循环程序和时间驱动型程序执行时的响应时间简介本部分中，您将学到：•响应时间的构成方法• 响应时间的计算方法49循环程序的执行4.4 循环程序和时间驱动型程序执行时的响应时间循环和响应时间功能手册,11/2022,A5E03461511-AG定义循环程序执行或时间驱动型程序执行的响应时间是指检测到一个输入信号到相关联的输出信号发生变化之间的时间。CPU的响应时间波动CPU的实际响应时间会在一到两个循环程序的执行循环间以及一到两个时间驱动型程序的循环中断循环间波动。对系统进行组态时，应采用Zui长的响应时间。下图显示了事件发生时CPU 的Zui短和Zui长响应时间。相关因素确定过程响应时间时，除了需要考虑上文中提到的 CPU 响应时间，还必须考虑以下因素：• I/O模块上输入和输出的延时时间• 所用传感器和执行器的切换时间• PROFINET IO 的更新时间或 PROFIBUS DP 上的 DP循环时间、ET 200SP CPU 背板总线的更新时间说明S7-1500 CPU 的背板总线此处可以忽略 S7-1500 CPU背板总线的更新时间。模块上输入和输出的延时时间有关延时时间和循环时间，请参见 I/O 模块的技术规范。50循环和响应时间功能手册,11/2022, A5E03461511-AG循环程序的执行4.4 循环程序和时间驱动型程序执行时的响应时间PROFINET IO的更新时间和 PROFIBUS DP 上的 DP 循环时间使用分布式 I/O 时，PROFIBUS 或 PROFINET的总线传输时间将额外延长Zui大响应时间。这些总线传输时间源自读/写过程映像分区时产生的时间。总线传输时间与分布式设备的总线更新周期相对应。PROFINETIO如果使用 STEP 7 组态 PROFINET IO 系统，STEP 7 可计算更新时间。要显示更新时间，请按以下步骤操作：•选择 I/O 模块的 PROFINET 接口。• 在“常规”(General) 选项卡中，选择“gaoji选项 > 实时设置> IO 循环”(Advanced options >Real time settings > IOcycle)。更新时间将显示在“更新时间”(Update time) 字段中，可为每个 IO 设备设置。PROFIBUS DP如果使用STEP 7 组态 PROFIBUS DP 主站系统，STEP 7 可计算 DP 循环时间。要显示 DP循环时间，请按以下步骤操作：• 从网络视图中选择 PROFIBUS 子网。• 在巡视窗口的“常规”(General)选项卡上，浏览到“总线参数”(Bus parameters)。DP 循环时间将显示在“典型 Ttr”(Typical Ttr)处的“参数”(Parameters) 字段中。下图举例说明了使用分布式 I/O 时其它总线的运行时间使用分布式 I/O时其它总线运行时间可使用等时同步模式对响应时间进行进一步优化。ET 200SP CPU 背板总线的更新时间下表列出了 ET 200SPCPU 背板总线的集中（典型）更新时间。ET 200SP CPU 的更新时间CPU 的更新时间ET 200SP1510SP(F)‑1PN1512SP(F)‑1 PN1514SP(T)(F)-2 PN1515SP(F)‑PC集中式 I/O 的更新时间 250 μs 到1 ms，具体取决于集中式 I/O 模块的数目和类型 11 更新时间取决于 I/O 模块数量与类型（ST、HF、HS）。对于带有标准I/O 模块的集中式 I/O 组态中，Zui大更新时间为 1 ms。例如，通过使用 HF I/O 模块并减少模块数量，可将更新时间降至250 μs。51循环程序的执行4.4 循环程序和时间驱动型程序执行时的响应时间循环和响应时间功能手册, 11/2022,A5E03461511-AG下表为导向指南，列出了 ET 200SP I/O模块数与使用的总线循环之间的对应关系。