西門子存儲卡6ES7953-8LP20-0AA0

sibas 32是德國西門子公司專為鐵路機(jī)車動車控制而研制的微機(jī)控制系統(tǒng)，它的全稱為siemens bahn automatisierungs system (西門子鐵路自動化系統(tǒng))。sibas 32系統(tǒng)針對驅(qū)動裝置控制主要功能的發(fā)展遠(yuǎn)景來考慮的，因此對系統(tǒng)提出了極苛刻的要求。sibas 32系統(tǒng)是一種高功能通用計算機(jī)系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)和外圍組件可與任意設(shè)備相連，基本能夠完成機(jī)車動車所有的控制和監(jiān)控任務(wù)。sibas 32系統(tǒng)可根據(jù)司機(jī)指令和牽引回路狀態(tài)以及響應(yīng)信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，對各接觸器、繼電器、電磁閥、發(fā)光二極管或數(shù)碼管、斬波器等發(fā)出控制信號。控制單元同時還能夠完成多種監(jiān)測功能，包括對自身功能的診斷和外部數(shù)值的超限監(jiān)測。當(dāng)牽引電路在運(yùn)行中超過預(yù)先在程序中設(shè)置的上 (或下)限值時，系統(tǒng)將根據(jù)故障的嚴(yán)重程度做出相應(yīng)的處理，自動記錄這一故障、產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)并告知司機(jī)。sibas 32系統(tǒng)點(diǎn)是適用于對各種車輛的控制，不論是相控整流機(jī)車、斬波機(jī)車還是交流傳動機(jī)車都可以在其硬件結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，通過簡單地改換相應(yīng)的控制程序從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)車的控制。
            

在德國巴伐利亞州東部小城紐倫堡，有一座外形毫不起眼的電子制造工廠，卻被稱為歐洲乃至的工廠之一。

Simatic控制器。攝影：熊少翀

依賴于自動化系統(tǒng)生產(chǎn)效率提升，自投產(chǎn)至今，安貝格在工廠生產(chǎn)面積始終保持約一萬平方米、員工數(shù)量保持約1200名不變的情況下，產(chǎn)能提升了八倍。在三班制生產(chǎn)中，安貝格每年生產(chǎn)約1500萬件Simatic產(chǎn)品。按每年生產(chǎn)230天計算，平均每秒就能生產(chǎn)出一臺控制設(shè)備。

產(chǎn)品合格率亦大幅提高。相比于該工廠百萬次電子產(chǎn)品加工過程出錯500次，現(xiàn)在出錯率只有12次。

“安貝格是自己生產(chǎn)自己。”該工廠產(chǎn)品工程師ChristophRaum介紹稱，Simatic設(shè)備不僅在安貝格工廠被大量生產(chǎn)，而且遍布自身生產(chǎn)線，控制Simatic產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從而實(shí)現(xiàn)自身生產(chǎn)的高度自動化。

在安貝格工廠內(nèi)部，所有生產(chǎn)線和員工辦公區(qū)域有機(jī)分布其中。尚處于生產(chǎn)過程中的設(shè)備工件，在錯綜復(fù)雜的自動化傳輸線上有序流轉(zhuǎn)，它們像“自然人”一樣，明確知道自己的目的地。在每一個分岔路口，工件會暫停1-2秒，然后選擇正確的去向。

工件在生產(chǎn)線上自動流轉(zhuǎn)。攝影：熊少翀

Christoph解釋稱，生產(chǎn)線上的所有工件都已在虛擬環(huán)境中進(jìn)行規(guī)劃，有自己的“名稱”和“地址”，具備各自的身份信息，因此“知道”什么時候、哪條生產(chǎn)線或哪個工藝過程需要它們。工件在運(yùn)輸線分岔路口暫停，是在識別去向信息。

