專利名稱：互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)及仲裁方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冗余控制系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)及仲裁方法。
背景技術(shù)：
在對安全性要求較高的工業(yè)控制領(lǐng)域，冗余技術(shù)是廣泛采用以提高控制系統(tǒng)可靠性和安全性的手段之一。冗余控制系統(tǒng)以信息、結(jié)構(gòu)、功能和時間的冗余為代價，換取發(fā)生某些故障時系統(tǒng)輸出的正確性。冗余技術(shù)中最常用的是包括N個通道的N模冗余控制方案，N為正整數(shù)，所有輸入信息同時輸入N個相互獨立的通道，各通道獨立進行判斷，所有通道均輸出信號到仲裁單元(或稱符合單元)，由仲裁單元得到最終輸出結(jié)果。受到控制系統(tǒng)成本和復雜度的限制，實際應用中通常取N=3，即采用三模冗余控制系統(tǒng)，三模冗余控制系統(tǒng)能以較高可靠性保證最終輸出的正確性。參見圖I所示，現(xiàn)有的三模冗余控制系統(tǒng)中包括相互獨立的第一通道、第二通道和第三通道，第一通道包括順次相連的第一輸入單元(傳感器、驅(qū)動器、信號調(diào)理器等)、第一邏輯判斷單元、第一輸出單元(信號轉(zhuǎn)換單元、驅(qū)動元件等)，第二通道包括順次相連的第二輸入單元(傳感器、驅(qū)動器、信號調(diào)理器等)、第二邏輯判斷單元、第二輸出單元(信號轉(zhuǎn)換單元、驅(qū)動元件等)，第三通道包括順次相連的第三輸入單元(傳感器、驅(qū)動器、信號調(diào)理器等)、第三邏輯判斷單元、第三輸出單元(信號轉(zhuǎn)換單元、驅(qū)動元件等)，第一輸出單元、第二輸出單元、第三輸出單元均與仲裁單元相連。各獨立通道在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上均采用串聯(lián)形式，任何一個通道中的任何一個單元發(fā)生故障，都會導致該通道功能失效，將錯誤的信息輸出至仲裁單元，只能依靠另外兩個獨立通道完全正確的信息，仲裁單元才能屏蔽所接收的錯誤信息，得到最終的正確信息輸出，從而影響整個冗余控制系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)及仲裁方法，能夠屏蔽任意一個通道中輸入單元的故障，在任意一個通道的輸入單元發(fā)生故障的情況下，仍然能夠輸出正確結(jié)果，提高任意一個獨立通道的可靠性，從而提高整個冗余控制系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明提供的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，包括相互獨立的第一通道、第二通道、第三通道，所述第一通道包括順次相連的第一輸入單元、第一互聯(lián)糾錯單元、第一邏輯判斷單元和第一輸出單元，第二通道包括順次相連的第二輸入單元、第二互聯(lián)糾錯單元、第二邏輯判斷單元和第二輸出單元，第三通道包括順次相連的第三輸入單元、第三互聯(lián)糾錯單元、第三邏輯判斷單元和第三輸出單元，第一輸出單元、第二輸出單元、第三輸出單元均與仲裁單元相連；所述第一互聯(lián)糾錯單元包括第一 UART接口和第二 UART接口，第二互聯(lián)糾錯單元包括第三UART接口和第四UART接口，第三互聯(lián)糾錯單元包括第五UART接口和第六UART接口，第一 UART接口與第四UART接口相連，第二 UART接口與第五UART接口相連，第三UART接口與第六UART接口相連；所有輸入信息同時送至各個獨立通道中的輸入單元，各輸入單元將輸入信息轉(zhuǎn)換后送至本通道中的互聯(lián)糾錯單元；三個通道的互聯(lián)糾錯單元均接收本通道輸入單元發(fā)來的輸入信息，并通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口將該輸入信息發(fā)送至另外兩個通道，同時也通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口接收另外兩個通道的輸入信息，實現(xiàn)與另外兩個通道的雙向通信，每個通道的互聯(lián)糾錯單元均得到三個通道的所有輸入信息，三個通道中的互聯(lián)糾錯單元都對三個通道的所有輸入信息進行軟件仲裁，將得到的軟件仲裁結(jié)果發(fā)送到本通道的邏輯判斷單元，三個通道中的邏輯判斷單元按照控制系統(tǒng)的功能要求和本通道互聯(lián)糾錯單元發(fā)來的軟件仲裁結(jié)果，將本通道的輸出要求發(fā)送到本通道的輸出單元，三個通道的輸出單元均將輸出信息發(fā)送到控制系統(tǒng)的仲裁單元，仲裁單元輸出最終信息。在上述技術(shù)方案中，所述輸入信息包括數(shù)字開關(guān)量和/或模擬量。在上述技術(shù)方案中，所述數(shù)字開關(guān)量通過數(shù)字1、0來表示高電平、低電平或者線路的通、斷。