專利名稱：：基于工業(yè)以太網(wǎng)的dcs三重容錯控制器的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及計算機控制系統(tǒng)，特別是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯控制器裝置，屬于自動控制
技術領域：
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背景技術：
：目前，計算機分散控制系統(tǒng)DCS已經(jīng)在電力、石油、化工和冶金等流程工業(yè)領域獲得了廣泛的應用。為保證DCS的可靠性和安全性，目前DCS的控制器一般都采用了雙模冗余結(jié)構，即采用兩個相同的計算機(中央處理單元)構成一對冗余的控制器。正常工作時，一個控制器將作為主控單元，另一個控制器作為副控單元。主控單元負責完成實時處理功能和對控制器(站)間通訊總線和輸入輸出IO總線的控制和訪問，副控單元則實時拷貝主控單元的計算結(jié)果，處于備用狀態(tài)。當主控單元故障時，副控單元將在拷貝的數(shù)據(jù)基礎上接替主控單元繼續(xù)完成處理功能和對站間通訊總線和輸入輸出IO總線的控制。盡管這種雙模冗余結(jié)構與單?？刂破飨啾纫丫哂休^高的可靠性，但在某些情況下，如控制器自啟周期內(nèi)，兩個控制器同時重啟，將會出現(xiàn)交替地誤切換或死鎖等故障情況，使得冗余控制器短時間內(nèi)喪失控制功能或宕機。同時，由于在同一時間內(nèi)，實際上仍然只有一個控制器在執(zhí)行實時處理任務，仍然可能因為各種干擾而發(fā)生輸出漂移或出錯。在一些更為重要的應用場合，三模容錯系統(tǒng)已經(jīng)成為一種常用的容錯技術。在三模容錯系統(tǒng)中，三個完全相同并且獨立的功能模塊同時執(zhí)行同樣的處理任務，以多數(shù)相同的輸出作為系統(tǒng)的正確輸出。從結(jié)構上看，通常的三模容錯系統(tǒng)只要不出現(xiàn)兩個性質(zhì)完全相同的故障，就能保證系統(tǒng)輸出是正確的。也就是說，三模容錯系統(tǒng)的核心思想是基于兩臺設備同時出錯的概率幾乎趨于0。如單一故障出現(xiàn)時，這種容錯系統(tǒng)會逐級降至雙模、單模工作狀態(tài)。因此，一般需要設計一套特殊的同步、表決和故障甄別機制和專用硬件結(jié)構，造成三模容錯系統(tǒng)價格昂貴，系統(tǒng)規(guī)模和應用場合受限，一般只使用在諸如緊急停車裝置等故障安全系統(tǒng)，也多囿于開關量應用。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有DCS系統(tǒng)雙模冗余控制器的缺點和三模容錯系統(tǒng)設計復雜、應用受局限的現(xiàn)狀，滿足更廣泛的高可靠性應用的需要，本實用新型公開了一種采用通用計算機和工業(yè)以太網(wǎng)硬件設備構成的DCS三重容錯控制器裝置。本實用新型是通過以下技術方案來實現(xiàn)的每個控制器由三個獨立并行工作的計算機(中央處理單元)裝置(1)(2)(3)組成，其中第一計算機裝置(1)通過其內(nèi)部的第一工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(4)和第二工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(5)分別與第一以太網(wǎng)交換裝置(10)和第二以太網(wǎng)交換裝置(11)中的各一個端口相連，第二計算機裝置(2)通過其內(nèi)部的第三工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(6)和第四工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(7)分別與第一以太網(wǎng)交換裝置(10)和第三以太網(wǎng)交換裝置(12)中的各一個端口相連，第三計算機裝置(3)通過其內(nèi)部的第五工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(8)和第六以太網(wǎng)通訊模塊(9)分別與第二以太網(wǎng)交換裝置(11)和第三以太網(wǎng)交換裝置(12)中的各一個端口相連，同時，每個以太網(wǎng)交換裝置(10)、(11)、(12)的另外兩個端口分別與多控制器站間三重容錯通訊總線(13)和三重容錯控制器輸入輸出總線相連。本實用新型的技術方案采用了核心為"三模最大化"的三重容錯設計，即通過結(jié)構優(yōu)化設計確?？刂破髟诓煌收蠣顟B(tài)下可以最大限度保持三模運行狀態(tài)，盡可能不發(fā)生向雙模和單模等降低冗余度的狀態(tài)切換。能夠在任何單一故障時仍不失去三模冗余特性，即使是在任何兩個不相同硬件同時故障時也能繼續(xù)實現(xiàn)三模處理機制，實現(xiàn)了三重容錯。"三模最大化"在結(jié)構上是通過控制器采用具有精確時鐘網(wǎng)絡同步功能的工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊、雙模塊結(jié)構(即每個控制器包括兩個冗余的同步時鐘和網(wǎng)絡接口的設計)以及與網(wǎng)絡交換設備的交錯連接來實現(xiàn)的。本實用新型實現(xiàn)的DCS三重容錯控制器結(jié)構具有更高的可靠性，不需要增加特殊的容錯硬件，裝置結(jié)構簡單；同時，由于采用通用的計算機硬件和網(wǎng)絡設備使得裝置具有更高的性價比。附圖是基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯控制器的框圖。