支持的PN从站

支持的PN从站

1. Profinet 系统冗余

PROFINET 是基于工业以太网的新一代开放式现场总线，相比 PROFIBUS，其不仅满足现场总线必须的 I/O 通信确定性、实时性、可诊断性等要求，还具有以太网级别的通信速率、灵活的网络拓扑、IT 开放性等先进特性。

除了像PROFIBUS DP一样支持传统的线性拓扑，PROFINET同时还支持环形、树形、星型拓扑，灵活的拓扑结构更有利于项目后期的升级和扩容。相比于PROFIBUS DP每个设备最大244字节的数据量和最高12Mbps的波特率，PROFINET支持每个设备最大1440字节的数据量和最高100Mbps的带宽，能够实现更大的数据交换同时满足更高的实时性要求。

PROFINET中通过系统冗余（System Redundacny，简称SR）功能来定义IO控制器与IO设备的冗余关系，与PROFIBUS中有所不同。根据冗余级别有S1,S2,R1,R2四个级别。

关于S1,S2，R1的区别，可以简单概括为：

• S1：单接口模块，仅支持单CPU，例如：ET200SP 非HF型

系统冗余S1 是指通过一个接口模块连接 IO 设备，它只与一个IO 控制器建立一个应用关系，这意味着外部 IO 设备只通过一个通信连接到自动化系统，S1设备不能直接插入400H的PN总线。

图1.4－1 S1架构

• S2:单接口模块，支持冗余CPU的切换，例如：IM 153-4 HF，ET200SP HF、ET200SP HA等。

系统冗余 S2 协议(以下简称 S2)，S2 是指在H 系统中使用，通过一个接口模块连接 IO 设备，并且在同一网络中进行配置，与 S1 设备相比，它与 H 系统中的两个 IO 控制器都各建立一个应用关系，这意味着 S2 设备通过两个通信连接连接到 H 系统的两个 IO 控制器，如果其中一个应用关系连接中断，通信连接无中断地切换到另一个连接。连接拓扑结构可以是线型连接，星形连接，也可以冗余环网连接。

图1.4－2 S2冗余架构

• R1双接口模块，支持冗余CPU的切换，支持双独立总线，例如：ET200SP HA

图1.4－3 R1冗余

ET 200SP HA PROFINET基础组态（有系统冗余S1,S2,R1介绍）

https://www.ad.siemens.com.cn/download/documentdetail_15090.html

关于具体的从站支持哪种系统冗余，可以参考：

SIMATIC PCS 7 V9.0 中的PROFIENT设备功能概述

https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109747976

2.400H 的PN总线拓扑

400H控制器最常用的是S2 设备，例如：

• ET200M HF V4.0以上
• ET200SP HF V3.0以上
• Simocode pro V PN V1.2.0以上
• ET200SP HA

由于ET200M的逐步退市，越来越多的项目里采用PN 总线的从站，功能上完全替代ET200M的后续产品是ET200SP HA，它支持双接口模块和冗余I/O，诊断功能更强，每个通道都有一个状态位，无需编程即可使用，可以实现通道级诊断。

系统冗余是指IO设备通过PROFINET与两个容错的CPU之间进行通讯连接。该通讯连接可以通过任何网络拓扑（星形，树形，环形网络）的互连来建立，不同拓扑的可用性差异比较大，用户很难规划一种满足要求又经济的方案，为此，官方提供了一些推荐的拓扑来供用户选择。

参考：

1)AS单站的网络拓扑方案

图1.4－4 单400H的拓扑

在选择拓扑方案时，需要做失效模式分析，即：假定拓扑中任意一个节点的设备故障，看一下对系统的影响，如果结果不能接受，就说明这个拓扑不能满足要求。

例如：在下面的星形拓扑里，交换机一旦故障，下挂的从站都会掉站。

图1.4－5 不推荐的拓扑

2）AS冗余系统的网络拓扑方案

下面介绍推荐的拓扑：

（1）标准配置—开环

下图示例了一套冗余H-CPU和I/O设备基于PROFINET的开环配置：

图1.4－6标准配置--开环

在开环配置中，I/O设备和冗余系统的一个CPU进行通信，两个CPU之间再通过同步光纤进行数据交换和同步，当以下的故障发生时，系统和I/O设备仍然能够正常工作：

• 主CPU故障，备用CPU自动接管工作
• I/O站故障，其他I/O站点仍然能够正常访问
• 通信电缆断线故障，未断线的I/O站点仍然能够正常访问
• 故障场景

下图示例了PROFINET开环配置发生断线故障的场景：

图3-3开环网络故障

当两个I/O设备间的PROFINET链路发生断线故障时，两个CPU分别和各自能访问到的I/O设备通信，两个CPU之间通过光纤同步交换各自能访问到的I/O设备数据，从而保证冗余系统的正常工作。