在上述技術(shù)方案中，所述模擬量通過數(shù)值表示連續(xù)的量。 在上述技術(shù)方案中，所述三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的數(shù)字開關(guān)量進行軟件仲裁的方法為在三個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量中，至少有2個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量相同，各互聯(lián)糾錯單元將至少2個通道輸入的相同數(shù)字開關(guān)量作為軟件仲裁結(jié)果。在上述技術(shù)方案中，若互聯(lián)糾錯單元所在通道輸入的數(shù)字開關(guān)量與該互聯(lián)糾錯單元得到的軟件仲裁結(jié)果不一致，則判定該互聯(lián)糾錯單元所在通道中的輸入單元發(fā)生故障。在上述技術(shù)方案中，所述三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的模擬量進行軟件仲裁的方法為各互聯(lián)糾錯單元對三個通道輸入的模擬量的數(shù)值按照數(shù)值大小進行排序，分別得到輸入模擬量數(shù)值的最大值、中間值和最小值，分別計算出最大值與中間值的差值A(chǔ)1和中間值與最小值的差值A(chǔ)2 : A1=最大值-中間值，A2=中間值-最小值；根據(jù)各通道要求的輸入精度，調(diào)整模擬量的輸入誤差Λ，各互聯(lián)糾錯單元分別比較A1與Λ的大小、Δ2與Λ的大小,包括以下4種結(jié)果(I)若且Λ 2〈 Λ，互聯(lián)糾錯單元判定三個通道輸入的模擬量均正常，將三個通道輸入的模擬量數(shù)值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果；(2)若且Λ 2> Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最小值的通道發(fā)生故障，將最大值與中間值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果；(3)若ΛΑΛ且Λ2〈Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值的通道發(fā)生故障，將中間值與最小值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果；(4)若ΛΑΛ且Λ2>Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值、最小值的通道均發(fā)生故障，將中間值作為軟件仲裁結(jié)果。本發(fā)明還提供一種基于上述控制系統(tǒng)的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制輸入信息仲裁方法，所述輸入信息包括數(shù)字開關(guān)量和/或模擬量，包括以下步驟三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的數(shù)字開關(guān)量進行軟件仲裁的方法為在三個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量中，至少有2個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量相同，各互聯(lián)糾錯單元將至少2個通道輸入的相同數(shù)字開關(guān)量作為軟件仲裁結(jié)果；三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的模擬量進行軟件仲裁的方法為各互聯(lián)糾錯單元對三個通道輸入的模擬量的數(shù)值按照數(shù)值大小進行排序，分別得到輸入模擬量數(shù)值的最大值、中間值和最小值，分別計算出最大值與中間值的差值和中間值與最小值的差值Λ 2 : A1=最大值-中間值，A2=中間值-最小值；根據(jù)各通道要求的輸入精度，調(diào)整模擬量的輸入誤差Λ，各互聯(lián)糾錯單元分別比較A1與Λ的大小、Δ2與Λ的大小,包括以下4種結(jié)果(1)若且Λ 2〈 Λ，互聯(lián)糾錯單元判定三個通道輸入的模擬量均正常，將三個通道輸入的模擬量數(shù)值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果；(2)若且Λ 2> Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最小值的通道發(fā)生故障，將最大值與中間值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (3)若ΛΑΛ且Λ2〈Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值的通道發(fā)生故障，將中間值與最小值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果；(4)若ΛΑΛ且Λ 2> Λ，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值、最小值的通道均發(fā)生故障，將中間值作為軟件仲裁結(jié)果。