冗余系统(冗余系统的工作原理)

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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：