主控制卡（部件號SP243X）

主控制卡（部件號SP243X） 1．功能 主控制卡（SP243X）是控制站的軟硬件核心，負責協調控制站內的所有軟硬件關系和各項控制任務，如完成控制站中的I/O 信號處理、控制計算、與上下網絡通信控制處理、冗余診斷等功能。 主控制卡的功能和性能將直接影響系統功能的可用性、實時性、可維護性和可靠性。 2．技術特點 采用雙微處理器協同處理控制站的任務，功能更強，速度更快； 具有雙重化 10Mbps 以太網標準通訊控制器和驅動接口（兩片獨立的通訊控制器和相關的驅動芯片），互為冗余，使系統數據傳輸實時性、可靠性、網絡開放性有了充分的保證，構成了雙重化、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SP243X 卡件安裝在主控制卡槽位內，能自動進行高速數據交換，使工作/備用卡件之間的運行狀態同步，同步速度達1Mbps； 控制軟件和算法模塊采用模塊化設計，核心程序固化在 CPU 卡的EPROM 中； 控制回路可達 128 個（其中BSC、CSC 之和最大不超過64 個）； 具有 4Mbit 的用戶可組態（編程）的控制程序和4Mbit 的數據區，為用戶設計的復雜控制程序和數據區準備了充足的內存空間； 實時診斷和狀態信息可在本卡件的 LED 上顯示，并向SCnet Ⅱ上廣播； 帶算術、邏輯、控制算法庫； 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SBUS 實現就地或遠程I/O 功能，節省安裝費用； 綜合診斷到 I/O 卡件、I/O 通道級； 具有靈活的報警處理和信號質量碼功能。過程點的傳感器和高低限檢查，過程點報警處理，增加了過程點質量標志——“報警”、“變送器故障”、“自動/手動”、“可疑”等； 用戶程序的存儲介質采用大容量的 Flash Memory 存儲器，控制程序可以實現了在線修改，斷電不丟失，可靠保存； 內置后備鋰電池，用于保護主控制卡斷電情況下卡件內SRAM 的數據（包括系統配置、控制參數、運行狀態等），提高了系統安全性和可維護性。在系統斷電的情況下，能保護SRAM 數據不丟失最長時間為3 年。 使用說明 控制站作為 SCnet Ⅱ的節點，其網絡通訊功能由主控卡承擔。每個控制站可以安裝兩塊互為冗余的主控制卡，分別安裝在主機籠的主控制卡槽位內。 主控制卡結構圖如 圖 3-7（正視圖）所示。主控制卡面板上具有二個互為冗余的SCnet Ⅱ通訊口和7 個LED 狀態指示燈，以下詳細說明主控制卡的外部接口、卡件設置、狀態指示燈等。 SBUS 總線接口： 主控制卡的 Slave CPU 負責SBUS 總線（I/O 總線）的管理和信息傳輸，通過歐式接插件物理連接實現了主控制卡與機籠內母板之間的電氣聯接，將SP243X 的SBUS 總線引至主控制機籠，機籠背部右側安裝有兩個冗余的SBUS 總線接口（DB9 芯插座）。 冗余主控制卡處于正常工作過程中，RUN 是工作卡件的運行指示，STDBY 是備用卡件的運行指示，而工作卡的STDBY 和備用卡RUN 都處于“暗”的狀態。 主控制卡的的網絡節點地址（SCnet Ⅱ）設置： 通過主控卡上撥號開關 SW2 的S8、S7、S6、S5、S4 采用二進制碼計數方法讀數進行地址設置，其中自左至右代表高位到低位，即左側S4 為高位，S8 右側為低位，如下表所示。 故障診斷與調試 SP243X 具有WDT 復位和冷熱啟動判斷電路。WDT 能使系統在受到干擾或用戶程序（系統定義的組態或用戶控制程序）出錯而造成程序執行混亂或跳飛后自動對卡內CPU 及各功能部件進行有效的復位，以快速恢復（熱啟動模式）到系統的正常運行狀況；而冷熱啟動判斷電路能使系統正確判斷系統復位狀態，以進行合理初始化。對于WDT 動作而引起的熱復位系統將保持復位前狀態，保證控制的連續性。對于斷電較長時間后上電的主控制卡啟動模式稱為冷啟動。為保證現場工藝過程的安全，冷啟動模式下的主控卡監控軟件將對內部控制狀態和I/O 卡件輸出狀態進行初始化，回復到安全的狀態上，如開關量輸出卡處于OFF 狀態、閥位輸出處于關閉狀態、控制回路都處于手動狀態，等等。但組態信息、控制參數都能保持斷電前下裝的內容和數值。主控制卡的啟動模式有三種：熱啟動、冷啟動、組態混亂清除組態。 