到達(dá)加工中心后，工件被識別出來，生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時調(diào)用所需要的全部加工信息，并自動調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。加工過程中，產(chǎn)品的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，都儲存在自己的“數(shù)字化產(chǎn)品記憶庫”中，以便精確追蹤生產(chǎn)的每個步驟。加工完成后，通過光學(xué)設(shè)備或其它測量設(shè)備對工件自動進(jìn)行檢測，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)并剔除不合格的產(chǎn)品。

如果機(jī)器設(shè)備需要補(bǔ)給或者維護(hù)保養(yǎng)，則在缺料或故障產(chǎn)生之前發(fā)出請求。系統(tǒng)會記錄所使用的資源數(shù)量，并對庫存及時更新。

            
　　3.1 控制單元 ccu(central control unit type 3)
                    
　　ccu是整個系統(tǒng)的核心單元，機(jī)車的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視由ccu實(shí)施和控制。hxd1機(jī)車的ccu采用type 3型32位微處理器，由網(wǎng)關(guān)gateway、處理器cpu、mvb32－4、電源組成可以實(shí)現(xiàn)2臺(4節(jié))機(jī)車的重聯(lián)。ccu采用冗余設(shè)計，每節(jié)車有2個ccu，一個主ccu，另一個為從ccu，結(jié)構(gòu)功能*相同，一個故障后另一個可以繼續(xù)工作，不影響機(jī)車正常運(yùn)行。
                    
　　ccu的主要功能是為本節(jié)機(jī)車參數(shù)設(shè)置存儲、本節(jié)機(jī)車事件記錄、重聯(lián)機(jī)車事件顯示、整車通訊檢測、通過rs232接口讀或轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)，并且作為機(jī)車控制單元系統(tǒng)軟件上載的輸入端口。
            
　　3.2 牽引控制單元 tcu(traction control unit)
                    
　　tcu是機(jī)車牽引的核心控制單元，由處理器模塊、存儲器模塊、斬波器控制模塊、數(shù)字接口模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬接口模塊、控制系統(tǒng)檢測模塊、列車控制信號輸入變換模塊、數(shù)字信號輸入轉(zhuǎn)換模塊、接觸器驅(qū)動模塊、igbt觸發(fā)模塊、啟動單元等組成。其作用是控制和調(diào)節(jié)機(jī)車牽引、再生制動，從電氣上實(shí)現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)，并且實(shí)現(xiàn)了開閉環(huán)控制、速度頻率同步、故障處理與監(jiān)測等功能。
            
　　3.3 智能終端接口單元 sks1a、sks1b、sks3(sibas kilp)
                    
　　sks1a、sks1b、sks3為智能外圍設(shè)備連接終端，sks1a、sks1b是緊湊設(shè)計的數(shù)字輸入/輸出接口，專為司機(jī)室所用，它把司機(jī)控制指令轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過編碼將信號傳輸給ccu；sks3采用分散化輸入/輸出，減少車內(nèi)所需布線，增加控制和診斷能力。

 西門子存儲卡6ES7953-8LP20-0AA0

冗余環(huán)網(wǎng)，各臺交換機(jī)通過冗余環(huán)口依次進(jìn)行連接，如下圖高速冗余環(huán)網(wǎng)HSR。SCALANCE X400可以作為冗余管理器RM，管理冗余環(huán)網(wǎng)，為了保證系統(tǒng)的快速重構(gòu)和穩(wěn)定性多50個交換機(jī)連接在環(huán)上。除了其它交換機(jī)需要設(shè)置冗余環(huán)口，在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，RM的其中的一個冗余環(huán)口會處于斷開狀態(tài)。這樣整個網(wǎng)絡(luò)處于一種線型結(jié)構(gòu)。冗余管理器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的連接線斷開或交換機(jī)故障，它會通過一個替代路徑恢復(fù)另外一種線型結(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)時間小于0.3秒。如果問題被消除，會恢復(fù)原有的線型結(jié)構(gòu)。在一個環(huán)網(wǎng)中，只能存在一個交換機(jī)組成冗余管理器。環(huán)網(wǎng)可以是電氣環(huán)網(wǎng)也可以是光纖環(huán)網(wǎng)，也可以是電氣和管線混合的環(huán)網(wǎng)。另外，可以利用SCALANCE X 400的千兆端口，組成高速冗余的千兆環(huán)網(wǎng)。

