主控制卡SP243X

1．功能

主控制卡（SP243X）是控制站的軟硬件核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制站內(nèi)的所有軟硬件關(guān)系和各項(xiàng)控制任務(wù)，如完成控制站中的I/O 信號(hào)處理、控制計(jì)算、與上下網(wǎng)絡(luò)通信控制處理、冗余診斷等功能。

主控制卡的功能和性能將直接影響系統(tǒng)功能的可用性、實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性和可靠性。

2．技術(shù)特點(diǎn)

采用雙微處理器協(xié)同處理控制站的任務(wù)，功能更強(qiáng)，速度更快；

具有雙重化 10Mbps 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通訊控制器和驅(qū)動(dòng)接口（兩片獨(dú)立的通訊控制器和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)芯片），互為冗余，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性有了充分的保證，構(gòu)成了雙重化、熱冗余的SCnet Ⅱ；

支持冗余或非冗余配置，冗余方式為 1∶1 熱備用。互為冗余的兩個(gè)SP243X 卡件安裝在主控制卡槽位內(nèi)，能自動(dòng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，使工作/備用卡件之間的運(yùn)行狀態(tài)同步，同步速度達(dá)1Mbps；

控制軟件和算法模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，核心程序固化在 CPU 卡的EPROM 中；

控制回路可達(dá) 128 個(gè)（其中BSC、CSC 之和最大不超過(guò)64 個(gè)）；

具有 4Mbit 的用戶(hù)可組態(tài)（編程）的控制程序和4Mbit 的數(shù)據(jù)區(qū)，為用戶(hù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜控制程序和數(shù)據(jù)區(qū)準(zhǔn)備了充足的內(nèi)存空間；

實(shí)時(shí)診斷和狀態(tài)信息可在本卡件的 LED 上顯示，并向SCnet Ⅱ上廣播；

帶算術(shù)、邏輯、控制算法庫(kù)；

支持 1Mbps SBUS 的I/O 總線的通訊接口；

可帶 1 到128 塊I/O 卡，通過(guò)SBUS 實(shí)現(xiàn)就地或遠(yuǎn)程I/O 功能，節(jié)省安裝費(fèi)用；

綜合診斷到 I/O 卡件、I/O 通道級(jí)；

具有靈活的報(bào)警處理和信號(hào)質(zhì)量碼功能。過(guò)程點(diǎn)的傳感器和高低限檢查，過(guò)程點(diǎn)報(bào)警處理，增加了過(guò)程點(diǎn)質(zhì)量標(biāo)志——“報(bào)警”、“變送器故障”、“自動(dòng)/手動(dòng)”、“可疑”等；

用戶(hù)程序的存儲(chǔ)介質(zhì)采用大容量的 Flash Memory 存儲(chǔ)器，控制程序可以實(shí)現(xiàn)了在線修改，斷電不丟失，可靠保存；

內(nèi)置后備鋰電池，用于保護(hù)主控制卡斷電情況下卡件內(nèi)SRAM 的數(shù)據(jù)（包括系統(tǒng)配置、控制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等），提高了系統(tǒng)安全性和可維護(hù)性。在系統(tǒng)斷電的情況下，能保護(hù)SRAM 數(shù)據(jù)不丟失最長(zhǎng)時(shí)間為3 年。

使用說(shuō)明

控制站作為 SCnet Ⅱ的節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)通訊功能由主控卡承擔(dān)。每個(gè)控制站可以安裝兩塊互為冗余的主控制卡，分別安裝在主機(jī)籠的主控制卡槽位內(nèi)。

主控制卡結(jié)構(gòu)圖如 圖 3-7（正視圖）所示。主控制卡面板上具有二個(gè)互為冗余的SCnet Ⅱ通訊口和7 個(gè)LED 狀態(tài)指示燈，以下詳細(xì)說(shuō)明主控制卡的外部接口、卡件設(shè)置、狀態(tài)指示燈等。

