主控制卡SP243X

1．功能

主控制卡（SP243X）是控制站的軟硬件核心，負責協(xié)調(diào)控制站內(nèi)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(wǎng)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(tǒng)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(xié)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(wǎng)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(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、網(wǎng)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(nèi)，能自動進行高速數(shù)據(jù)交換，使工作/備用卡件之間的運行狀態(tài)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(tài)（編程）的控制程序和4Mbit 的數(shù)據(jù)區(qū)，為用戶設計的復雜控制程序和數(shù)據(jù)區(qū)準備了充足的內(nèi)存空間；

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

帶算術、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(xiàn)就地或遠程I/O 功能，節(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)采用大容量的 Flash Memory 存儲器，控制程序可以實現(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)、運行狀態(tài)等），提高了系統(tǒng)安全性和可維護性。在系統(tǒng)斷電的情況下，能保護SRAM 數(shù)據(jù)不丟失最長時間為3 年。

使用說明

控制站作為 SCnet Ⅱ的節(jié)點，其網(wǎng)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(nèi)。

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(tài)指示燈，以下詳細說明主控制卡的外部接口、卡件設置、狀態(tài)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(xiàn)了主控制卡與機籠內(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(tài)。

主控制卡的的網(wǎng)絡節(jié)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(shù)方法讀數(shù)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(diào)試

SP243X 具有WDT 復位和冷熱啟動判斷電路。WDT 能使系統(tǒng)在受到干擾或用戶程序（系統(tǒng)定義的組態(tài)或用戶控制程序）出錯而造成程序執(zhí)行混亂或跳飛后自動對卡內(nèi)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(tǒng)的正常運行狀況；而冷熱啟動判斷電路能使系統(tǒng)正確判斷系統(tǒng)復位狀態(tài)，以進行合理初始化。對于WDT 動作而引起的熱復位系統(tǒng)將保持復位前狀態(tài)，保證控制的連續(xù)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(xiàn)場工藝過程的安全，冷啟動模式下的主控卡監(jiān)控軟件將對內(nèi)部控制狀態(tài)和I/O 卡件輸出狀態(tài)進行初始化，回復到安全的狀態(tài)上，如開關量輸出卡處于OFF 狀態(tài)、閥位輸出處于關閉狀態(tài)、控制回路都處于手動狀態(tài)，等等。但組態(tài)信息、控制參數(shù)都能保持斷電前下裝的內(nèi)容和數(shù)值。主控制卡的啟動模式有三種：熱啟動、冷啟動、組態(tài)混亂清除組態(tài)。

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(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(tǒng)瞬間斷電并恢復。對于系統(tǒng)熱啟動后的控制狀態(tài)（控制回路、輸出等）都應保持在復位前狀態(tài)，保證控制的連續(xù)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(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(tài)信息、控制參數(shù)都能保持斷電前下裝的內(nèi)容和數(shù)值，不會丟失。但是，為保證現(xiàn)場工藝過程的安全，冷啟動模式下的主控卡監(jiān)控軟件將對內(nèi)部控制狀態(tài)和I/O 卡件輸出狀態(tài)進行初始化，回復到安全的狀態(tài)上，如開關量輸出卡處于OFF 狀態(tài)、閥位輸出處于關閉狀態(tài)、控制回路都處于手動狀態(tài)，等等。

啟動模式 3——組態(tài)混亂清除組態(tài)模式：

監(jiān)控軟件復位啟動（系統(tǒng)上電或WDT 動作）后對組態(tài)信息、保護進行自檢（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”報警（診斷畫面中），主控制卡的FAIL 燈常亮。這種系統(tǒng)啟動模式將被判定為啟動模式3。對于新生產(chǎn)的卡件（從未對它下載過組態(tài)）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(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，控制運算、采樣、輸出等監(jiān)控動作都被停止，等待工程師站下裝組態(tài)，這種狀態(tài)也就是我們所說的主控卡“組態(tài)丟失”。在系統(tǒng)控制方案調(diào)試過程中，可能會發(fā)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(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）的報警現(xiàn)象，在這種情形下，必須改正組態(tài)或程序中問題并下裝組態(tài)信息，報警現(xiàn)象就會消失。

由于每塊主控制卡內(nèi)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(zhí)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(wǎng)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(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能，此外它還監(jiān)視其配對的后備卡件和過程控制網(wǎng)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(zhí)行診斷和監(jiān)視主處理器的好壞，通過周期查詢運行中的主處理器的數(shù)據(jù)庫存儲器，接受工作機發(fā)送的全部運行信息，后備處理器可隨時保存最新的控制數(shù)據(jù)，包括了過程點數(shù)據(jù)，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(lián)接來實現(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(fā)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(tǒng)控制權，并向數(shù)據(jù)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(fā)生時，主控卡將自動切換進行故障切換：

控制處理器故障；

網(wǎng)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(tǒng)資源破壞，如系統(tǒng)程序空間；

RAM 自檢出錯，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，絲毫不影響運行的控制系統(tǒng)。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(xiàn)便會調(diào)整按冗余運行。

主控制卡具有自身運行狀態(tài)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(tài)和一些簡單的故障情況，以及時發(fā)現(xiàn)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(tài)、下裝的用戶控制程序、網(wǎng)絡接口、網(wǎng)絡控制器出現(xiàn)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(tài)（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(shù)，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(tài)、實時等必要的運行數(shù)據(jù)”。交替閃爍結束后（即備用機和工作機拷貝數(shù)據(jù)結束），此卡件進入正常的運行狀態(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(shù)據(jù)失敗（因為冗余卡件根本不存在）。而另一種情況是：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，它首先向工作機讀取運行數(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）結束后FAIL 燈快閃一下（紅色），則表明備用機讀取工作機數(shù)據(jù)失敗。通常在主控制卡的硬件正常的情況下，備用機將成功地向工作機讀取數(shù)據(jù)，因此FAIL 燈不會出現(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行報警。可通過觀察RUN 燈、FAIL 燈、STDBY 燈的相對狀態(tài)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(tài)（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(tài)（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(tài)。當本主控制卡處于工作狀態(tài)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(huán)）而引起WDT 動作，這兩種情況都將導致主控制卡的CPU 和系統(tǒng)外部電路復位，同時FAIL 故障指示燈將會無規(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 處于復位狀態(tài)，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(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。

當本主控制卡處于備用狀態(tài)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(wǎng)絡的故障情況。