举例来说，表中假定每个 I/O 模块包含的 I/O 数据数为 8 个字节。如果 I/O 模块的I/O 数据字节数超过 32，则会按 I/O 模块包含 32 个字节计算总线循环。在这种情况下，I/O 模块需要多个总线循环来更新其I/O数据。循环程序执行和时间驱动型程序执行的响应时间概述估算Zui短和Zui长的响应时间可以使用以下公式估算Zui短和Zui长的响应时间：估算Zui短的响应时间Zui短响应时间是以下各项的总和：1x I/O 模块上输入的延时+ 1 x（PROFINET IO 或 PROFIBUS DP 的更新时间）*；（ET 200SP CPU背板总线的更新时间）+ 1 x 过程映像输入的传输时间52循环和响应时间功能手册, 11/2022,A5E03461511-AG循环程序的执行4.5 循环程序执行和时间驱动型程序执行的响应时间概述+ 1 x 用户程序的执行时间+ 1x 过程映像输出的传输时间+ 1 x（PROFINET IO 或 PROFIBUS DP 的更新时间）*；（ET 200SP CPU背板总线的更新时间）+ 1 x I/O模块上输出的延时_________________________________________________________________________________=Zui短的响应时间*时间取决于网络配置和网络范围。Zui短响应时间等于循环时间与输入/输出延时时间的总和。估算Zui长的响应时间Zui长响应时间为以下各项的总和：1x I/O 模块上输入的延时+ 2 x（PROFINET IO 或 PROFIBUS DP 的更新时间）*；（ET 200SP CPU背板总线的更新时间）+ 2 x 过程映像输入的传输时间+ 2 x 用户程序的执行时间+ 2 x 过程映像输出的传输时间+ 2x（PROFINET IO 或 PROFIBUS DP 的更新时间）*；（ET 200SP CPU 背板总线的更新时间）+ 1 xI/O模块上输出的延时_________________________________________________________________________________=Zui长响应时间* 时间取决于网络配置和网络范围。Zui长响应时间等于 2 倍的循环时间加上输入/输出的延时时间的总和。将 PROFINETIO 更新时间的二倍或 PROFIBUS DP 循环时间的二倍与Zui长响应时间相加。53循环程序的执行4.5循环程序执行和时间驱动型程序执行的响应时间概述循环和响应时间功能手册, 11/2022,A5E03461511-AG循环和响应时间54 功能手册, 11/2022, A5E03461511-AG事件驱动型程序的执行：55.1 事件驱动型程序执行时的 CPU 响应时间简介用户程序中使用的硬件中断可检测到过程事件并使用相应的程序对事件进行响应。在STEP 7中，组织块 OB 40 到 OB 47 用于处理硬件报警。可创建由组织块 OB 123开始的其它硬件中断。可用的组织块数量取决于所用的CPU。硬件中断硬件中断是指程序执行过程中因一个可触发中断的过程事件而产生的中断。操作系统将调用所分配的中断组织块，并中断程序循环或低优先级程序的执行。硬件中断OB 分配给“Hardwareinterrupt”事件类。硬件中断的 CPU 中断响应时间CPU中发生硬件中断事件时，中断响应时间开始。开始处理已分配硬件中断 OB时，中断响应时间结束。该时间的变化幅度与系统相关，这种变化幅度表现为Zui短和Zui长的中断响应时间。下表包含了硬件中断的 CPU典型响应时长。S7-1500 CPU 硬件中断的 CPU 响应时间指定时间延长的情况：• 优先级较高的中断排队执行• 硬件中断 OB分配给过程映像分区有关“因嵌套高优先级 OB 和/或中断而导致时间延时”部分表格中的时间，请参见用户程序的执行时间 (页28)一章。