具體實施方式如附圖所示，基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯控制器由三個獨立并行工作的計算機(中央處理單元)裝置(1)(2)(3)組成，其中計算機裝置(1)通過其內(nèi)部的二塊工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(4)(5)分別與以太網(wǎng)交換裝置(10)(11)中的各一個端口相連，計算機裝置(2)通過其內(nèi)部的二塊工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(6)(7)分別與以太網(wǎng)交換裝置(10)(12)中的各一個端口相連，計算機裝置(3)通過其內(nèi)部的二塊工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(8)(9)分別與以太網(wǎng)交換裝置(11)(12)中的各一個端口相連，同時，每個以太網(wǎng)交換裝置(10)(11)(12)的另外兩個端口分別與多控制器站間三重容錯通訊總線(13)和三重容錯控制器自身的輸入輸出總線(14)相連。本實用新型的技術方案采用了"三模最大化"的三重容錯設計方法，即在結(jié)構設計中確保系統(tǒng)在故障狀態(tài)下可以最大限度地保持三模運行狀態(tài)，不發(fā)生向雙模和單模方式等降低冗余度的狀態(tài)切換。能夠在設備單點故障時仍不失去三模冗余特性，任何兩個不相同硬件同時故障時也能繼續(xù)保持三模處理機制，實現(xiàn)了三重容錯。三模最大化在結(jié)構上是通過控制器的網(wǎng)絡通訊采用具有精確時鐘網(wǎng)絡同步功能(如符合IEEE1588協(xié)議)的工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊、雙模塊結(jié)構(即每個控制器包括兩個冗余的同步時鐘和網(wǎng)絡接口)以及與網(wǎng)絡交換設備的交錯連接來實現(xiàn)的。三個控制器并行執(zhí)行處理功能，并通過以太網(wǎng)IP地址優(yōu)先算法，單機時鐘對校和多機網(wǎng)絡時鐘同步、多斷點同步執(zhí)行和通訊數(shù)據(jù)校驗邏輯的三重同步來保證數(shù)據(jù)處理的同步和正確性。每個控制器將產(chǎn)生兩個同步網(wǎng)絡輸出，三重容錯控制器的六個同步網(wǎng)絡輸出將按照網(wǎng)絡IP地址雙序優(yōu)先算法(正順序和反順序)選取上述輸出中的三個進行三取二雙表決處理，每個控制器的二個輸出分別加入不同的表決序列，并且取質(zhì)量好的輸出參與表決。實施實例見下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本實施例在以本實用新型為前提下進行實施并給出了具體的系統(tǒng)結(jié)構，但本實用新型的保護范圍不限于上述的具體實施例。權利要求一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯控制器，其特征在于具有三個獨立并行工作的計算機裝置(1)(2)(3)，其中第一計算機裝置(1)通過其內(nèi)部的第一工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(4)和第二工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(5)分別與第一以太網(wǎng)交換裝置(10)和第二以太網(wǎng)交換裝置(11)中的各一個端口相連，第二計算機裝置(2)通過其內(nèi)部的第三工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(6)和第四工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(7)分別與第一以太網(wǎng)交換裝置(10)和第三以太網(wǎng)交換裝置(12)中的各一個端口相連，第三計算機裝置(3)通過其內(nèi)部的第五工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊(8)和第六以太網(wǎng)通訊模塊(9)分別與第二以太網(wǎng)交換裝置(11)和第三以太網(wǎng)交換裝置(12)中的各一個端口相連，同時，每個以太網(wǎng)交換裝置(10)、(11)、(12)的另外兩個端口分別與多控制器站間三重容錯通訊總線(13)和三重容錯控制器輸入輸出總線相連。專利摘要本實用新型公開了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯控制器。其結(jié)構特點包括三個并行工作的計算機(中央處理單元)裝置，每個計算機通過其內(nèi)部的兩塊工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊與三個網(wǎng)絡交換裝置中的兩個相連，三個網(wǎng)絡交換裝置同時還提供了與站間通訊總線和輸入輸出總線的容錯連接。本實用新型的優(yōu)點在于采用通用的計算機和工業(yè)以太網(wǎng)設備構成一個完整的三重容錯控制器，大大提高了容錯控制器裝置的性價比和系統(tǒng)可靠性，同時還可以采用多組相同的三重容錯控制器裝置通過站間三重容錯通訊總線構成一個大型計算機分散控制系統(tǒng)。文檔編號G05B19/418GK201464905SQ20092007696公開日2010年5月12日申請日期2009年6月26日優(yōu)先權日2009年6月26日發(fā)明者葉敏,龔翔申請人:上海迪吉特控制系統(tǒng)有限公司