[西门子]SIMATIC S7-1500 S7-1500R-H 冗余系统

目录

1 简介 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 10
1.1 S7-1500R/H 文档指南 ……………………………………………………………………………………… 12
1.1.1 信息类 S7-1500R/H …………………………………………………………………………………………. 12
1.1.2 SIMATIC 技术文档 …………………………………………………………………………………………… 13
2 安全信息 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 16
2.1 安全性信息 ……………………………………………………………………………………………………. 16
2.2 常规安全说明 ………………………………………………………………………………………………… 16
2.2.1 本文档中的警告 ……………………………………………………………………………………………… 16
2.2.2 安全符号 ………………………………………………………………………………………………………. 17
2.2.2.1 无防爆保护的设备 ………………………………………………………………………………………….. 17
2.2.2.2 有防爆保护的设备 ………………………………………………………………………………………….. 18
2.2.3 预期用途 ………………………………………………………………………………………………………. 19
2.2.4 对设备和备件进行改造 ……………………………………………………………………………………. 19
2.2.5 目标群体和人员资质 ……………………………………………………………………………………….. 20
2.2.6 个人防护装备 ………………………………………………………………………………………………… 20
2.2.7 开放源代码软件 ……………………………………………………………………………………………… 21
2.2.8 安全操作 ………………………………………………………………………………………………………. 22
2.2.8.1 操作电气部件 ………………………………………………………………………………………………… 22
2.2.9 残余风险 ………………………………………………………………………………………………………. 22
2.2.9.1 带电部件 ………………………………………………………………………………………………………. 22
2.2.9.2 导电污染 ………………………………………………………………………………………………………. 23
2.2.9.3 激光辐射 ………………………………………………………………………………………………………. 23
2.2.9.4 过热 …………………………………………………………………………………………………………….. 24
2.2.9.5 不安全的运行状态 ………………………………………………………………………………………….. 24
2.2.10 紧急情况下的行为 ………………………………………………………………………………………….. 25
2.2.11 材料损坏 ………………………………………………………………………………………………………. 25
2.2.11.1 运输和存放 ……………………………………………………………………………………………………. 25
2.2.11.2 安装和连接 ……………………………………………………………………………………………………. 25
3 新属性/功能 ……………………………………………………………………………………………………………………. 26
4 系统概述 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 32
4.1 什么是 S7-1500R/H 冗余系统？ ………………………………………………………………………… 32
4.1.1 应用范围 ………………………………………………………………………………………………………. 32
4.1.2 S7-1500R/H 冗余系统的工作原理 ………………………………………………………………………. 37
4.1.3 工厂组件与自动化层级 ……………………………………………………………………………………. 48
4.1.4 可扩展性 ………………………………………………………………………………………………………. 49
4.1.5 特点概述 ………………………………………………………………………………………………………. 54

4.2 组态 …………………………………………………………………………………………………………….. 55
4.2.1 S7-1500R 冗余系统的结构 ……………………………………………………………………………….. 55
4.2.2 S7-1500H 冗余系统的结构 ………………………………………………………………………………. 56
4.2.3 采用 SIMATIC S7-1500HF 的故障安全系统的组态 …………………………………………………. 57
4.2.4 组件 …………………………………………………………………………………………………………….. 59
4.3 S7-1500 R/H-CPU ……………………………………………………………………………………………. 61
4.3.1 CPU 技术规范概述 ………………………………………………………………………………………….. 62
4.3.2 冗余 …………………………………………………………………………………………………………….. 63
4.3.3 安全性 …………………………………………………………………………………………………………. 73
4.3.4 信息安全 ………………………………………………………………………………………………………. 77
4.3.5 诊断 …………………………………………………………………………………………………………….. 79