啟動模式 1——熱啟動模式： 在斷電時間小于 3 秒且保證原卡件中組態信息是正確的情況下，而，則該卡件監控軟件將判定為熱啟動模式。這種啟動模式一般是由以下情況引起：WDT 動作而引起的熱復位，卡件被從槽位中拔出并快速插入，系統瞬間斷電并恢復。對于系統熱啟動后的控制狀態（控制回路、輸出等）都應保持在復位前狀態，保證控制的連續性和安全性。 啟動模式 2——冷啟動模式： 在斷電時間大于 10 秒且保證原卡件中組態信息是正確的情況下，則該卡件監控軟件將判定為冷啟動模式。對于斷電較長時間后上電的主控制卡啟動模式都為冷啟動。由于主控卡具有斷電保護功能，冷啟動模式下的卡件的組態信息、控制參數都能保持斷電前下裝的內容和數值，不會丟失。但是，為保證現場工藝過程的安全，冷啟動模式下的主控卡監控軟件將對內部控制狀態和I/O 卡件輸出狀態進行初始化，回復到安全的狀態上，如開關量輸出卡處于OFF 狀態、閥位輸出處于關閉狀態、控制回路都處于手動狀態，等等。 啟動模式 3——組態混亂清除組態模式： 監控軟件復位啟動（系統上電或WDT 動作）后對組態信息、保護進行自檢（合法性和有效性），如發現信息混亂，不是有效的組態信息，則清除（初始化）內存中組態、控制參數、控制程序代碼等內容，并產生“組態出錯”報警（診斷畫面中），主控制卡的FAIL 燈常亮。這種系統啟動模式將被判定為啟動模式3。對于新生產的卡件（從未對它下載過組態）或斷電保護被中斷過的（如更換主控制卡上斷電保護的電池）主控制卡的啟動模式都為啟動模式3。在這種啟動模式下，卡件內組態信息、控制參數、輸出狀態等等緩沖區都將被初始化在一合適的數值上，控制運算、采樣、輸出等監控動作都被停止，等待工程師站下裝組態，這種狀態也就是我們所說的主控卡“組態丟失”。在系統控制方案調試過程中，可能會發生由于用戶控制程序出錯而導致主控制卡資源被破壞，或者系統配置和算法容量超出系統規定的限制，有可能出現這種組態丟失（組態出錯）的報警現象，在這種情形下，必須改正組態或程序中問題并下裝組態信息，報警現象就會消失。 由于每塊主控制卡內部冷熱啟動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模式對于每一塊卡件來說并不完全一樣。但我們保證：主控制卡斷電時間小于3 秒必定為熱啟動；而斷電時間大于10 秒必定為冷啟動。 SP243X 可冗余配置，也可單卡工作。冗余中的每一個主控制卡均執行同樣的應用程序，當然只有一個運行在控制方式（工作機）。另外一個必須運行在后備方式（備用機）。它們都能訪問I/O 和過程控制網絡，但工作模式下的主控制卡起著控制、輸出、實時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 I/O 口，執行數據采集和控制功能，此外它還監視其配對的后備卡件和過程控制網絡的好壞。 備用模式（后備模式）： 在備用方式下，后備主控制卡執行診斷和監視主處理器的好壞，通過周期查詢運行中的主處理器的數據庫存儲器，接受工作機發送的全部運行信息，后備處理器可隨時保存最新的控制數據，包括了過程點數據，控制算法中間值等，保證了工作/備用的無擾動故障切換。它們通過母板上的控制信號線聯接來實現冗余信息交換，狀態跟蹤。 主控制卡的切換可分為失電強制切換、干擾隨機切換和故障自動切換。在工作主控制卡突然斷電的情況下，強制切換到備用機并承擔控制任務，稱失電強制切換。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，稱為干擾隨機切換。 故障自動切換，如果處理控制方式的主控制卡（工作機）發生故障，并將這故障通知后備處理器，并自動放棄控制權。于是后備處理器接替了系統控制權，并向數據高速公路廣播信息。算法塊的自動跟蹤功能保證了無擾動的故障切換。當下列故障發生時，主控卡將自動切換進行故障切換： 控制處理器故障； 網絡控制器故障； I/O 接口故障； 工作的主控制卡運行時間超時； 工作的主控制卡失電； 工作的主控制卡受到外部強干擾而復位； 控制處理器復位（包括 WDT 引起的復位或供電電壓低引起的復位）； 系統資源破壞，如系統程序空間； RAM 自檢出錯，如組態信息破壞。 