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PROFINET工业以太网教程(13)——控制器冗余

PROFINET的冗余系统可以分为四种不同的类型:介质冗余、设备冗余、网络冗余和控制器冗余。介质冗余我们在前面的文章《PROFINET工业以太网教程(11)——介质冗余》介绍过,今天这篇文章,我们来介绍下控制器冗余。

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顾名思义,控制器冗余是在同一个PROFINET环网中有两个PROFINET I/O控制器。其中一个作为主控制器,另一个作为备用控制器。在正常情况下,主控制器与网络中所有的I/O设备建立"主连接"。"主连接"意味着控制器与I/O设备之间会进行数据交换,刷新输出/输出,就像普通的PROFINET网络中I/O控制器与I/O设备的关系一样;备用控制器与网络中所有的I/O设备建立"备用连接"。备用连接意味着控制器不能输出有效数据到I/O设备中,也不能对I/O设备进行任何修改。

I/O设备同时连接主控制器与备用控制器,它需要有两个接口:一个接口连接主控制器,接收有效数据,刷新输入/输出;另一个接口连接备用控制器。

主控制器与备用控制器之间保持一种同步状态。当主控制器出现故障时,备用控制器会接管网络的控制权,将之前的"主连接"转换为"备用连接",并将之前的"备用连接"转换为"主连接",此时备用控制器转换为主控制器;当I/O设备接收到控制权转换请求时,它必须保证将最新的数据发送给新的主控制器。

控制器冗余的网络结构示意图如下图所示:

控制器冗余环网.jpg

在PROFINET控制器冗余网络中,主控制器与备用控制器之间的同步需要非常复杂的算法,普通的I/O控制器不能胜任,需要使用专门的冗余控制器才行。

西门子S7-1500的冗余控制器包括R和H两个系列。

S7-1500R系列使用PROFINET网线相连接,两个CPU之间的最大距离100米,主控制器与备用控制器之间的切换时间小于300ms;

S7-1500H系列可以使用两条光纤相连接,两个CPU之间的最大距离3000米,主控制器与备用控制器之间的切换时间小于50ms;

连接冗余控制器的I/O设备都需要支持介质冗余协议(MRP),对于西门子ET 200SP或ET 200MP来说,通常意味着需要使用高性能(HF,High Feature)版本;

正常情况下,主控制器与备用控制器都是处于冗余运行(RUN-Redundant)状态,接下来我们分析系统发生各种故障的情况:

1、主控制器发生故障

如果主控制器发生故障,则备用控制器切换为主控制器并接管整个网络的控制权。冗余系统转换为独立运行(RUN-Solo)系统状态,新的主控制器与I/O设备保持数据交换,整个过程系统仍然保持运行,如下图所示:

主控制器停机.jpg

2、备用控制器发生故障

如果备用控制器发生故障,则冗余系统转换为独立运行(RUN-Solo)状态,主控制器与I/O设备保持数据交换,整个系统仍然可以运行,如下图所示:

备用控制器故障.png

3、环网电缆故障

如果PROFINET网络I/O设备之间发生断线导致环网断开,则主控制器和备用控制器仍然保持冗余运行状态。I/O设备之间会通过冗余控制器重新建立连接,整个过程系统仍然可以运行,如下图所示:

网络断线.jpg

4、S7-1500H一条冗余连接断开

S7-1500H系列CPU可通过两条光纤相连接保持同步。如果其中一条发生故障,另一条仍可保证两个控制器之间的同步。此时主控制器与备用控制器仍然处于冗余运行状态,不过双方的MAINT LED指示灯会黄色点亮,指示出现故障。如下图所示:

S7-1500H一条冗余连接断开.jpg

5、S7-1500H两条冗余连接断开

如果S7-1500H的两条冗余连接全部断开,则主控制器切换到独立运行状态,备用控制器切换到停机状态。主控制器与I/O设备保持数据交换,过程系统仍然保持运行。

好了,关于PROFINET的控制器冗余就先介绍到这里。

我的书《西门子S7-200 SMART PLC应用技术——编程、通信、装调、案例》有关于S7-200 SMART支持PROFINET通信的介绍,如果你感兴趣的话可以看看下面的链接:

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