4.3.6 跟踪 …………………………………………………………………………………………………………….. 81
4.3.7 PID 控制 ……………………………………………………………………………………………………….. 83
4.4 通信 …………………………………………………………………………………………………………….. 86
4.4.1 系统和设备 IP 地址 …………………………………………………………………………………………. 86
4.4.2 集成通信接口 ………………………………………………………………………………………………… 88
4.4.3 HMI 设备 ………………………………………………………………………………………………………. 89
4.5 电源 …………………………………………………………………………………………………………….. 90
4.6 软件 …………………………………………………………………………………………………………….. 91
4.6.1 TIA Portal ……………………………………………………………………………………………………… 91
4.6.2 SINETPLAN ……………………………………………………………………………………………………. 92
4.6.3 PRONETA ………………………………………………………………………………………………………. 92
4.6.4 SIMATIC Automation Tool ………………………………………………………………………………… 93
5 应用规划 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 94
5.1 要求 …………………………………………………………………………………………………………….. 94
5.2 与 S7-1500 自动化系统相比存在的限制条件 ……………………………………………………….. 98
5.3 组态版本 …………………………………………………………………………………………………….. 100
5.3.1 PROFINET 环网中连接了 IO 设备的 S7-1500R/H 组态 …………………………………………… 101
5.3.2 采用交换机和其它线型拓扑的 S7-1500R/H 组态 …………………………………………………. 103
5.3.3 S7-1500H 的特定组态变型 …………………………………………………………………………….. 105
5.3.3.1 采用 S2 设备和交换机的线型拓扑组态 ……………………………………………………………… 105
5.3.3.2 包含 R1 设备的 PROFINET 环网组态 …………………………………………………………………. 107
5.3.3.3 包含采用 MRP 互连的 R1 设备和交换机的 PROFINET 环网组态 ……………………………… 111
5.3.3.4 包含 R1 设备的 PROFINET 环网和包含 S2 设备的 Y 型交换机的组态 ………………………. 113
5.3.3.5 包含 R1 设备的线型拓扑组态 ………………………………………………………………………….. 116
5.3.3.6 包含 R1 设备和交换机的线型拓扑组态 ……………………………………………………………… 118
5.3.3.7 包含 R1 设备和带 S2 设备的 Y 型交换机的线型拓扑组态 ……………………………………… 120
5.3.3.8 包含 S2 设备的组合型拓扑组态 ………………………………………………………………………. 123
5.3.3.9 包含 R1 设备的组合型拓扑组态 ………………………………………………………………………. 125
5.3.3.10 不含附加设备的组态 …………………………………………………………………………………….. 127

5.4 冗余案例 …………………………………………………………………………………………………….. 129
5.4.1 简介 …………………………………………………………………………………………………………… 129
5.4.2 主 CPU 故障 …………………………………………………………………………………………………. 129
5.4.3 备用 CPU 故障 ……………………………………………………………………………………………… 132
5.4.4 PROFINET 环网中的 PROFINET 电缆故障 ……………………………………………………………. 133
5.4.5 S7-1500H 特定冗余案例 ………………………………………………………………………………… 135
5.4.5.1 S7-1500H 中的一条冗余连接故障 ……………………………………………………………………. 136
5.4.5.2 S7-1500H 中的两个冗余连接均发生故障（间隔超过 55 ms） ………………………………. 138
5.4.5.3 PROFINET 环网中的两个冗余连接和 PROFINET 电缆均发生故障 …………………………….. 140
5.4.5.4 备用 CPU 的 PROFINET 环网中的两根 PROFINET 电缆故障 ……………………………………. 142
5.4.5.5 PROFINET 环网中 R1 设备中的接口模块故障 ……………………………………………………… 144
5.4.5.6 R1 设备主 CPU 的 PROFINET 环网中的两条 PROFINET 线路故障 …………………………….. 146
5.4.5.7 线型拓扑中两个 R1 设备之间的两条 PROFINET 线路故障 ……………………………………… 147
5.4.5.8 线型拓扑中两个 S2 设备之间的 PROFINET 线路故障 ……………………………………………. 150
5.5 故障案例 …………………………………………………………………………………………………….. 152
5.5.1 PROFINET 环网中的 IO 设备发生故障 ……………………………………………………………….. 153
