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基于对当前满足大型工程项目控制系统的前期调试、测试现状的分析，针对北京冬奥会开闭幕式舞台项目，提出基于数字孪生虚拟调试技术的实现方案，解析关键设备、仿真模型的设计，以及实施测试情况。

随着中国工业化水平的不断提升、控制技术的不断发展，大型工程项目的建设、产品的研制越来越多，竞争日趋激烈，对于项目的研制周期、产品可靠性、系统安全等方面提出了越来越高的要求。工程项目的传统研制流程，整个系统的功能、性能验证全部集中在项目的后期进行，如果发现存在系统性问题，或将推翻重来，或花费很大的代价更改，导致整个项目研制存在很大的风险；同时，由于大型工程多是单一产品配套，往往会将实际产品当工装进行测试，存在设备损坏、工期延期、成本超支等风险。因此，采用传统的研制调试模式已经不能满足研制的需要，为控制系统提供一套能够在早期进行系统调试的平台将是项目成功的必要条件。

第24届奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）开闭幕式舞台项目就是典型的大型工程项目。基于对当前满足大型工程项目控制系统的前期调试、测试现状的分析，针对北京冬奥会开闭幕式舞台项目，提出基于数字孪生虚拟调试技术的实现方案，解析关键设备、仿真模型的设计，以及实施测试的情况。

1 需求分析

2 数字孪生与虚拟调试技术发展情况

3 舞台控制虚拟调试系统解决方案

图1 舞台控制虚拟调试系统组成

4 关键部件的功能

4.1 SIMIT Unit PN

4.2 图形工作站

4.3 NX Mechatronic Concept Designer软件

4.4 信号仿真软件SIMIT Simulation

5 仿真模型设计

项目中对结构系统给定的UG模型进行轻量化处理，消除与系统动作无关的部件，降低模拟运算的复核，通过对各部件进行属性定义，将各部分的电气特性相关的部件进行属性设置，从而使结构模型与电气信号建立关系，然后将SIMIT的信号与结构模型的电气信号进行连接。

在S I M I T设备中，通过对原有Epos Telegram111进行二次开发，可以实现故障安全的仿真、备用驱动和主驱动切换等功能。原有的Epos Telegram111的功能可以进行仿真，开发好的功能块在相应位置进行调用，并进行信号连接，完成单电机的Epos报文仿真

CFC大的特点是提供了可视化的模块间的连线编程，清晰可见信号间的I/O流向，适合数据运算和处理编程使用。你从它的名字来看，其实全称翻译过来就是连续功能图。这可谓是工控人的一大福音。
那么哪些地方适合我们采用CFC方式编程呢？具体适用如下：
1、如果是PCS7系统的项目，必须用CFC工具编程；
2、如果是规模较大的dcs系统（即分布式过程控制），也应该用CFC工具编程；
3、如果是非PCS7系统的项目，那么如果有很多的过程控制回路（例如很多PID控制回路），也建议用CFC工具编程；
4、如果控制算法处理较多，模拟信号处理也较多，也推荐采用CFC工具编程。

采用环网冗余结构可以提高网络可用性，单一网络节点的故障不会影响其余设

备通讯，确保正常通讯功能不受影响。

概述

XC-200系列交换机支持以下介质冗余方法：

HRP（高速冗余协议）

MRP（MediaRedundancy Protocol，介质冗余协议）

需要注意不能在一个环中同时使用HRP和MRP.