如果要缩短中断响应时间，则不要将过程映像分区分配给该硬件中断 OB，而是在硬件中断 OB中直接进行访问。有关确定PROFINET 响应时间的更多信息，请参见“服务与支持硬件中断的中断响应时间对输入模块的影响数字量输入模块：硬件中断的中断响应时间= 内部中断处理时间 + 输入延时（参见相关手册中的“技术规范”部分）模拟量输入模块：硬件中断的中断响应时间 = 内部中断处理时间 +转换时间（参见相关手册中的“技术规范”部分）通信对中断的影响通信任务通常由 CPU 处理，优先级为15。如果不希望因通信导致中断执行延时或中断，则可将中断执行的优先级组态为大于 15。中断执行的默认优先级为 16。在第 2 个PROFINET 接口 (X2) 上组态 PROFINET IO 通信时应遵循的特别注意事项有关此方面的更多信息，请参见在第 2 个PROFINET 接口 (X2) 上组态 PROFINET IO 通信时应遵循的特别注意事项 (页45)部分。56循环和响应时间功能手册, 11/2022, A5E03461511-AG事件驱动型程序的执行：5.1事件驱动型程序执行时的 CPU 响应时间5.2 事件驱动型程序执行的过程响应时间对于事件驱动型程序执行，过程响应时间取决于以下方面：•所使用输入和输出模块的延时时间• 分布式模块的 PROFIBUS/PROFINET 更新时间；ET 200SP CPU背板总线的更新时间• CPU 的中断响应时间• 中断 OB的执行时间，包括过程映像分区的更新时间下图显示了事件驱动型程序执行的各个步骤。S7-1500R/H 冗余系统的循环和响应时间 66.1简介S7‑1500R/H 冗余系统的 CPU 设计为可采用冗余组态。冗余组态的目的是避免停工。一个 CPU出现故障时，另一个 CPU会接替它对过程进行控制。与非冗余 CPU 相比，S7‑1500R/H 冗余系统的 CPU 具有以下特点：• 循环与响应时间较长•特定的操作组态和系统状态• 通过通过实现额外负载和延时本部分的内容本部分介绍了 S7‑1500R/H冗余系统操作模式对循环时间和响应时间的影响，还介绍了如何估算和控制 CPU的循环时间和响应时间，这样可避免过长的循环时间。说明本章分类之前章节中的说明介绍了个别 CPU 的响应。“S7‑1500R/H冗余系统的循环和响应时间”部分包含关于 S7‑1500R/H 冗余系统的信息，对之前章节的信息进行了补偿。6.2Zui大循环时间和时间错误Zui大循环时间使用非冗余 CPU 时，可通过设置Zui大循环时间的方式设定循环程序的上限。冗余 CPU的循环时间通常长于非冗余 CPU 时间（特别是在 RUN-Redundant 和 SYNCUP 系统状态下）。冗余 CPU的循环时间大于非冗余 CPU 循环时间的倍数与特定自动化任务有着很大关系。说明SYNCUP系统状态下的Zui大循环时间设定的Zui大循环时间的时长还会影响 SYNCUP 系统状态。如果 SYNCUP 期间满足以下条件，系统会发起到RUN-Redundant 的切换：在多个循环中，实际循环时间小于等于Zui大循环时间的 80%。有关此方面的更多信息，请参见SYNCUP系统状态下对循环时间的影响 (页 60)部分。RUN-Redundant 系统状态下的Zui大循环时间如果两个 CPU之一出现故障，则循环时间还包含 R‑CPU 长达 300 ms 的死区时间以及 H‑CPU长达 50 ms的死区时间。必须将此时间计划为预留循环时间以防两个 CPU 之一出现故障。因此，确保在 RUN-Redundant系统状态下Zui长循环时间加上该死区时间小于已组态Zui大循环时间的60%。这样可确保在因同步产生负载波动和延迟的情况下不会超出设定的Zui大循环时间。