在上述技術(shù)方案中，若互聯(lián)糾錯單元所在通道輸入的數(shù)字開關(guān)量與該互聯(lián)糾錯單元得到的軟件仲裁結(jié)果不一致，則判定該互聯(lián)糾錯單元所在通道中的輸入單元發(fā)生故障。在上述技術(shù)方案中，所述數(shù)字開關(guān)量通過數(shù)字1、0來表示高電平、低電平或者線路的通、斷；所述模擬量通過數(shù)值表示連續(xù)的量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下本發(fā)明在三個通道的輸入單元與邏輯判斷單元之間各增加一個互聯(lián)糾錯單元，在每個互聯(lián)糾錯單元中設置兩個互聯(lián)通信的UART接口，使三個通道中的互聯(lián)糾錯單元均能接收三個通道的所有輸入信息，再以軟件方式對三個通道的所有輸入信息進行仲裁，能夠屏蔽任意一個通道中輸入單元的故障，即任意一個獨立通道在自身的輸入單元發(fā)生故障的情況下，仍然能夠輸出正確結(jié)果，提高任意一個獨立通道的可靠性，從而提高整個冗余控制系統(tǒng)的可靠性。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中三模冗余控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明實施例互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖I所示，本發(fā)明實施例提供一種互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，包括相互獨立的第一通道、第二通道、第三通道，第一通道包括順次相連的第一輸入單元、第一互聯(lián)糾錯單元、第一邏輯判斷單元和第一輸出單元，第二通道包括順次相連的第二輸入單元、第二互聯(lián)糾錯單元、第二邏輯判斷單元和第二輸出單元，第三通道包括順次相連的第三輸入單元、第三互聯(lián)糾錯單元、第三邏輯判斷單元和第三輸出單元，第一輸出單元、第二輸出單元、第三輸出單元均與仲裁單元相連；第一互聯(lián)糾錯單元包括第一 UART (UniversalAsynchronous Receiver Transmitter,通用異步收發(fā)器)接口和第二 UART接口，第二互聯(lián)糾錯單元包括第三UART接口和第四UART接口，第三互聯(lián)糾錯單元包括第五UART接口和第六UART接口，第一 UART接口與第四UART接口相連，實現(xiàn)雙向通信，第二 UART接口與第五UART接口相連，實現(xiàn)雙向通信，第三UART接口與第六UART接口相連，實現(xiàn)雙向通信。輸入信息包括數(shù)字開關(guān)量和/或模擬量，數(shù)字開關(guān)量一般通過數(shù)字1、0來表示高電平、低電平或者線路的通、斷，模擬量一般通過數(shù)值表示電壓值或電流值等連續(xù)的量。所有輸入信息同時送至各個獨立通道中的輸入單元，各輸入單元將輸入信息轉(zhuǎn)換后送至本通道中的互聯(lián)糾錯單元；三個通道的互聯(lián)糾錯單元均接收本通道輸入單元發(fā)來的輸入信息，并通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口將該輸入信息發(fā)送至另外兩個通道，同時也通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口接收另外兩個通道的輸入信息，實現(xiàn)與另外兩個通道的雙向通信，每個通道的互聯(lián)糾錯單元均得到三個通道的所有輸入信息，三個通道中的互聯(lián)糾錯單元都對三個通道的所有輸入信息進行軟件仲裁。各互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的數(shù)字開關(guān)量進行軟件仲裁的方法為參見表I所 示，在三個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量中，至少有2個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量相同，各互聯(lián)糾錯單元將至少2個通道輸入的相同數(shù)字開關(guān)量作為軟件仲裁結(jié)果，若互聯(lián)糾錯單元所在通道輸入的數(shù)字開關(guān)量與該互聯(lián)糾錯單元得到的軟件仲裁結(jié)果不一致，則判定該互聯(lián)糾錯單元所在通道中的輸入單元發(fā)生故障。表I、數(shù)字開關(guān)量仲裁表
權(quán)利要求