高速冗余環(huán)網(wǎng)HSR                                          環(huán)間熱備STBY

環(huán)網(wǎng)之間的冗余備份STBY，通過兩臺交換機(jī)各自連接到另外一個環(huán)網(wǎng)的兩臺交換機(jī)，如上圖環(huán)間熱備STBY。僅需要在同一個環(huán)網(wǎng)中的兩個交換機(jī)A和B（與另外一個環(huán)網(wǎng)進(jìn)行冗余連接）進(jìn)行組態(tài)，即可完成環(huán)網(wǎng)之間的連接冗余。這兩個交換機(jī)A和B通過網(wǎng)絡(luò)相互交換數(shù)據(jù)來同步它們的運(yùn)行狀態(tài)，其中一臺設(shè)備作為Master，另外一臺設(shè)備作為Slave。在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，僅是Master與另外一個環(huán)網(wǎng)的連接是激活的，即通訊數(shù)據(jù)通過該連接完成兩個環(huán)網(wǎng)之間的通訊。如果Master的連接斷開或Master交換機(jī)故障，這時Salve會激活其連接，這時兩個環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)就通過Slave的連接來完成。如果故障恢復(fù)，Master會重新作為環(huán)網(wǎng)之間的激活連接。STBY可以是電氣連接也可以是光纖連接。另外，可以利用
SCALANCE X 408的千兆端口，組成千兆環(huán)網(wǎng)冗余熱備。

SCALANCE X 400冗余環(huán)網(wǎng)組態(tài)：

SCALANCE X 400環(huán)網(wǎng)間熱備組態(tài)：

PROFINET循環(huán)的實(shí)時通信報文基于IEEE802.3，具有4個字節(jié)的VLAN標(biāo)簽（IEEE802.1p），該標(biāo)簽其中的3個位可以表示PROFINET實(shí)時數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，參考圖1 PROFINET實(shí)時報文。

圖1 PROFINET實(shí)時報文

PROFINET循環(huán)的實(shí)時數(shù)據(jù)報文具有優(yōu)先級，且用戶優(yōu)先級為6。VLAN標(biāo)示符VID=0表示報文僅包含優(yōu)先級信息，而不是一個有效地VLAN標(biāo)識。
報文具有“用戶優(yōu)先級”符合IEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.1p具有如下特點(diǎn)：
支持IEEE802.1p的交換機(jī)會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，IEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)

• 通過在OSI 2層給數(shù)據(jù)加入優(yōu)先級以及交換機(jī)中的不同隊列分配，實(shí)現(xiàn)加速報文轉(zhuǎn)發(fā)。
• TCI中包含表示服務(wù)種類(Class of Service)的3個位，這樣CoS服務(wù)就有8個優(yōu)先級，其中0為低優(yōu)先級，而7為高優(yōu)先級。
• 不同的應(yīng)用按照不同的方式進(jìn)行處理
• 賦予實(shí)時應(yīng)用更高的優(yōu)先級
• 賦予普通的應(yīng)用較低的優(yōu)先級
  這樣在IEEE802.1p的支持下，用戶終端主機(jī)能請求所提交流量的優(yōu)先等級，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則在幀頭上設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)記予以實(shí)施。802.1p可以將以太網(wǎng)中的流量分為8個優(yōu)先等級，將時間敏感的視頻/音頻以較高的優(yōu)先級在交換式以太網(wǎng)中傳送，以支持以太網(wǎng)上各類業(yè)務(wù)的QoS。參考表1 。