环型拓扑中的节点可以是外部交换机和/或通信模块的集成交换机。

使用环中某设备的两个端口（环网端口）可使线性总线拓扑闭合成环网。环网中需要一个设备作为冗余管理器，其它设备是冗余客户端。

使用介质冗余功能时，如果环在某点中断，将重新构建各设备间的数据路径。重新构建

拓扑后，可再次在生成的新拓扑中访问到设备。

在冗余管理器中，如果网络未中断，则 2 个环网端口彼此是断开的。这可防止数据帧循环传送。就数据传输而言，该环型拓扑是一个线性总线拓扑。

冗余管理器用于监视环型拓扑。它通过从环网端口 1 和环网端口 2 发送测试帧来执行监视。测试帧沿两个方向在环中传播直到到达冗余管理器的另一个环网端口。环中两个设备间的连接中断或其中某个设备发生故障都会导致环中断。如果冗余管理器的测试帧由于环网内的中断不再能够到达另一个环网端口，则冗余管理器将连通自身的两个环网端口。这一替代路径将以线性总线拓扑形式再次恢复所有剩余设备的功能性连接。中断消失后，将再次建立原通信路径，断开冗余管理器的两个环网端口并通知冗余客户机该变化。然后，冗余客户机使用新路径连接到其它设备。环中断到恢复线性拓扑的时间称为重新组态时间。如果冗余管理器故障，环将变成普通的线性总线。

设备的两个环网端口是用来与环型拓扑中与该设备相邻的两个设备建立连接的端口。在相关设备的组态中要选择并设置环网端口。

 对于XC-200系列交换机，出厂设置定义了默认的环网端口：

MRP（Media Redundancy Protocol，介质冗余协议）

MRP是介质冗余协议（Media Redundancy Protocol）的缩写。它满足IEC 61158中

类别10“PROFINET“中介质冗余协议(MRP) Media Redundancy Protocol 规定，在环网中断后，网络重组时间大为0.2秒。

MRP 是环网冗余协议。冗余管理器在两个环口上发送测试报文。只要测试报文每次

都顺利到达另一个环口，冗余管理器就不会认为环网故障。为防止无限循环的广播，冗余管理器堵塞一个环口中除测试报文之外的所有报文，从而将环网转换为线型网络。

当冗余管理器无法接收测试报文时，例如因为环网中的一根网线损坏，冗余管理器

重新接通堵塞端口，并使能所有节点之间的完整连接。环网故障的大重组时间为200 ms，环网恢复的大重组时间为 200 ms。

使用 MRP 介质冗余协议必须满足的要求如下：

1、

MRP 环上只能包括支持MRP功能的设备。

2、所有设备必须通过其环网端口互连。

3、必须在环中的所有设备上激活“MRP”。

4、所有环网端口的连接设置（传送介质/双工）必须设置为全双工和至少 100

Mbps。

5、在环型拓扑中连接的所有设备属于同一个冗余域的成员。

6、环中的一个设备用作冗余管理器，环中的所有其它设备是冗余客户端。

选中“Ring Redundancy”复选框，将启用环网冗余。将使用此页面上设置的环

网端口。

环网冗余模式 (Ring Redundancy mode) ，对于MRP环网组态可使用以下模式：

自动冗余检测

“Automatic 

Redundancy Detection”

选择此设置可创建冗余模式的自动组态。在“自动冗余检测”模式下，设备会自动检测环网中是否存在充当“HRP 管理器”角色的设备。如果存在，该设备将获得“HRP”客户端的角色。如果未找到 HRP 管理器，则所有设置为“自动冗余检测”

或“MRP 自动管理器”的设备将通过彼此协商来确定哪台设备将获得“MRP

管理器”的角色。MAC 地址低的设备将始终为“MRP管理器”。其余设备将自动设置为“MRP 客户端”模式。

MRP 自动管理器“MRP Auto-Manager”

。

在“MRP 自动管理器”模式下，设

备通过彼此协商来确定哪个设备获得“MRP管理器”的角色。MAC 地址低的设备将始终为“MRP管理器”。其余设备将自动设置为“MRP 客户端”模式。与“自动冗余检测”设置不同，设备在此模式下无法检测环网中是否存在 HRP 管理器。

MRP 客户端 “MRP Client”

