【畅学技术】从 S7-300/400 软冗余到 S7-1500R/H 冗余系统

一、前      言

1994年，西门子发布了 S7-300 PLC 系统。模块化的结构，可自由灵活扩展的配置，简单实用的分布式结构，超强的稳定性以及极高的性价比使其在工业控制领域中被广泛使用，堪称是一款划时代的中型 PLC。S7-300 系列的巨大成功帮助西门子进一步巩固了其全球自动化领域领先者的地位。

2022年10月，西门子发布了 S7-300 退市计划预通知，这也意味着这款经典 PLC 即将完成其使命退出历史舞台，把接力棒交给 S7-1500 家族。

看到 S7-300 将要退市的通知，让我想起二十年前使用 CPU315-2DP+ET200S 分布式 IO 做毕业设计时的那些时光。当时作为工控小白的我看到 S7-300 和 ET200S 这种模块化设计的产品后，第一感觉就是“啊，工业用的东西也不都是傻大黑粗啊”！我的自动化工程师的工作生涯就这样从 S7-300 开始了。此后 S7-300，还有其他 SIMATIC S7 系列的 PLC 就一直存在于我的工作中。

在 S7-300 退市计划预通知里提到了，后续会有 S7-1500 系统提供功能替代。那么有些工控小伙伴就会问了，原来在 S7-300 系统上使用的经济型冗余方案—— SIMATIC S7 软冗余在新的 S7-1500 系统上是否有后来者呢？答案是：肯定有的，在 S7-1500 系统里有专门的冗余解决方案 S7-1500R/H 冗余系统！

二、S7-1500R/H 冗余系统介绍

在 S7-1500R/H 冗余系统中，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，如果一个 CPU 出现故障，另一个 CPU 会接替它对过程进行控制。

图 1 S7-1500R/H 冗余系统

S7-1500R/H 冗余系统提供了两种类型的 CPU，S7-1500R CPU 和 S7-1500H CPU，共有四种型号。其中 CPU1513R 和 CPU1515R 适合中小型项目应用，如果一个 CPU 失效 ，备用 CPU 将自动接管程序控制工作，可以防止数据丢失，并且程序可以快速恢复运行。CPU1517H 具有相似的功能特性，但性能更强，适合处理大型任务。CPU1517H 带有专门的光纤同步模块，可以实现快速、平滑的切换。CPU1518HF 具有更大的内存，更快的速度和更多的通讯接口，并可以应用于对功能安全有要求的领域，功能安全等级可达 SIL 3。

S7-1500R CPU 之间是通过集成的 PROFINET X1 接口进行同步的，两个 CPU 的 PROFINET 接口连接在 MRP 环网上。S7-1500H CPU 有专门的两个同步模块和两根同步光纤，因此与 S7-1500R 相比性能得到显著提升，切换时间更短。除了同步的链路不同外，这两种 CPU 在同步的机制和原理上完全相同，没有区别。

S7-1500R/H 使用的 IO 系统是 PROFINET IO 设备，如 ET200SP 和 ET200MP 分布式 IO 站，推荐使用支持 PROFINET 系统冗余 S2 的设备。

更多关于 S7-1500R/H 冗余系统的信息，请参考 S7-1500R/H 冗余系统的手册，下载链接：

https://support.industry./cs/cn/zh/view/109754833

S7-1500 R/H 冗余控制器进一步扩展了 S7-1500 产品家族，S7-1500 R/H 冗余控制系统可以有效避免控制器故障引起的停机和数据丢失的风险，确保设备的高可用性，进而提高工厂效率。使用 S7-1500R/H 冗余系统可以功能替代原有的 S7-300/400 软冗余，而且性能还有很大提升和扩展！