5.5.2 PROFINET 环网中的交换机（采用额外的线型拓扑）发生故障 ………………………………. 154
5.5.3 S7-1500R 特有的故障案例 ……………………………………………………………………………… 157
5.5.3.1 S7-1500R 中的 PROFINET 环网中有两处电缆中断（间隔大于 1500 ms） ……………….. 157
5.5.3.2 S7-1500R 中的 PROFINET 环网中有两处电缆中断（间隔不超过 1500 ms） …………….. 159
5.5.3.3 PROFINET 环网中的 IO 设备发生故障时主 CPU 发生故障 ……………………………………… 161
5.5.4 S7-1500H 特有的故障案例 ……………………………………………………………………………… 164
5.5.4.1 S7-1500H 中的两个冗余连接均发生故障（间隔未超过 55 ms） ……………………………. 164
5.5.4.2 S7-1500H 中的一个冗余连接和主 CPU 故障 ………………………………………………………. 166
5.5.4.3 主 CPU 的 PROFINET 环网中的两根 PROFINET 电缆故障 ……………………………………….. 169
5.5.4.4 HF-CPU 的安全状态使冗余系统失效 …………………………………………………………………. 171
5.5.4.5 R1 设备中的接口模块和 PROFINET 环网两个位置的 PROFINET 线路出现故障。 ………… 173
5.5.4.6 PROFINET 环网中包含 R1、S2 和 S1 设备的主 CPU 发生故障 ………………………………… 175
5.5.4.7 包含 S2 设备的线型拓扑中两个位置的 PROFINET 线路故障 ………………………………….. 178
5.6 硬件配置 …………………………………………………………………………………………………….. 180
5.7 使用 HMI 设备 ……………………………………………………………………………………………… 182
6 安装 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 186
6.1 基本知识 …………………………………………………………………………………………………….. 186
6.2 安装安装导轨 ………………………………………………………………………………………………. 188
6.3 安装标准导轨适配器 ……………………………………………………………………………………… 193
6.4 安装负载电流电源 ………………………………………………………………………………………… 200
6.5 安装 R/H-CPU ……………………………………………………………………………………………….. 202
7 接线 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 205
7.1 操作规则和规定 ……………………………………………………………………………………………. 205
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S7-1500R/H 冗余系统
6 系统手册, 01/2023, A5E41815205-AE
7.2 通过接地馈电系统运行 ………………………………………………………………………………….. 207
7.3 电气配置 …………………………………………………………………………………………………….. 211
7.4 接线规则 …………………………………………………………………………………………………….. 212
7.5 连接电源电压 ………………………………………………………………………………………………. 213
7.6 连接负载电流电源 ………………………………………………………………………………………… 215
7.7 将 CPU 连接到负载电源 …………………………………………………………………………………. 216
7.8 连接用于与 S7-1500R 进行通信的接口 …………………………………………………………….. 218
7.8.1 将 PROFINET 环网连接到 S7-1500 …………………………………………………………………… 218
7.9 连接用于与 S7-1500H 进行通信的接口 …………………………………………………………….. 221
7.9.1 连接冗余连接（光纤电缆） ……………………………………………………………………………. 221
7.9.1.1 S7-1500H 的同步模块 …………………………………………………………………………………… 221
7.9.1.2 选择光纤电缆 ………………………………………………………………………………………………. 222
7.9.1.3 安装光纤电缆 ………………………………………………………………………………………………. 225
7.9.1.4 将冗余连接（光纤电缆）连接至 S7-1500H ……………………………………………………….. 226
7.9.2 将 PROFINET 环网连接到 S7-1500H …………………………………………………………………. 231
7.9.3 将线型拓扑连接至 S7-1500H ………………………………………………………………………….. 234
8 组态 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 236
8.1 要求 …………………………………………………………………………………………………………… 236
8.2 组态 R/H CPU ……………………………………………………………………………………………….. 236
8.3 组态 IO 设备和 MRP 角色的基本操作步骤 …………………………………………………………. 241
8.4 基于 PROFINET 环网和 R1 设备组态 H-CPU ………………………………………………………… 246
8.5 组态其它组态变型 ………………………………………………………………………………………… 253