设备采用 MRP 客户端角色。

想要在仅有西门子设备的环型拓扑中使用 MRP：

针对环网中的至少一台设备，选择“自动冗余检测”或“MRP 自动管理器”。

针对环网中的所有其它设备，选择“MRP 客户端”或“自动冗余检测”或“MRP 自动管理器”。

想要在同时包含非西门子设备的环型拓扑中使用 MRP

针对环网中的一台设备，选择“MRP 自动管理器”角色。

针对环型拓扑中的所有其它设备，选择“MRP 客户端”角色。

除在交换机WEB管理界面或命令行接口对XC00进行MRP冗余环网配置外，如

果XC200作为IO Device配置在西门子IO Controller下，

在STEP7界面也可以

进行MRP环网配置：

1、在“网络视图”界面将XC206-2SFP添加作为一个IO设备。

2、在XC206-2SFP“选项”属性中找到“介质冗余”，配置介质冗余功能。

3、设置环网端口1及环网端口2。

关于在TIA Portal环境下组态MRP环网冗余的配置可以参考以下链接：

HRP

High Speed Redundancy Protocol高速冗余协议

HRP是高速冗余协议（High Speed Redundancy Protocol）的缩写。

与MRP类似，

交换机通过环网端口互连。其中一台交换机组态为冗余管理器 (RM, Redundancy Manager)，其它交换机为冗余客户端。冗余管理器通过测试帧检查环网以确保其没有中断。冗余管理器通过环网端口发送测试帧并检查其它环网端口是否接收到这些测试帧。冗余客户端转发测试帧。如果由于网络中断导致 RM 发送的测试帧无法到达其它环网端口，则 RM将在自身的两个环网端口之间切换并立即将切换情况通知给冗余客户端。环中断或恢复后的重新组态时间长为 300 ms。

使用 HRP 介质冗余协议必须满足的要求如下：

HRP 的环只能包括支持此功能的设备。

3、必须将环中一个设备组态为冗余管理器，通过选择“HRP 管理器”(HRP

Manager) 设置来执行。

4、在环中所有其它设备上，必须激活“HRP 客户机”(HRP Client) 或“自动

冗余检测”(Automatic Redundancy Detection) 模式。

环网冗余模式 (Ring Redundancy mode) 。对于HRP环网组态可使用以下模式：

自动冗余检测“Automatic Redundancy Detection”

选择此设置可创建冗

余模式的自动组态。在“自动冗余检测”模式下，设备会自动检测环网中是

否存在充当“HRP 管理器”角色的设备。如果存在，该设备将获得“HRP”

客户端的角色。如果未找到 HRP 管理器，则所有设置为“自动冗余检测”

管理器”的角色。MAC 地址低的设备将始终为“MRP管理器”。其余设备

将自动设置为“MRP 客户端”模式。

HRP 客户端“HRP Client”

设备采用 HRP 客户端角色。

HRP 管理器“HRP Manager”

设备采用 HRP 管理器角色。

组态 HRP 环网时，必须将其中一个设备设置为 HRP管理器。针对所有其它设备，必

须设置“HRP 客户端”或“自动冗余检测”。

HRP 

Standby redundancy 

HRP 热备冗余

热备功能用于两个 HRP 环网之间的冗余连接。环网中的两个交换机分别连接另一

环网的两个交换机。热备功能仅在一个环网交换机中组态。在冗余链路中，两个

HRP 环网通过两个以太网连接相连在一起。要建立备用连接，需将环网中两个相邻

设备组态为备用主站或备用从站。备用主站和备用从站必须通过平行电缆连接至另

一个环网中的两个设备。实现的方法是在环网中组态主/从设备对，以使设备能通过

环网端口彼此进行监视，并且能在发生故障时将数据通信从一个以太网连接（主设

备的备用端口）引导至另一个以太网连接（从设备的备用端口）中。网络发生中断

或恢复的情况下，大重组时间为 300 ms。

Standby

启用或禁用备用功能。

 Standby Connection Name

该名称定义了主/从设备对。两个设备必须

处于同一个环网中。该名称必须与在备用伙伴上输入的名称相同。在整个网络中一个名称仅可用于一对设备。

Force device to Standby Master

如果选中该复选框，则会将设备组

态为备用主站；

如

果

没有为任一设备选中该复选框，未发生任何错误，则MAC 地址较高的设备会成为备用主站；如果为两台设备都选择了该选项，则MAC 地址较高的设备会成为备用主站。

Standby Port

选择要作为备用端口的端口。通过备用端口链接到其它

环网。在没有故障的情况下，仅启用主站的备用端口来处理进入相连HRP 环网或 HRP 总线的数据通信；如果主站或主站上某备用端口的以太网连接出现故障，将禁用主站的备用端口，并启用从站的备用端口。