SBUS 總線接口：

主控制卡的 Slave CPU 負(fù)責(zé)SBUS 總線（I/O 總線）的管理和信息傳輸，通過(guò)歐式接插件物理連接實(shí)現(xiàn)了主控制卡與機(jī)籠內(nèi)母板之間的電氣聯(lián)接，將SP243X 的SBUS 總線引至主控制機(jī)籠，機(jī)籠背部右側(cè)安裝有兩個(gè)冗余的SBUS 總線接口（DB9 芯插座）。

冗余主控制卡處于正常工作過(guò)程中，RUN 是工作卡件的運(yùn)行指示，STDBY 是備用卡件的運(yùn)行指示，而工作卡的STDBY 和備用卡RUN 都處于“暗”的狀態(tài)。

主控制卡的的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址（SCnet Ⅱ）設(shè)置：

通過(guò)主控卡上撥號(hào)開(kāi)關(guān) SW2 的S8、S7、S6、S5、S4 采用二進(jìn)制碼計(jì)數(shù)方法讀數(shù)進(jìn)行地址設(shè)置，其中自左至右代表高位到低位，即左側(cè)S4 為高位，S8 右側(cè)為低位，如下表所示。

故障診斷與調(diào)試

SP243X 具有WDT 復(fù)位和冷熱啟動(dòng)判斷電路。WDT 能使系統(tǒng)在受到干擾或用戶(hù)程序（系統(tǒng)定義的組態(tài)或用戶(hù)控制程序）出錯(cuò)而造成程序執(zhí)行混亂或跳飛后自動(dòng)對(duì)卡內(nèi)CPU 及各功能部件進(jìn)行有效的復(fù)位，以快速恢復(fù)（熱啟動(dòng)模式）到系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀況；而冷熱啟動(dòng)判斷電路能使系統(tǒng)正確判斷系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)，以進(jìn)行合理初始化。對(duì)于WDT 動(dòng)作而引起的熱復(fù)位系統(tǒng)將保持復(fù)位前狀態(tài)，保證控制的連續(xù)性。對(duì)于斷電較長(zhǎng)時(shí)間后上電的主控制卡啟動(dòng)模式稱(chēng)為冷啟動(dòng)。為保證現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程的安全，冷啟動(dòng)模式下的主控卡監(jiān)控軟件將對(duì)內(nèi)部控制狀態(tài)和I/O 卡件輸出狀態(tài)進(jìn)行初始化，回復(fù)到安全的狀態(tài)上，如開(kāi)關(guān)量輸出卡處于OFF 狀態(tài)、閥位輸出處于關(guān)閉狀態(tài)、控制回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，等等。但組態(tài)信息、控制參數(shù)都能保持?jǐn)嚯娗跋卵b的內(nèi)容和數(shù)值。主控制卡的啟動(dòng)模式有三種：熱啟動(dòng)、冷啟動(dòng)、組態(tài)混亂清除組態(tài)。

啟動(dòng)模式 1——熱啟動(dòng)模式：

在斷電時(shí)間小于 3 秒且保證原卡件中組態(tài)信息是正確的情況下，而，則該卡件監(jiān)控軟件將判定為熱啟動(dòng)模式。這種啟動(dòng)模式一般是由以下情況引起：WDT 動(dòng)作而引起的熱復(fù)位，卡件被從槽位中拔出并快速插入，系統(tǒng)瞬間斷電并恢復(fù)。對(duì)于系統(tǒng)熱啟動(dòng)后的控制狀態(tài)（控制回路、輸出等）都應(yīng)保持在復(fù)位前狀態(tài)，保證控制的連續(xù)性和安全性。

啟動(dòng)模式 2——冷啟動(dòng)模式：

在斷電時(shí)間大于 10 秒且保證原卡件中組態(tài)信息是正確的情況下，則該卡件監(jiān)控軟件將判定為冷啟動(dòng)模式。對(duì)于斷電較長(zhǎng)時(shí)間后上電的主控制卡啟動(dòng)模式都為冷啟動(dòng)。由于主控卡具有斷電保護(hù)功能，冷啟動(dòng)模式下的卡件的組態(tài)信息、控制參數(shù)都能保持?jǐn)嚯娗跋卵b的內(nèi)容和數(shù)值，不會(huì)丟失。但是，為保證現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程的安全，冷啟動(dòng)模式下的主控卡監(jiān)控軟件將對(duì)內(nèi)部控制狀態(tài)和I/O 卡件輸出狀態(tài)進(jìn)行初始化，回復(fù)到安全的狀態(tài)上，如開(kāi)關(guān)量輸出卡處于OFF 狀態(tài)、閥位輸出處于關(guān)閉狀態(tài)、控制回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，等等。