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，絲毫不影響運行的控制系統。檢修好的處理器上電后再啟動，會檢測到其配對的處理器是否處于控制方式，若是，便承擔起后備處理器的任務。而運行控制的控制器檢測到有后備處理器出現便會調整按冗余運行。 主控制卡具有自身運行狀態的 LED 指示：運行（RUN）、就緒（STDBY）、故障（FAIL）、SCnetⅡ通信（COM），如圖 3-7 所示。通過卡件上的LED 指示可以幫助我們確定主控制卡的運行狀態和一些簡單的故障情況，以及時發現故障并進行維修。LED 顯示如下：工作機的RUN 將按采樣周期兩倍的周期閃爍，而備用機的STDBY 將按采樣周期兩倍的周期閃爍。當主控制卡的組態、下裝的用戶控制程序、網絡接口、網絡控制器出現故障時，該主控制卡的FAIL 將以不同的方式閃爍。以下將對主控制卡的LED 的指示作詳細說明。正常運行情況下，LED 指示如表. 如果有某一塊主控制卡處于工作狀態（工作機），另一塊主控制卡（該卡件必須符合啟動模式2或啟動模式3）插入相應的冗余槽位（n，n+1，n 為偶數，n<15）作為熱備用卡件（備用機），這一塊備用的主控制卡啟動過程中RUN 與STDBY 指示燈將會交替閃爍，以指示“備用機通過通信向工作機讀取組態、實時等必要的運行數據”。交替閃爍結束后（即備用機和工作機拷貝數據結束），此卡件進入正常的運行狀態（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。 如果只有單獨一塊主控制卡冷啟動（斷電時間>10 秒），則在進入正常運行前FAIL 燈將會快閃一下（紅色），表明此主控制卡要求向另一冗余卡件讀取數據失敗（因為冗余卡件根本不存在）。而另一種情況是：在系統中已存在工作主控制卡，備用主控制卡上電冷啟動，它首先向工作機讀取運行數據，RUN 與STDBY 指示燈交替閃爍，如果拷貝數據（交替閃爍）結束后FAIL 燈快閃一下（紅色），則表明備用機讀取工作機數據失敗。通常在主控制卡的硬件正常的情況下，備用機將成功地向工作機讀取數據，因此FAIL 燈不會出現快閃現象。 在主控卡出現故障的情況下，FAIL 指示燈將以不同的頻率閃爍的方式進行報警。可通過觀察RUN 燈、FAIL 燈、STDBY 燈的相對狀態來確定其故障，具體說明如下： 首先需特別提醒一點：主控制卡處于工作狀態（WORK 燈亮）時，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（WORK 燈暗）時，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備就緒的狀態。當本主控制卡處于工作狀態時，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 燈進行對照，以RUN 燈為相對時間基準。 如果主控制卡受到外部強干擾而引起復位，或者軟件運行出錯（如用戶控制程序運行超時或程序存在死循環）而引起WDT 動作，這兩種情況都將導致主控制卡的CPU 和系統外部電路復位，同時FAIL 故障指示燈將會無規則的“閃爍”一下，這種“閃爍”不同于上述表格中有序的狀態顯示。 如果主控制卡內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，卡件的電源監視電路將使CPU 處于復位狀態，導致SP243X 無法正常工作，此時卡件的FAIL 指示燈一般常亮，而其他狀態指示燈出現異常閃爍。這種FAIL 指示燈常亮不同于卡件組態丟失的情況，在組態丟失的情況下，RUN、SLAVE、STDBY 等指示燈都能正常的有序的閃爍。 當本主控制卡處于備用狀態時，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 燈為相對時間基準進行比較，其余指示燈的閃爍情況都與RUN 燈進行對照來判定故障情況。 必須說明的是：備用主控制卡與工作主控制卡的LED 指示時間順序并沒有直接關系，上述LED的閃爍時間順序關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，所以我們可以通過觀察某一主控制卡的LED 的閃爍來判定卡件或網絡的故障情況。