【技术干货】S7-1500R系统调试二、三事

2022年1月，山东省某钢铁厂大高炉现场，出现了多套S7-1515R系统调试不顺利，如：同步故障、交叉同步、变频器等多个问题，客户一个星期的排查，仍然无法找到故障原因。

01

系统配置

S7-1500R/H作为西门子最新的冗余系统，其强劲的性能可以满足对容错系统的所有要求。目前S7-1500R/H冗余系统用于以下领域，如：隧道、机场、地铁、造船、废水处理厂、高货架立体仓库等。

这次的S7-1500R/H系统是用于钢铁高炉喷煤系统上，业主要求用S7-1500的冗余系统，经过前期的沟通，推荐了S7-1515R的系统配置。该项目配置总共由3套S7-1515R组成，每套S7-1515R的配置清单大致如下：

S7-1515R

IM155-6 PN/2 HF

SCALANCE XC206-2 (SC)

SCALANCE XC208

WinCC V7.5 SP1

SIMATIC IPC547J

CU240E-2 PN

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02

PROFINET 系统冗余 S1/S2设备在S7-1500R/H系统中的表现

对于S7-1500R/H冗余系统，是双CPU的硬件热备系统。两个CPU会并行处理相同的项目数据和相同的用户程序，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。在S7-1500R/H冗余系统中，引入了系统冗余等级的概念，系统冗余S1、S2。

绝大多支持 PROFINET IO的设备都支持系统冗余S1，S1设备的PROFINET通信连接（AR）资源只有一个，尽管在TIA Portal V16及后续版本中，S1设备可以多重分配给两个R/H的CPU控制器，但运行时只能连接一个PN控制器，如果发生CPU主备切换，将先与主CPU断开，然后与备用CPU建立连接。表现为，通信中断若干秒，之后再建立通信。

而使用S2系统冗余的IO设备可在CPU出现主备切换时与S7-1500R/H冗余系统进行不间断的过程数据交换，IO控制在切换过程中无扰动。

为了实现在主CPU发生故障时（主-备切换）不造成通信中断，S7-1500R/H系统中PROFINET IO设备必须支持S2系统冗余。

03

SCALANCE XC200交换机组态设置

在S7-1500R系统中，需要通过MRP（介质冗余）环网来实现CPU的同步，如果环网上需要交换机，需要交换机支持系统冗余S2、MRP（介质冗余）、H-Sync，当前西门子可以使用的的交换机有以下类型：

SCALANCE XC-200， 固件版本≥ V4.0

SCALANCE XP-200， 固件版本≥ V4.0

SCALANCE XF-200BA， 固件版本≥ V4.0

在此次项目中，XC206放在两个CPU与S2 IO设备的MRP环网中， XC206需要在介质冗余角色的选项里设置为客户端，同时需要根据实际的网口使用情况指定环网端口5和6功能。

在这里XC206和ET200SP一样，组态为冗余CPU的IO设备，也是多重分配。

04

S7-1515R同步故障、分析及解决方法

接下来我们来看一下调试过程中遇到的问题以及解决的方法。

现场情况概述：3套S7-1515R，除了CPU仅能单机运行，其他3个XC206，3套XC208及所有IO设备站点可用，无报错信息及PROFINET环网闭合正常状态。

故障现象1

单套S7-1515R系统中，主CPU在RUN状态，备用CPU启动时，系统将切换到SYNCUP操作模式。正常的过程是：

①复制 SIMATIC 存储卡

②重新启动备用 CPU

③完成任务

④复制工作存储器

⑤弥补备用 CPU 滞后

但是在现场的S7-1515R出现了SYNCUP 中止，在SYNCUP步骤进行到第⑤步时，备份CPU进入停机状态，无法完成同步工作，如图片3。

图3

故障1分析

在SYNCUP阶段⑤，备用CPU要追上主CPU的进度。

追赶过程中，备用CPU不仅要执行用户程序，而且开始与IO设备建立连接，并且备用CPU将在每个循环控制点向主CPU发送有关程序进度的状态消息，所以此时备用CPU负荷非常大。

而图片3中的红色故障部分，显示的就是备用CPU的滞后时长故障，备用 CPU无法跟上主CPU上的程序执行进度；简而言之，备用CPU追不上主CPU，从而导致了SYNCUP失败。

故障1解决方法

放慢用户程序的循环周期时间，让备用CPU在SYNCUP阶段能够追上主CPU进度。将系统最小循环时间适当加大即可。由于考虑到系统后续的程序量，将最小循环时间设置为30ms后，解决该问题。

故障现象2

客户为了简化调试，想通过一个网络编程调试3套S7-1500R, 因而没有严格按项目中的拓扑组态连接网络。客户首先将3套S7-1515R的完整组态独立下载，之后用网线将三套系统串联后，这将三个本该独立的环网随意连接到了一起。出现了第三套系统的一台CPU1515R被第二套系统同步（该台CPU之前是断电状态，送电后，正在从STOP到RUN的状态）。

故障2分析

三套冗余系统的S7-1515R完全一样，版本相同；其中二号系统和三号系统所有的硬件配置、网络架构和拓扑结构完全一样；出现上述故障现象的CPU的冗余ID分别为1,2,1,2；上述条件，完全具备了配对的条件，导致了同步紊乱。

故障2解决方法

3套系统IO环网各自独立，与上位机、编程电脑网络连接由各自CPU的X2口，通过XC208组网。

05

G120组态，切换问题分析及解决方法

在之前我介绍了系统冗余S1、S2 的概念，G120变频器仅支持S1模式，因此在冗余CPU切换的过程中会导致G120的掉站，这样会导致G120触发通信故障而停机，这是控制工艺上不允许的。

在组态上，G120通过TIA博途自带的硬件库组态，无法实现多重分配给两个冗余的CPU1515R我们需要安装G120的GSD文件，通过GSD文件组态，可实现多重分配。

CPU 切换的故障现象

由于G120仅支持S1模式，当冗余系统切换时，G120会触发通信故障而停机。

故障分析

当CPU主备切换时，G120短暂停车，是因为触发了PROFINET通信中断报警，故障代码F8501。

解决方法

S7-1500R/H CPU切换过程中，系统冗余S1的设备会瞬间掉站，这是系统冗余的性能决定的，在主备CPU 一侧是一定会判断掉站的，但是在G120侧，可以通过G120自由功能块的断开延时功能编辑逻辑来对短暂出现的通信故障做延迟响应处理。

也就是说在CPU切换的短暂过程中，CPU认为G120掉站了，但是G120不认为自己掉站，仍然维持最后的运行状态，这样就不会导致G120的停机。

G120 重要参数如下:

最终结果，当CPU主备切换时，G120不停机；如果发生网络中断超过10S后或者其他故障时，G120停机。

这样，通过G120简单的编程处理也可以避免S1设备在冗余CPU切换过程中的停机，解决了客户这个应用要求。

S7-1500R/H系统性能稳定、功能强大，但是调试过程中还是有很多的注意事项的，最后为大家带来《TIA博途编程—基于S7-1500》视频课程，希望今天的分享和这个课程能对大家有所帮助。