啟動(dòng)模式 3——組態(tài)混亂清除組態(tài)模式：

監(jiān)控軟件復(fù)位啟動(dòng)（系統(tǒng)上電或WDT 動(dòng)作）后對(duì)組態(tài)信息、保護(hù)進(jìn)行自檢（合法性和有效性），如發(fā)現(xiàn)信息混亂，不是有效的組態(tài)信息，則清除（初始化）內(nèi)存中組態(tài)、控制參數(shù)、控制程序代碼等內(nèi)容，并產(chǎn)生“組態(tài)出錯(cuò)”報(bào)警（診斷畫(huà)面中），主控制卡的FAIL 燈常亮。這種系統(tǒng)啟動(dòng)模式將被判定為啟動(dòng)模式3。對(duì)于新生產(chǎn)的卡件（從未對(duì)它下載過(guò)組態(tài)）或斷電保護(hù)被中斷過(guò)的（如更換主控制卡上斷電保護(hù)的電池）主控制卡的啟動(dòng)模式都為啟動(dòng)模式3。在這種啟動(dòng)模式下，卡件內(nèi)組態(tài)信息、控制參數(shù)、輸出狀態(tài)等等緩沖區(qū)都將被初始化在一合適的數(shù)值上，控制運(yùn)算、采樣、輸出等監(jiān)控動(dòng)作都被停止，等待工程師站下裝組態(tài)，這種狀態(tài)也就是我們所說(shuō)的主控卡“組態(tài)丟失”。在系統(tǒng)控制方案調(diào)試過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生由于用戶(hù)控制程序出錯(cuò)而導(dǎo)致主控制卡資源被破壞，或者系統(tǒng)配置和算法容量超出系統(tǒng)規(guī)定的限制，有可能出現(xiàn)這種組態(tài)丟失（組態(tài)出錯(cuò)）的報(bào)警現(xiàn)象，在這種情形下，必須改正組態(tài)或程序中問(wèn)題并下裝組態(tài)信息，報(bào)警現(xiàn)象就會(huì)消失。

由于每塊主控制卡內(nèi)部冷熱啟動(dòng)判斷電路具有一定的離散性，所以大于 3 秒，小于10 秒的主控制卡的啟動(dòng)模式對(duì)于每一塊卡件來(lái)說(shuō)并不完全一樣。但我們保證：主控制卡斷電時(shí)間小于3 秒必定為熱啟動(dòng)；而斷電時(shí)間大于10 秒必定為冷啟動(dòng)。

SP243X 可冗余配置，也可單卡工作。冗余中的每一個(gè)主控制卡均執(zhí)行同樣的應(yīng)用程序，當(dāng)然只有一個(gè)運(yùn)行在控制方式（工作機(jī)）。另外一個(gè)必須運(yùn)行在后備方式（備用機(jī)）。它們都能訪問(wèn)I/O

和過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，但工作模式下的主控制卡起著控制、輸出、實(shí)時(shí)信息廣播決定性的作用。

工作模式（控制模式）：

在控制模式下，處理器的功能如同在非冗余的一樣，直接訪問(wèn) I/O 口，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能，此外它還監(jiān)視其配對(duì)的后備卡件和過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)的好壞。

備用模式（后備模式）：

在備用方式下，后備主控制卡執(zhí)行診斷和監(jiān)視主處理器的好壞，通過(guò)周期查詢(xún)運(yùn)行中的主處理器的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器，接受工作機(jī)發(fā)送的全部運(yùn)行信息，后備處理器可隨時(shí)保存最新的控制數(shù)據(jù)，包括了過(guò)程點(diǎn)數(shù)據(jù)，控制算法中間值等，保證了工作/備用的無(wú)擾動(dòng)故障切換。它們通過(guò)母板上的控制信號(hào)線聯(lián)接來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余信息交換，狀態(tài)跟蹤。

