一、前      言

1994年，西門子發布了 S7-300 PLC 系統。模塊化的結構，可自由靈活擴展的配置，簡單實用的分布式結構，超強的穩定性以及極高的性價比使其在工業控制領域中被廣泛使用，堪稱是一款劃時代的中型 PLC。S7-300 系列的巨大成功幫助西門子進一步鞏固了其全球自動化領域lingxian者的地位。

2022年10月，西門子發布了 S7-300 退市計劃預通知，這也意味著這款經典 PLC 即將完成其使命退出歷史舞臺，把接力棒交給 S7-1500 家族。

看到 S7-300 將要退市的通知，讓我想起二十年前使用 CPU315-2DP+ET200S 分布式 IO 做畢業設計時的那些時光。當時作為工控小白的我看到 S7-300 和 ET200S 這種模塊化設計的產品后，第一感覺就是“啊，工業用的東西也不都是傻大黑粗啊”！我的自動化工程師的工作生涯就這樣從 S7-300 開始了。此后 S7-300，還有其他 SIMATIC S7 系列的 PLC 就一直存在于我的工作中。

在 S7-300 退市計劃預通知里提到了，后續會有 S7-1500 系統提供功能替代。那么有些工控小伙伴就會問了，原來在 S7-300 系統上使用的經濟型冗余方案—— SIMATIC S7 軟冗余在新的 S7-1500 系統上是否有后來者呢？答案是：肯定有的，在 S7-1500 系統里有專門的冗余解決方案 S7-1500R/H 冗余系統！

二、S7-1500R/H 冗余系統介紹

在 S7-1500R/H 冗余系統中，CPU 是重復的，也就是冗余的。兩個  CPU 會并行處理相同的項目數據和相同的用戶程序，如果一個 CPU 出現故障，另一個 CPU 會接替它對過程進行控制。

圖 1 S7-1500R/H 冗余系統

S7-1500R/H 冗余系統提供了兩種類型的 CPU，S7-1500R CPU 和 S7-1500H CPU，共有四種型號。其中 CPU1513R 和 CPU1515R 適合中小型項目應用，如果一個 CPU 失效 ，備用 CPU 將自動接管程序控制工作，可以防止數據丟失，并且程序可以快速恢復運行。CPU1517H 具有相似的功能特性，但性能更強，適合處理大型任務。CPU1517H 帶有專門的光纖同步模塊，可以實現快速、平滑的切換。CPU1518HF 具有更大的內存，更快的速度和更多的通訊接口，并可以應用于對功能安全有要求的領域，功能安全等級可達 SIL 3。

S7-1500R CPU 之間是通過集成的 PROFINET X1 接口進行同步的，兩個 CPU 的 PROFINET 接口連接在 MRP 環網上。S7-1500H CPU 有專門的兩個同步模塊和兩根同步光纖，因此與 S7-1500R 相比性能得到顯著提升，切換時間更短。除了同步的鏈路不同外，這兩種 CPU 在同步的機制和原理上完全相同，沒有區別。

S7-1500R/H 使用的 IO 系統是 PROFINET IO 設備，如 ET200SP 和 ET200MP 分布式 IO 站，推薦使用支持 PROFINET 系統冗余 S2 的設備。

更多關于 S7-1500R/H 冗余系統的信息，請參考 S7-1500R/H 冗余系統的手冊，下載鏈接：

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

S7-1500 R/H 冗余控制器進一步擴展了 S7-1500 產品家族，S7-1500 R/H 冗余控制系統可以有效避免控制器故障引起的停機和數據丟失的風險，確保設備的高可用性，進而提高工廠效率。使用 S7-1500R/H 冗余系統可以功能替代原有的 S7-300/400 軟冗余，而且性能還有很大提升和擴展！