三、S7-300/400 软冗余与 S7-1500R/H 冗余系

统的主要区别

1、冗余机制不同

S7-300/400 软冗余是通过软件冗余包实现的冗余是软件冗余（software redundancy），是采用编程的方式来实现 PLC 同步和故障切换的。

S7-1500R/H 冗余是硬冗余（hardware redundancy）即采用特殊的硬件模块在 PLC 中固化的操作系统来实现 PLC 同步和故障切换的。

2、待机方式不同

S7-300/400 软冗余是暖待机（Warm standby），当主 CPU 工作时，备用 CPU 处于热备用状态。也就是说，当主 CPU 正在处理冗余部分程序时，备用 CPU 是跳过这些程序的。主 CPU 将所需的信息传递到备用 CPU 中，备用 CPU 根据这些信息同步自己的数据，在发生故障时继续执行冗余用户程序。即备用 CPU 只执行本地的非冗余用户程序，而不会执行可用的冗余用户程序，只有当主 CPU 发生故障之后，备用 CPU 才会继续执行用户程序。因此，在软冗余系统中，主备系统之间的切换时间较长。

S7-1500R/H 冗余是热待机（hot standby），主 CPU 和备用 CPU 都处于 RUN 模式，两个 CPU 实时同步数据和事件，同步处理用户程序，紧密协调。主站发生故障后，备用 CPU 可以立即切换保持系统正常运行，时间为毫秒级。

3、同步链路冗余

软冗余 CPU 间的链路可以有三种选择：CPU集成 MPI 接口、PROFIBUS-DP通信模块和以太网通信模块。因为两个 CPU 之间只有一条数据链路（见图2），所以一旦这条同步链路发生中断，会造成两个 CPU 无法同步。

图 2 S7-300/400 软冗余 CPU 之间的同步链路

在 S7-1500R/H 冗余系统中，两个 S7-1500R CPU 之间同步数据使用的是 PROFINET 环网，即使 CPU 之间的连接网线断开，但由于是环网形式，同步数据还是可以从另外一侧的网络进行。而 S7-1500H CPU 是有两根光纤专门用于同步，本身就是冗余设计，即使一根断开也不影响两个 H CPU 之间的同步。

图3 S7-1500R/H 冗余 CPU 之间的同步链路是冗余的

4、使用的难易程度

前面已经介绍过了，S7-300/400 软冗余是通过软件冗余包来实现的两个 CPU 之间的冗余，因此在使用软冗余的项目时，首先就要安装软冗余的程序包。工程师不仅要编写正常的工艺程序，还要调用专门的冗余程序块，填写正确的参数来保证两个 CPU 能够进入冗余状态，就连基本的硬件组态过程都需要在两个 PLC 的项目里各做一次。同时还要做好程序规划，考虑哪些数据需要同步以及如何同步等。在项目调试中，如果修改了冗余相关的参数，就需要对整个项目进行完全的下载。因此，使用软冗余的项目，工程师不仅要熟悉标准的 S7-300/400 系统的编程、调试和操作，还要深刻理解软冗余的运行机制和特征，才能更好地完成项目。

图 4  软冗余中要使用的冗余库

而对于 S7-1500R/H 冗余系统的使用就简单多了。首先冗余功能完全集成在 TIA Portal 中，从 15.1 版本开始就支持 S7-1500R/H CPU，不需要单独安装任何的软件包。对于用户程序的设计和编程，S7-1500R/H 冗余系统所采用的规则与 S7-1500 自动化系统相同。就用户程序执行而言，S7-1500R/H 冗余系统的特性与 S7-1500 自动化系统也完全相同。两个 CPU 的同步功能已集成到 CPU 的操作系统中，可在主 CPU 和备用 CPU 之间自动运行，工程师无需深入了解冗余专有知识。编程时不需要额外增加程序，只要基于标准模式进行常规处理就可以。在进行硬件配置、参数设置和程序编写时只需要当作一个单机 PLC 使用即可。

图5  S7-1500R/H 的参数设置界面

图6  S7-1500R/H 的编程界面

最后，我们将两者之间的区别简单做了张对比表：

更多关于 S7-1500R/H 冗余系统的信息，可以参考前面提到的 S7-1500R/H 冗余系统的手册，后续也会在西门子1847工业学习平台发布相关视频，敬请期待！

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