时间错误使用非冗余 CPU 时，可指定S7‑1500R/H 冗余系统 CPU 对时间错误的响应。在 RUN-Solo 系统状态下，当超出Zui大循环时间时，冗余 CPU的行为与非冗余 CPU 相同（参见循环时间 (页23)部分）。STOP 后的系统状态变化（载入 OB80）同一循环中超出Zui大循环时间三次后，主 CPU 也会切换为 STOP。超出Zui大循环时间后，备用 CPU 切换为 STOP操作状态备用 CPU 切换为 STOP 操作状态可减小同步负载，并可减轻主 CPU 的负载。6.3 对 S7-1500R/H冗余系统的循环时间的影响6.3.1 RUN-Solo 系统状态下对循环时间的影响RUN-Solo 系统状态在 RUN-Solo系统状态下，主 CPU 处于 RUN 操作状态。主 CPU 自行执行循环、时间和中断控制的程序执行。备用 CPU 处于 STOP操作状态、关闭或存在故障。对循环时间的影响在 RUN-Solo 相同状态下，对于循环时间监测，主 CPU 的工作方式与标准CPU（非冗余 CPU）完全相同。有关此方面的更多信息，请参见“循环时间 (页 23)”部分。6.3.2 SYNCUP系统状态下对循环时间的影响SYNCUP 系统状态在 SYNCUP 系统状态下，主 CPU 处于 RUN-Syncup 操作状态。备用CPU 处于 SYNCUP 操作状态。SYNCUP 系统状态的任务是同步两个 CPU 的数据，以便 CPU随后以冗余方式工作。60循环和响应时间功能手册, 11/2022, A5E03461511-AGS7-1500R/H冗余系统的循环和响应时间6.3 对 S7-1500R/H 冗余系统的循环时间的影响对循环时间的影响下图按时间顺序显示了 SYNCUP系统状态下主 CPU 和备用 CPU 的行为。① 将主 CPU 中的数据同步到备用 CPU② 复制负载存储器并终止异步指令③工作存储器内容快照④ 将工作存储器的内容传输到备用 CPU⑤ 备用 CPU 会弥补因数据同步造成的与主 CPU 之间的时间滞后。图6-1 SYNCUP 对 CPU 循环时间的影响在 SYNCUP 系统状态下，所有相关数据都会从主 CPU 同步到备用CPU。SYNCUP 结束时，备用CPU 会弥补因同步造成的与主 CPU 之间的时间滞后。小心SYNCUP 系统状态•同步数据、特别是获取工作存储器内容快照会延长循环时间。此外，在 SYNCUP 期间，大部分测试和调试功能均无法执行。• 在SYNCUP 期间，诊断中断的处理具有非常明显的延迟。• 从 SYNCUP 系统状态转换到 RUN-Redundant时，循环时间大幅增加。因此，仅可在不重要的过程状态下执行 SYNCUP。① 将主 CPU 中的数据同步到备用 CPU在此阶段，主CPU 负载存储器、工作存储器和系统存储器的所有相关内容都会同步到备用CPU 中。② 复制负载存储器并终止异步指令主 CPU将其负载存储器的某些部分从其 SIMATIC 存储卡复制到备用 CPU 的 SIMATIC 存储卡。备用 CPU 重新启动并自动切换为SYNCUP 操作状态。备用 CPU 将传输的负载存储器内容复制到其工作存储器。数据块、过程映像等会立即被主 CPU中的当前数据覆盖。随后，已在运行的异步指令会被覆盖，新启动的异步指令会延迟，直至实现同步操作。③ 工作存储器内容快照主 CPU在下一循环控制点保存其工作存储器内容的一致快照。61S7-1500R/H 冗余系统的循环和响应时间6.3 对 S7-1500R/H冗余系统的循环时间的影响循环和响应时间功能手册, 11/2022, A5E03461511-AG在 SYNCUP期间，创建工作存储器内容快照时，用户程序的执行会延迟以下时间：④ 将工作存储器的内容传输到备用 CPU在此阶段，一致的快照会从主CPU 传输到备用 CPU。传输工作存储器内容会延长循环时间。