主控制卡的切換可分為失電強(qiáng)制切換、干擾隨機(jī)切換和故障自動(dòng)切換。在工作主控制卡突然斷電的情況下，強(qiáng)制切換到備用機(jī)并承擔(dān)控制任務(wù)，稱(chēng)失電強(qiáng)制切換。由于工作、備用的切換邏輯電路受到干擾（電磁干擾）而引起的工作備用切換，稱(chēng)為干擾隨機(jī)切換。

故障自動(dòng)切換，如果處理控制方式的主控制卡（工作機(jī)）發(fā)生故障，并將這故障通知后備處理器，并自動(dòng)放棄控制權(quán)。于是后備處理器接替了系統(tǒng)控制權(quán)，并向數(shù)據(jù)高速公路廣播信息。算法塊的自動(dòng)跟蹤功能保證了無(wú)擾動(dòng)的故障切換。當(dāng)下列故障發(fā)生時(shí)，主控卡將自動(dòng)切換進(jìn)行故障切換：

控制處理器故障；

網(wǎng)絡(luò)控制器故障；

I/O 接口故障；

工作的主控制卡運(yùn)行時(shí)間超時(shí)；

工作的主控制卡失電；

工作的主控制卡受到外部強(qiáng)干擾而復(fù)位；

控制處理器復(fù)位（包括 WDT 引起的復(fù)位或供電電壓低引起的復(fù)位）；

系統(tǒng)資源破壞，如系統(tǒng)程序空間；

RAM 自檢出錯(cuò)，如組態(tài)信息破壞。

一旦主控制卡被切換到后備處理器上，故障的主控制卡可停電，維修，更換，絲毫不影響運(yùn)行的控制系統(tǒng)。檢修好的處理器上電后再啟動(dòng)，會(huì)檢測(cè)到其配對(duì)的處理器是否處于控制方式，若是，便承擔(dān)起后備處理器的任務(wù)。而運(yùn)行控制的控制器檢測(cè)到有后備處理器出現(xiàn)便會(huì)調(diào)整按冗余運(yùn)行。

主控制卡具有自身運(yùn)行狀態(tài)的 LED 指示：運(yùn)行（RUN）、就緒（STDBY）、故障（FAIL）、SCnetⅡ通信（COM），如圖 3-7 所示。通過(guò)卡件上的LED 指示可以幫助我們確定主控制卡的運(yùn)行狀態(tài)和一些簡(jiǎn)單的故障情況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維修。LED 顯示如下：工作機(jī)的RUN 將按采樣周期兩倍的周期閃爍，而備用機(jī)的STDBY 將按采樣周期兩倍的周期閃爍。當(dāng)主控制卡的組態(tài)、下裝的用戶(hù)控制程序、網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，該主控制卡的FAIL 將以不同的方式閃爍。以下將對(duì)主控制卡的LED 的指示作詳細(xì)說(shuō)明。正常運(yùn)行情況下，LED 指示如表.

如果有某一塊主控制卡處于工作狀態(tài)（工作機(jī)），另一塊主控制卡（該卡件必須符合啟動(dòng)模式2或啟動(dòng)模式3）插入相應(yīng)的冗余槽位（n，n+1，n 為偶數(shù)，n<15）作為熱備用卡件（備用機(jī)），這一塊備用的主控制卡啟動(dòng)過(guò)程中RUN 與STDBY 指示燈將會(huì)交替閃爍，以指示“備用機(jī)通過(guò)通信向工作機(jī)讀取組態(tài)、實(shí)時(shí)等必要的運(yùn)行數(shù)據(jù)”。交替閃爍結(jié)束后（即備用機(jī)和工作機(jī)拷貝數(shù)據(jù)結(jié)束），此卡件進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)（熱備用），即如表格中所示的STDBY 指示燈按控制周期兩倍的周期閃爍。