8.6 在 STEP 7 中显示 IO 设备分配 …………………………………………………………………………. 255
8.7 项目树 ……………………………………………………………………………………………………….. 257
8.8 参数 …………………………………………………………………………………………………………… 258
8.9 过程映像和过程映像分区 ………………………………………………………………………………. 258
8.9.1 过程映像 – 概述 ……………………………………………………………………………………………. 258
8.9.2 在用户程序中更新过程映像分区 ……………………………………………………………………… 260
9 程序执行的基本知识 ……………………………………………………………………………………………………… 261
9.1 S7-1500R/H 编程 ………………………………………………………………………………………….. 261
9.2 限制 …………………………………………………………………………………………………………… 265
9.3 事件和 OB …………………………………………………………………………………………………… 268
9.4 S7-1500R/H 冗余系统的特殊指令 ……………………………………………………………………. 276
9.4.1 通过 RH_CTRL 指令禁用/启用 SYNCUP ………………………………………………………………. 276
9.4.2 通过“RH_GetPrimaryID”确定主 CPU ………………………………………………………………….. 279
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S7-1500R/H 冗余系统
系统手册, 01/2023, A5E41815205-AE 7
9.5 异步指令 …………………………………………………………………………………………………….. 280
10 保护 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 287
10.1 保护功能概述 ………………………………………………………………………………………………. 287
10.2 保护机密的组态数据 ……………………………………………………………………………………… 287
10.3 组态 CPU 的访问保护 …………………………………………………………………………………….. 288
10.4 使用显示屏设置其它密码保护 …………………………………………………………………………. 292
10.5 使用用户程序设置其它访问保护 ……………………………………………………………………… 293
10.6 专有技术保护 ………………………………………………………………………………………………. 293
10.7 通过锁定 CPU 进行保护 …………………………………………………………………………………. 297
11 调试 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 298
11.1 概述 …………………………………………………………………………………………………………… 298
11.2 首次上电前检查 ……………………………………………………………………………………………. 299
11.3 调试过程 …………………………………………………………………………………………………….. 300
11.3.1 移除/插入 SIMATIC 存储卡 ……………………………………………………………………………… 301
11.3.2 CPU 首次上电 ………………………………………………………………………………………………. 304
11.3.3 CPU 配对 …………………………………………………………………………………………………….. 305
11.3.4 冗余 ID ……………………………………………………………………………………………………….. 307
11.3.5 将项目下载到 CPU 中 …………………………………………………………………………………….. 312
11.4 操作状态和系统状态 ……………………………………………………………………………………… 320
11.4.1 概述 …………………………………………………………………………………………………………… 320
11.4.2 STARTUP 操作状态 ………………………………………………………………………………………… 324
11.4.3 STOP 操作状态 …………………………………………………………………………………………….. 327
11.4.4 SYNCUP 操作状态 …………………………………………………………………………………………. 327
11.4.5 RUN 操作状态 ………………………………………………………………………………………………. 328
11.4.6 SYNCUP 系统状态 …………………………………………………………………………………………. 329
11.4.7 系统状态和操作状态转换 ……………………………………………………………………………….. 342
11.4.8 CPU 冗余丢失 ………………………………………………………………………………………………. 354
11.4.9 显示和更改系统状态 ……………………………………………………………………………………… 358
11.5 CPU 存储器复位 ……………………………………………………………………………………………. 361
11.5.1 存储器自动复位 ……………………………………………………………………………………………. 363
11.5.2 存储器手动复位 ……………………………………………………………………………………………. 363
11.6 备份和恢复 CPU 组态 …………………………………………………………………………………….. 366