为了实现系统的高可用性，最经济和简单的网络结构就是通过冗余系统的两个CPU和I/O设备以手拉手的方式串联（最大连接250个I/O设备）形成开环结构。

在形成开环的网络拓扑后，将两个CPU的空余PN口再连接起来形成一个MRP环并不能带来额外的优点，相反，由于MRP环存在50个节点的限制，形成MRP环后，最多只能连接48个I/O设备（50减去2个CPU），同时还需要考虑MRP环网故障后的网络切换重构时间。由于需要配置MRP环网中的I/O设备的角色（MRP管理器、MRP客户端）以及看门狗时间，在MRP环网中需要组态更多的参数，对维护人员的要求比较高。

3）MRP环中的星型连接

下图示例了现场总线的I/O设备和冗余H-CPU通过星型连接的方式进行通信的配置，在这种配置中，使用冗余H-CPU实现系统冗余功能，使用SCALANCE交换机进行环形连接实现MRP环网功能，系统冗余和MRP环网功能相互不影响，当单CPU故障或者MRP环出现单节点故障时，系统和I/O设备仍然能够正常工作。

图3-4 MRP环的星型拓扑连接

MRP环网中所有的节点都必须兼容MRP协议，不支持MRP协议的设备可以通过先连到MRP交换机后再接入MRP环网，关于环网中哪些设备可以作为MRM(media redundancy manager)请参考如下链接：

哪些工业以太网交换机可以作为环网的冗余管理器和作为环中的备用主站？

http://support.automatI/On.siemens.com/WW/view/en/23498599

需要注意MRP环网冗余和系统冗余是两个不同的概念，前者是提高了网络的可用性，而系统冗余是CPU和PN从站的应用关系的，支持MRP的从站一定不一定支持系统S2。

• 故障场景1：MRP的影响

下图示例了MRP故障时的场景：

图3-5 MRP环网络故障

左图中，主CPU（RACK0）通过PROFINET网络(绿色加粗)和I/O设备进行数据交换，当MRP网络发生故障时（右图），MRP管理器自动激活备用链路（绿色加粗）保证系统和I/O设备的正常数据交换。

• 故障场景2：系统冗余的影响

下图示例了系统冗余故障时的场景

图3-6 系统冗余故障

左图中，主CPU（RACK0）通过PROFINET网络(绿色加粗)和I/O设备进行数据交互，当主CPU发生故障时（右图），备用CPU自动接管工作保证系统的无扰切换。

• 故障场景3：MRP和系统冗余的影响

下图示例了MRP和系统冗余故障时的场景

图3-7 MRP环故障和系统冗余故障

左图中，主CPU（RACK0）通过PROFINET网络（绿色加粗）和I/O设备进行数据交互，当主CPU发生故障时（右图），备用CPU自动接管工作；MRP环网故障后，MRP管理器自动激活备用通信链路（(绿色加粗），从而保证系统和I/O设备的正常数据交互。

S7-400H V6.0 PROFINET 配置指南

https://www.ad.siemens.com.cn/download/documentdetail_17308.html

3.PROFINET中的交换机（Switch）选择

PROFINET IO通讯可以在任何交换机网络中进行，对网络拓扑没有要求（星形，树形，总线形，环形，混合形网络均可），对交换机也没有特殊要求。只是在考虑实时性，MRP，拓扑等高级功能时需要对交换机进行选择，由于交换机需要在STEP 7里组态，第三方交换机不一定能提供兼容的GSD，所以，强烈推荐选择西门子SCALANCE系列交换机。

在硬件组态里列出的交换机列出的交换机均可使用。推荐使用西门子的工业网管型交换机，例如：XC-200,X-300,X-400系列，目前项目里CPU机柜里用得最多的是XC-200和XF-204-2BA，控制室用得最多的X-400系列。

选择西门子交换机的优点：

如果使用西门子SCALANCE系列交换机，在保障正常 的PROFINET通讯前提下，可以提供高质量、可诊断可维护的PROFINET通讯方案：

• PROFINET通讯具有高优先级
• MRP环网冗余方案
• 支持PROFINET拓扑诊断功能，迅速定位故障网络设备
• 实现无介质更换备件

4.仅支持S1的从站

有些第三方PN设备，例如：变频器可能仅支持S1，那么接入400H系统，官方推荐用PN/PN耦合器的方案，首先用1500 CPU来挂这些S1设备，然后400H和1500都接到PN/PN耦合器上，由于PN/PN耦合器支持S2系统冗余，通过它转接来实现了冗余切换。

此方案的优点在于，它基于硬件实现的PN总线数据传输，数据传输非常快，

SIMATIC PN/PN Coupler V4.0 (6ES7158-3AD10-0XA0) 发布

https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109749637

注意PN/PN耦合器不包括PN总线适配器，请根据上面网址选配适当的适配器。

• PN/PN Coupler V4.0 具有两个独立的 PROFINET IO 设备接口（网络侧）。上面的方案一套400H最多通过一个PN/PN耦合器挂4个1500CPU。
• 通过 PN/PN 耦合器交换数据。仅需将发送 IO 控制器的输出数据复制到接收控制器的输入数据，即可实现几乎瞬时的数据交换
• 当使用系统冗余S2功能后，支持最多1000字节的输入和1000字节的输出。
• PN/PN耦合器的PN口支持MRP 环网冗余。

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