传输工作存储器内容所需的时间取决于 CPU性能以及工作存储器的数据量。⑤ 备用 CPU 弥补与主 CPU 之间的时间滞后在此阶段，备用 CPU 在程序执行中弥补与主 CPU之间的时间滞后因为在冗余模式下，已根据需要在此阶段中同步事件。说明SYNCUP 期间不能进行切换。如果 SYNCUP 期间主 CPU发生故障，则不能切换为备用 CPU。SYNCUP 会取消，备用 CPU 会恢复 STOP 操作状态。从 SYNCUP 切换为RUN-Redundant系统持续检查切换为 RUN-Redundant系统状态会产生哪一循环时间。如果该循环时间在多个循环中小于等于Zui大循环时间的80%，则会发起状态转换。更多信息，请参见系统手册《S7-1500R/H 冗余系统》。说明确定 SYNCUP 期间的循环时间可通过主CPU 和备用 CPU 的显示屏跟踪 SYNCUP 的进度。备用 CPU 会在每个循环控制点向主CPU发送关于其程序进度的状态消息。主 CPU 的显示屏会指示备用 CPU的时间滞后时长。除了通过显示屏查看进度之外，还可以使用“RT_INFO”指令读取 SYNCUP 的进度。取消 SYNCUP 的原因取消SYNCUP 的可能原因包括：• 用户程序负载或主 CPU 与备用 CPU 之间的冗余连接负载过高。• 已超出主 CPU的Zui大循环时间有关取消 SYNCUP 的全部原因以及可采取的补救措施概述，请参见系统手册 S7-1500R/H 冗余禁用SYNCUP为避免 SYNCUP在重要过程状态期间对循环时间造成上述影响，请使用指令“RH_CTRL”。可通过“RH_CTRL”指令禁用 S7‑1500R/H冗余系统的 SYNCUP 系统状态。如果不再需要禁用SYNCUP 系统状态，可使用“RH_CTRL”指令再次启用。Zui小循环时间为S7‑1500R/H 冗余系统 CPU 设置的Zui小循环时间通常比非冗余 CPU的Zui小循环时间长。建议：选择Zui小循环时间时，应确保循环程序的执行频率不要高于过程要求的频率。将Zui小循环时间设置为针对过程进行调整的较长的时间可优化整个系统。通过延长Zui小循环时间得到的各循环的计算能力随后可用于通信等系统任务。所选的Zui小循环时间应至少对应于在用户程序冗余模式下测量的循环时间（其中Zui小循环时间尚未生效）。极小的Zui小循环时间仅在系统的单机模式下才有效。这会对SYNCUP 系统状态造成负担并拖慢该系统状态，从而增加 SYNCUP不定时中止的可能性。说明循环时间过短循环时间过短会造成同步负载过大，从而会终止 SYNCUP。通信负载的参数分配说明SYNCUP系统状态下会发生同步负载增加的情况。由于该同步负载除了会增加通信负载外，还会增加循环负载，因此建议将通信负载减小为 ≤30%。6.3.3 RUN-Redundant 系统状态下对循环时间的影响RUN-Redundant 系统状态在RUN-Redundant 系统状态下，主 CPU 会对过程进行控制。主 CPU 持续将自身与备用 CPU进行同步。如果主 CPU发生故障，备用 CPU 会承担主 CPU 的角色，进而控制过程。63S7-1500R/H 冗余系统的循环和响应时间6.3 对S7-1500R/H 冗余系统的循环时间的影响循环和响应时间功能手册, 11/2022,A5E03461511-AG不中断循环程序时的循环时间在 RUN-Redundant 系统状态下，与主 CPU 相比，备用 CPU具有时间滞后。产生该时间滞后的原因是，受事件控制的主 CPU 与备用 CPU 之间的数据同步需要一定的时间。下图显示了不中断循环程序时CPU 经历的各阶段① 循环时间② 备用 CPU 的循环③ 时间滞后④ 循环结束和下一循环开始（循环控制点）图 6-2 不中断循环程序时的循环时间循环时间 ① 包括备用 CPU 的循环时间 ② 以及备用 CPU 相对于主 CPU 的时间滞后③。