1.一種互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，包括相互獨立的第一通道、第二通道、第三通 道，其特征在于所述第一通道包括順次相連的第一輸入單元、第一互聯(lián)糾錯單元、第一邏 輯判斷單元和第一輸出單元，第二通道包括順次相連的第二輸入單元、第二互聯(lián)糾錯單元、 第二邏輯判斷單元和第二輸出單元，第三通道包括順次相連的第三輸入單元、第三互聯(lián)糾 錯單元、第三邏輯判斷單元和第三輸出單元，第一輸出單元、第二輸出單元、第三輸出單元 均與仲裁單元相連；所述第一互聯(lián)糾錯單元包括第一 UART接口和第二 UART接口，第二互聯(lián)糾錯單元包括 第三UART接口和第四UART接口，第三互聯(lián)糾錯單元包括第五UART接口和第六UART接口， 第一 UART接口與第四UART接口相連，第二 UART接口與第五UART接口相連，第三UART接 口與第六UART接口相連；所有輸入信息同時送至各個獨立通道中的輸入單元，各輸入單元將輸入信息轉(zhuǎn)換后送 至本通道中的互聯(lián)糾錯單元；三個通道的互聯(lián)糾錯單元均接收本通道輸入單元發(fā)來的輸 入信息，并通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口將該輸入信息發(fā)送至另外兩個通道， 同時也通過該互聯(lián)糾錯單元內(nèi)部的兩個UART接口接收另外兩個通道的輸入信息，實現(xiàn)與 另外兩個通道的雙向通信，每個通道的互聯(lián)糾錯單元均得到三個通道的所有輸入信息，三 個通道中的互聯(lián)糾錯單元都對三個通道的所有輸入信息進行軟件仲裁，將得到的軟件仲裁 結(jié)果發(fā)送到本通道的邏輯判斷單元，三個通道中的邏輯判斷單元按照控制系統(tǒng)的功能要求 和本通道互聯(lián)糾錯單元發(fā)來的軟件仲裁結(jié)果，將本通道的輸出要求發(fā)送到本通道的輸出單 元，三個通道的輸出單元均將輸出信息發(fā)送到控制系統(tǒng)的仲裁單元，仲裁單元輸出最終信 肩、O
2.如權(quán)利要求1所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于所述輸入信息包 括數(shù)字開關(guān)量和/或模擬量。
3.如權(quán)利要求2所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字開關(guān)量 通過數(shù)字1、0來表示高電平、低電平或者線路的通、斷。
4.如權(quán)利要求2所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于所述模擬量通過 數(shù)值表示連續(xù)的量。
5.如權(quán)利要求2所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于所述三個通道中 的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的數(shù)字開關(guān)量進行軟件仲裁的方法為在三個通道輸入的數(shù) 字開關(guān)量中，至少有2個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量相同，各互聯(lián)糾錯單元將至少2個通道輸入 的相同數(shù)字開關(guān)量作為軟件仲裁結(jié)果。
6.如權(quán)利要求5所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于若互聯(lián)糾錯單元 所在通道輸入的數(shù)字開關(guān)量與該互聯(lián)糾錯單元得到的軟件仲裁結(jié)果不一致，則判定該互聯(lián) 糾錯單元所在通道中的輸入單元發(fā)生故障。
7.如權(quán)利要求2所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)，其特征在于所述三個通道中 的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的模擬量進行軟件仲裁的方法為各互聯(lián)糾錯單元對三個通 道輸入的模擬量的數(shù)值按照數(shù)值大小進行排序，分別得到輸入模擬量數(shù)值的最大值、中間 值和最小值，分別計算出最大值與中間值的差值A(chǔ)i和中間值與最小值的差值A(chǔ)2:A1=最 大值-中間值，A 2=中間值-最小值；根據(jù)各通道要求的輸入精度，調(diào)整模擬量的輸入誤差A，各互聯(lián)糾錯單元分別比較八工與A的大小、A2與A的大小，包括以下4種結(jié)果 (1)若A^A且A2〈 A，互聯(lián)糾錯單元判定三個通道輸入的模擬量均正常，將三個通道輸入的模擬量數(shù)值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (2)若A:〈A且A2> A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最小值的通道發(fā)生故障，將最大值與中間值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (3)若A:>A且A2〈A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值的通道發(fā)生故障，將中間值與最小值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (4)若A:>A且A2> A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值、最小值的通道均發(fā)生故障，將中間值作為軟件仲裁結(jié)果。