如果只有單獨(dú)一塊主控制卡冷啟動(dòng)（斷電時(shí)間>10 秒），則在進(jìn)入正常運(yùn)行前FAIL 燈將會(huì)快閃一下（紅色），表明此主控制卡要求向另一冗余卡件讀取數(shù)據(jù)失敗（因?yàn)槿哂嗫静淮嬖冢６硪环N情況是：在系統(tǒng)中已存在工作主控制卡，備用主控制卡上電冷啟動(dòng)，它首先向工作機(jī)讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)，RUN 與STDBY 指示燈交替閃爍，如果拷貝數(shù)據(jù)（交替閃爍）結(jié)束后FAIL 燈快閃一下（紅色），則表明備用機(jī)讀取工作機(jī)數(shù)據(jù)失敗。通常在主控制卡的硬件正常的情況下，備用機(jī)將成功地向工作機(jī)讀取數(shù)據(jù)，因此FAIL 燈不會(huì)出現(xiàn)快閃現(xiàn)象。

在主控卡出現(xiàn)故障的情況下，FAIL 指示燈將以不同的頻率閃爍的方式進(jìn)行報(bào)警。可通過(guò)觀察RUN 燈、FAIL 燈、STDBY 燈的相對(duì)狀態(tài)來(lái)確定其故障，具體說(shuō)明如下：

首先需特別提醒一點(diǎn)：主控制卡處于工作狀態(tài)（WORK 燈亮）時(shí)，RUN 燈將按控制周期兩倍的周期閃爍，STDBY 燈暗；而處于備用狀態(tài)（WORK 燈暗）時(shí)，STDBY 燈將按采樣周期兩倍的周期閃爍，RUN 燈暗，表明備用主控制卡處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)。當(dāng)本主控制卡處于工作狀態(tài)時(shí)，由于RUN 燈是按采樣周期兩倍的周期閃爍的，所以其余指示燈的閃爍情況都將與RUN 燈進(jìn)行對(duì)照，以RUN 燈為相對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)。

如果主控制卡受到外部強(qiáng)干擾而引起復(fù)位，或者軟件運(yùn)行出錯(cuò)（如用戶(hù)控制程序運(yùn)行超時(shí)或程序存在死循環(huán)）而引起WDT 動(dòng)作，這兩種情況都將導(dǎo)致主控制卡的CPU 和系統(tǒng)外部電路復(fù)位，同時(shí)FAIL 故障指示燈將會(huì)無(wú)規(guī)則的“閃爍”一下，這種“閃爍”不同于上述表格中有序的狀態(tài)顯示。

如果主控制卡內(nèi)部的供電直流電源電壓不足（一般低于4.8V）或電源電壓不穩(wěn)，卡件的電源監(jiān)視電路將使CPU 處于復(fù)位狀態(tài)，導(dǎo)致SP243X 無(wú)法正常工作，此時(shí)卡件的FAIL 指示燈一般常亮，而其他狀態(tài)指示燈出現(xiàn)異常閃爍。這種FAIL 指示燈常亮不同于卡件組態(tài)丟失的情況，在組態(tài)丟失的情況下，RUN、SLAVE、STDBY 等指示燈都能正常的有序的閃爍。

當(dāng)本主控制卡處于備用狀態(tài)時(shí)，RUN 燈暗，STDBY 燈按采樣周期兩倍的周期閃爍，所以上表中RUN 燈將被STDBY 代替，備用主控制卡將以STDBY 燈為相對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行比較，其余指示燈的閃爍情況都與RUN 燈進(jìn)行對(duì)照來(lái)判定故障情況。

必須說(shuō)明的是：備用主控制卡與工作主控制卡的LED 指示時(shí)間順序并沒(méi)有直接關(guān)系，上述LED的閃爍時(shí)間順序關(guān)系只限于同一主控制卡上（工作主控制卡或備用主控制卡）的各LED，所以我們可以通過(guò)觀察某一主控制卡的LED 的閃爍來(lái)判定卡件或網(wǎng)絡(luò)的故障情況。