三、S7-300/400 軟冗余與 S7-1500R/H 冗余系

統的主要區別

1、冗余機制不同

S7-300/400 軟冗余是通過軟件冗余包實現的冗余是軟件冗余（software redundancy），是采用編程的方式來實現 PLC 同步和故障切換的。

S7-1500R/H 冗余是硬冗余（hardware redundancy）即采用特殊的硬件模塊在 PLC 中固化的操作系統來實現 PLC 同步和故障切換的。

2、待機方式不同

S7-300/400 軟冗余是暖待機（Warm standby），當主 CPU 工作時，備用 CPU 處于熱備用狀態。也就是說，當主 CPU 正在處理冗余部分程序時，備用 CPU 是跳過這些程序的。主 CPU 將所需的信息傳遞到備用 CPU 中，備用 CPU 根據這些信息同步自己的數據，在發生故障時繼續執行冗余用戶程序。即備用 CPU 只執行本地的非冗余用戶程序，而不會執行可用的冗余用戶程序，只有當主 CPU 發生故障之后，備用 CPU 才會繼續執行用戶程序。因此，在軟冗余系統中，主備系統之間的切換時間較長。

S7-1500R/H 冗余是熱待機（hot standby），主 CPU 和備用 CPU 都處于 RUN 模式，兩個 CPU 實時同步數據和事件，同步處理用戶程序，緊密協調。主站發生故障后，備用 CPU 可以立即切換保持系統正常運行，時間為毫秒級。

3、同步鏈路冗余

軟冗余 CPU 間的鏈路可以有三種選擇：CPU集成 MPI 接口、PROFIBUS-DP通信模塊和以太網通信模塊。因為兩個 CPU 之間只有一條數據鏈路（見圖2），所以一旦這條同步鏈路發生中斷，會造成兩個 CPU 無法同步。

圖 2 S7-300/400 軟冗余 CPU 之間的同步鏈路

在 S7-1500R/H 冗余系統中，兩個 S7-1500R CPU 之間同步數據使用的是 PROFINET 環網，即使 CPU 之間的連接網線斷開，但由于是環網形式，同步數據還是可以從另外一側的網絡進行。而 S7-1500H CPU 是有兩根光纖專門用于同步，本身就是冗余設計，即使一根斷開也不影響兩個 H CPU 之間的同步。

圖3 S7-1500R/H 冗余 CPU 之間的同步鏈路是冗余的

4、使用的難易程度

前面已經介紹過了，S7-300/400 軟冗余是通過軟件冗余包來實現的兩個 CPU 之間的冗余，因此在使用軟冗余的項目時，首先就要安裝軟冗余的程序包。工程師不僅要編寫正常的工藝程序，還要調用專門的冗余程序塊，填寫正確的參數來保證兩個 CPU 能夠進入冗余狀態，就連基本的硬件組態過程都需要在兩個 PLC 的項目里各做一次。同時還要做好程序規劃，考慮哪些數據需要同步以及如何同步等。在項目調試中，如果修改了冗余相關的參數，就需要對整個項目進行完全的下載。因此，使用軟冗余的項目，工程師不僅要熟悉標準的 S7-300/400 系統的編程、調試和操作，還要深刻理解軟冗余的運行機制和特征，才能更好地完成項目。

圖 4  軟冗余中要使用的冗余庫

而對于 S7-1500R/H 冗余系統的使用就簡單多了。首先冗余功能完全集成在 TIA Portal 中，從 15.1 版本開始就支持 S7-1500R/H CPU，不需要單獨安裝任何的軟件包。對于用戶程序的設計和編程，S7-1500R/H 冗余系統所采用的規則與 S7-1500 自動化系統相同。就用戶程序執行而言，S7-1500R/H 冗余系統的特性與 S7-1500 自動化系統也完全相同。兩個 CPU 的同步功能已集成到 CPU 的操作系統中，可在主 CPU 和備用 CPU 之間自動運行，工程師無需深入了解冗余專有知識。編程時不需要額外增加程序，只要基于標準模式進行常規處理就可以。在進行硬件配置、參數設置和程序編寫時只需要當作一個單機 PLC 使用即可。

圖5  S7-1500R/H 的參數設置界面

圖6  S7-1500R/H 的編程界面

Zui后，我們將兩者之間的區別簡單做了張對比表：