8.一種基于權(quán)利要求I至7中任一項所述控制系統(tǒng)的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制輸入信息仲裁方法，所述輸入信息包括數(shù)字開關(guān)量和/或模擬量，其特征在于，包括以下步驟 三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的數(shù)字開關(guān)量進行軟件仲裁的方法為在三個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量中，至少有2個通道輸入的數(shù)字開關(guān)量相同，各互聯(lián)糾錯單元將至少2個通道輸入的相同數(shù)字開關(guān)量作為軟件仲裁結(jié)果； 三個通道中的互聯(lián)糾錯單元對輸入信息中的模擬量進行軟件仲裁的方法為各互聯(lián)糾錯單元對三個通道輸入的模擬量的數(shù)值按照數(shù)值大小進行排序，分別得到輸入模擬量數(shù)值的最大值、中間值和最小值，分別計算出最大值與中間值的差值^工和中間值與最小值的差值A(chǔ)2 : A1=最大值-中間值，A2=中間值-最小值； 根據(jù)各通道要求的輸入精度，調(diào)整模擬量的輸入誤差A，各互聯(lián)糾錯單元分別比較A1與A的大小、A2與A的大小，包括以下4種結(jié)果 (1)若A^A且A2〈 A，互聯(lián)糾錯單元判定三個通道輸入的模擬量均正常，將三個通道輸入的模擬量數(shù)值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (2)若A:〈A且A2> A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最小值的通道發(fā)生故障，將最大值與中間值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (3)若A:>A且A2〈A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值的通道發(fā)生故障，將中間值與最小值的平均值作為軟件仲裁結(jié)果； (4)若A:>A且A2> A，互聯(lián)糾錯單元判定輸入最大值、最小值的通道均發(fā)生故障，將中間值作為軟件仲裁結(jié)果。
9.如權(quán)利要求8所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制輸入信息仲裁方法，其特征在于若互聯(lián)糾錯單元所在通道輸入的數(shù)字開關(guān)量與該互聯(lián)糾錯單元得到的軟件仲裁結(jié)果不一致，則判定該互聯(lián)糾錯單元所在通道中的輸入單元發(fā)生故障。
10.如權(quán)利要求9所述的互聯(lián)糾錯式三模冗余控制輸入信息仲裁方法，其特征在于所述數(shù)字開關(guān)量通過數(shù)字1、0來表示高電平、低電平或者線路的通、斷；所述模擬量通過數(shù)值表示連續(xù)的量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種互聯(lián)糾錯式三模冗余控制系統(tǒng)及仲裁方法，涉及冗余控制系統(tǒng)領(lǐng)域，該控制系統(tǒng)包括三個通道，每個通道包括順次相連的輸入單元、互聯(lián)糾錯單元、邏輯判斷單元和輸出單元，每個互聯(lián)糾錯單元包括兩個UART接口，兩個UART接口分別連另外兩個互聯(lián)糾錯單元中的一個UART接口，每個互聯(lián)糾錯單元均得到所有輸入信息并進行仲裁，將仲裁結(jié)果發(fā)送到本通道的邏輯判斷單元，其將輸出要求發(fā)送到本通道的輸出單元，三個輸出單元均將輸出信息發(fā)送到仲裁單元，仲裁單元輸出最終信息。本發(fā)明能屏蔽任一通道中輸入單元的故障，任一通道的輸入單元發(fā)生故障時仍能輸出正確結(jié)果，提高通道的可靠性，從而提高整個冗余控制系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G05B13/04GK102955427SQ20121045562
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者江煒, 潘艷, 張曉輝, 鄒海, 孫建華, 徐斌, 汪偉 申請人:中國船舶重工集團公司第七一九研究所