路)分隔开:最多 258 个

S7-1500H 中的冗余连接是两根双工光纤电缆,通过同步模块将 CPU 直接连接在一起。

图片18.png

负载电源(可选)

CPU 1517H‑3 PN

PROFINET 电缆(PROFINET 环网)

冗余连接(2 根双工光纤电缆)

PROFINET 环网中的 IO 设备

交换机

PROFINET 环网之外的 IO 设备(通过交换机分隔开)

S7-1500H 组态方式

特点概述

S7-1500R/H 冗余系统满足对容错系统的所有要求。下图列出了主要特点。

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