产生时间滞后的原因是主 CPU 与备用 CPU 之间的数据同步需要一定的时间。主 CPU 与备用 CPU之间的同步会自动进行（如有需要）。需要在两个 CPU 之间同步的数据越多，时间滞后越大。备用 CPU达到其循环程序结束点后，程序循环会立即结束。备用 CPU 向主 CPU 报告循环结束后，主 CPU 会立即开始下一循环④。循环延长使用非冗余 CPU 时，发生事件和关联 OB时，循环会延长。循环程序执行期间和时间滞后期间都可发生事件。64循环和响应时间功能手册, 11/2022,A5E03461511-AGS7-1500R/H 冗余系统的循环和响应时间6.3 对 S7-1500R/H冗余系统的循环时间的影响下例中，CPU 必须处理优先级较高的 OB（优先级为 7 的 OB 30），同时，主 CPU 等待备用CPU循环结束。下图显示了在 CPU 在这种情况下经历的各个阶段。循环程序（优先级为 1 的 CP）执行完毕。主 CPU 等待备用 CPU循环结束时，优先级较高的OB（优先级为 7 的 OB 30）会开始执行。满足下列条件时，主 CPU 会立即开始执行下一循环：• 主CPU 已接收到备用 CPU 发出的消息，说明备用 CPU 已完成对循环程序的处理。• 主 CPU 已处理 OB 30 并更新PIPQ1。说明由于运行级别发生了变化以及同步的原因，优先级较高的 OB中断程序循环会产生更大负载。中断程序循环会延长循环时间。同步时间的区别可用带宽对同步时间有着重要影响。对于R‑CPU，数据同步和通信任务同步都会通过 PROFINET 环网进行。为同步预留25% 的带宽。对于H‑CPU，同步通过光缆进行，与 PROFINET 环网/PROFINET 网络无关。下表概括列出了 R‑CPU 和 H‑CPU的性能特点。表格 6-4 S7‑1500R 和 S7‑1500H 的性能特点S7-1500R S7-1500HCPU1513R‑1 PN(6ES7513-1RM03-0AB0)CPU 1515R‑2 PN(6ES7515-2RN03-0AB0)CPU1517H‑3 PN(6ES7517-3HP00-0AB0)CPU 1518HF-4 PN(6ES7518-4JP00-0AB0)•数据传输速率为 100 Mbps（用于同步和通信） • 与 S7‑1500R 相比，性能得到显著提升，原因如下：–通过光缆建立的单独冗余连接– 计算能力提高– 数据传输率为 1 Gbps（用于同步）性能• 数据工作存储器：Zui大2.5 MB•程序工作存储器：Zui大600 KB• 数据工作存储器：Zui大 4.5 MB• 程序工作存储器：Zui大 1 MB• 数据工作存储器：Zui大为 8MB• 程序工作存储器：Zui大为 2 MB• 数据工作存储器：Zui大为60 MB• 程序工作存储器：Zui大为9 MB硬件 • CPU在设计方面与相应的标准型 S7‑1500 完全相同。• CPU 同步在 PROFINET 环网中进行。• 建议为 PROFINET环网中的所有设备使用 H‑SyncForwarding 功能。• PROFINET 电缆的部分带宽用于同步 CPU。因此，可用于PROFINET IO 通信的带宽较少。• 每个 CPU 都配有两个光纤接口。• CPU 的同步通过光纤独立于 PROFINET网络工作。• PROFINET IO 通信带宽不受 H 系统同步的影响。技术规范更多关于技术规范的信息，请参见特定 CPU的手册。66循环和响应时间功能手册, 11/2022, A5E03461511-AGS7-1500R/H冗余系统的循环和响应时间6.3 对 S7-1500R/H 冗余系统的循环时间的影响6.3.4 CPU故障对循环时间的影响如果冗余操作期间两个 CPU 中有一个发生故障，那么另一个 CPU 会单独控制过程。