表1

目前，許多以太網(wǎng)交換機(jī)都能夠支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的分類處理，即支持IEEE802.1p，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的“用戶優(yōu)先級”字段內(nèi)容的不同進(jìn)行緩存、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等操作。理想情況下，以太網(wǎng)交換機(jī)能支持的優(yōu)先級與802.1p規(guī)定的優(yōu)先級相同，但實(shí)際情況有時并非如此。
西門子的SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品中，X-00系列具有兩個優(yōu)先級堆棧，高的優(yōu)先級堆棧處理具有用戶優(yōu)先級4，5，6，7的數(shù)據(jù)，低的優(yōu)先級堆棧處理具有用戶優(yōu)先級3，0，1的數(shù)據(jù)。對于SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列所支持的優(yōu)先級與IEEE802.1p所規(guī)定的優(yōu)先級相同。具有4個優(yōu)先級堆棧，每個堆棧處理不同用戶優(yōu)先等級的數(shù)據(jù)，參考圖2 SCALANCE X交換機(jī)優(yōu)先級堆棧。SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)會根據(jù)數(shù)據(jù)的用戶優(yōu)先級的不同由內(nèi)部不同的優(yōu)先級堆棧來處理。這也表明SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列的產(chǎn)品可以細(xì)分用戶優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，對于用戶優(yōu)先級6，7由高優(yōu)先級堆棧處理優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 SCALANCE X交換機(jī)優(yōu)先級堆棧

SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)會優(yōu)先對高優(yōu)先級的堆棧中的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。參考圖3 IEEE802.1p報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)原則。幀1正在被發(fā)送，表明不會中斷正在發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸。幀2的優(yōu)先級低于幀3，所以優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)幀3。終端口1的數(shù)據(jù)幀發(fā)送順序?yàn)閹?，幀3，幀2。

圖3 IEEE802.1p報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)原則

除此以外，X200系列以上的SCALANCE X交換機(jī)不但可以在Step7中作為IO設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，也可以在Step7中實(shí)現(xiàn)集成診斷。參考圖4 交換機(jī)組態(tài)。

圖4 交換機(jī)組態(tài)

在使用SCALANCE X300和SCALANCE X400系列的交換機(jī)應(yīng)用在PROFINET實(shí)時應(yīng)用中，由于這兩種系列的交換機(jī)不但支持IEEE802.1p還支持IEEE802.1Q，即VLAN。那么這兩類以太網(wǎng)交換機(jī)則認(rèn)為VLAN ID=0的幀不帶有VLAN標(biāo)簽。這意味著PROFINET實(shí)時報文（VID=0）在這兩類交換機(jī)之中轉(zhuǎn)發(fā)不具有優(yōu)先級，與普通的數(shù)據(jù)一樣，不會被交換機(jī)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。所以在使用這兩類交換機(jī)時，需要特別注意，這種情況下，可以使用2種方式來改善：
種情況，就是使用SCALANCE X200系列以下的交換機(jī)，這樣由于這些系列的交換機(jī)不支持IEEE802.1Q，僅支持IEEE802.1p，所以會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET實(shí)時數(shù)據(jù)。
第二種情況，如果使用SCALANCE X300/400時，且PROFINET實(shí)時數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)在一個通道上進(jìn)行傳輸，需要給PROFINET的數(shù)據(jù)傳輸通道設(shè)置VLAN。例如圖5 組態(tài)舉例。PROFINET IO控制器和IO設(shè)備的PROFINET實(shí)時通信與PC1和PC2的普通通訊，例如TCP/IP，共同占用2臺SCALANCE X400之間的通道。由于SCALANCE X400支持IEEE802.1Q，交換機(jī)會認(rèn)為PROFINET 實(shí)時數(shù)據(jù)與普通的TCP/IP數(shù)據(jù)的優(yōu)先級一樣，這樣不會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET實(shí)時數(shù)據(jù)。

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