11.7 时间同步 …………………………………………………………………………………………………….. 371
11.7.1 示例：组态 NTP 服务器………………………………………………………………………………….. 372
11.8 标识和维护数据 ……………………………………………………………………………………………. 374
11.8.1 读取并输入 I&M 数据 …………………………………………………………………………………….. 374
11.8.2 I&M 数据的记录结构 ……………………………………………………………………………………… 376
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S7-1500R/H 冗余系统
8 系统手册, 01/2023, A5E41815205-AE
11.8.3 示例：使用 Get_IM_Data 读取 CPU 的固件版本 …………………………………………………. 378
12 显示屏 ………………………………………………………………………………………………………………………… 382
12.1 CPU 显示屏 …………………………………………………………………………………………………. 382
13 维护 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 391
13.1 仍换 S7-1500R/H 冗余系统的组件 ……………………………………………………………………. 391
13.1.1 更换组件之前的检查 …………………………………………………………………………………….. 391
13.1.2 更换故障 R/H-CPU …………………………………………………………………………………………. 394
13.1.3 更换故障的冗余连接 …………………………………………………………………………………….. 396
13.1.3.1 更换 S7-1500R 中两根存在故障的 PROFINET 电缆。 …………………………………………… 396
13.1.3.2 更换 S7-1500H 中故障的冗余连接 …………………………………………………………………… 398
13.1.3.3 更换 S7-1500H 中发生故障的同步模块 …………………………………………………………….. 398
13.1.3.4 更换 S7-1500H 中两根发生故障的冗余连接 ………………………………………………………. 399
13.1.4 更换故障的 PROFINET 电缆 …………………………………………………………………………….. 400
13.1.5 更换故障的 SIMATIC 存储卡 ……………………………………………………………………………. 401
13.1.6 更换出现故障的负载电流电源 PM ……………………………………………………………………. 402
13.1.7 更换故障的 IO 设备/交换机 …………………………………………………………………………….. 403
13.2 更换显示屏/前盖 …………………………………………………………………………………………… 405
13.3 更换负载电流电源的电源连接器处的编码元件 …………………………………………………… 407
13.4 固件更新 …………………………………………………………………………………………………….. 409
13.5 将 CPU 复位为出厂设置 …………………………………………………………………………………. 414
13.6 维护和维修 …………………………………………………………………………………………………. 419
14 测试和维护功能 ……………………………………………………………………………………………………………. 420
14.1 测试功能 …………………………………………………………………………………………………….. 420
14.2 读取/保存服务数据 ……………………………………………………………………………………….. 426
15 技术规范 ……………………………………………………………………………………………………………………… 428
15.1 标准和认证 …………………………………………………………………………………………………. 428
15.2 电磁兼容性 …………………………………………………………………………………………………. 438
15.3 运输和贮存条件 …………………………………………………………………………………………… 440
15.4 机械和气候环境条件 …………………………………………………………………………………….. 441
15.5 有关绝缘测试、保护类别、防护等级和额定电压的信息 ………………………………………. 445
15.6 在危险区域 2 区中使用 S7-1500R/H …………………………………………………………………. 446
A 尺寸图 ………………………………………………………………………………………………………………………… 447
B 附件/备件 …………………………………………………………………………………………………………………….. 450
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S7-1500R/H 冗余系统
系统手册, 01/2023, A5E41815205-AE 9
C 停用 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 453
C.1 简介 …………………………………………………………………………………………………………… 453
C.2 安全移除数据 ………………………………………………………………………………………………. 453
C.3 回收和处置 ………………………………………………………………………………………………….. 455
术语表 …………………………………………………………………………………………………………………………. 456
索引 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 471