本發(fā)明涉及裝置故障診斷系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，對(duì)控制器的功能與性能提出了越來(lái)越高的要求，這直接導(dǎo)致控制器的軟硬件也愈發(fā)復(fù)雜，復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)在帶來(lái)豐富功能與強(qiáng)大性能的同時(shí)，也在一定程度上增加了控制器發(fā)生故障的概率，同時(shí)也給故障排查帶來(lái)了極大的困難。工業(yè)控制系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)信號(hào)的匯聚運(yùn)算以及輸出，其穩(wěn)定性可靠性直接關(guān)乎整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全，因此關(guān)于控制器故障診斷的研究具有重要意義。目前工業(yè)故障診斷方面的研究主要還是集中在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，而控制器本身的故障診斷與可靠性的保證主要還是依賴于研發(fā)過(guò)程的質(zhì)量管控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)。用于監(jiān)視控制器狀態(tài)及快速定位控制器問(wèn)題。

2、所述系統(tǒng)包括監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)；所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間通過(guò)冗余以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行連接；

3、所述工業(yè)控制系統(tǒng)用于將控制器運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)冗余以太網(wǎng)鏈路推送到監(jiān)視系統(tǒng)；

4、所述監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)收到的控制器運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行分析處理、展示記錄，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行告警提示。

5、所述控制器運(yùn)行狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、cpu負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷、背板總線狀態(tài)和控制器冗余狀態(tài)，通過(guò)讀取網(wǎng)卡中相應(yīng)寄存器收集網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，利用操作系統(tǒng)提供的接口獲取cpu和內(nèi)存負(fù)荷，由can?bus驅(qū)動(dòng)程序探測(cè)背板總線狀態(tài)。

6、所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括兩個(gè)冗余控制器模塊、io模塊和背板總線，所述冗余控制器模塊和io模塊通過(guò)背板總線進(jìn)行通訊。

7、所述兩個(gè)冗余控制器模塊包括主控制器和從控制器，如果主控制器異常，從控制器會(huì)繼續(xù)進(jìn)行控制器的運(yùn)行狀態(tài)信息的收集上報(bào)，同時(shí)將主控制器的異常狀態(tài)上報(bào)給監(jiān)視系統(tǒng)。

8、所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊；

9、所述數(shù)據(jù)采集模塊基于冗余以太網(wǎng)接口接收工業(yè)控制系統(tǒng)推送上來(lái)的數(shù)據(jù)；

10、所述數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和故障判別；

11、所述數(shù)據(jù)展示模塊將分析處理完成的數(shù)據(jù)展示在計(jì)算機(jī)畫(huà)面中，對(duì)異常數(shù)據(jù)給出告警提示；

12、所述數(shù)據(jù)記錄模塊將需要記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)中。

13、所述冗余以太網(wǎng)鏈路為雙環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路，監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)兩根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機(jī)上，控制器系統(tǒng)中的兩個(gè)互為冗余的控制器模塊通過(guò)四根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機(jī)上；所述環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路包括一個(gè)專用交換機(jī)和兩個(gè)以上普通交換機(jī)構(gòu)成，所述專用交換機(jī)中包含一個(gè)cpu和一個(gè)交換核心，cpu負(fù)責(zé)環(huán)網(wǎng)檢測(cè)功能，交換核心負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；正常運(yùn)行時(shí)，交換核心其中一個(gè)端口是關(guān)閉的；cpu有兩個(gè)網(wǎng)口，cpu周期性地從其中一個(gè)網(wǎng)口發(fā)送帶有cpu唯一id的以太網(wǎng)報(bào)文，從另一個(gè)網(wǎng)口接收以太網(wǎng)報(bào)文，如果未接收到報(bào)文或者報(bào)文中的id不一致則判定網(wǎng)絡(luò)故障，立即控制交換核心開(kāi)啟另一個(gè)端口，恢復(fù)正常通信。

14、所述網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷包括單播、組播和廣播；所述網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由8個(gè)64位數(shù)據(jù)組成，每個(gè)網(wǎng)口占兩個(gè)64位數(shù)據(jù)，分別表示輸入輸出流量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分為三種狀態(tài)：常規(guī)工況、調(diào)試工況、異常工況；所述常規(guī)工況指的是控制器編程完成投入生產(chǎn)后的正常運(yùn)行工況，調(diào)試工況指的是工程師正在對(duì)控制器進(jìn)行組態(tài)編程，異常工況指的是控制器流量明顯超出正常范圍，具體范圍由特定控制器型號(hào)決定；

15、所述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)由四個(gè)字節(jié)組成，四個(gè)字節(jié)分別指示四個(gè)網(wǎng)口狀態(tài)，每個(gè)字節(jié)的最高位表示網(wǎng)口當(dāng)前狀態(tài)，0表示正常，1表示異常，低七位表示每分鐘網(wǎng)口狀態(tài)切換次數(shù)，其中網(wǎng)口每分鐘網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)切換次數(shù)的合理性判定依據(jù)如下：0次為正常，1～3次為檢修狀態(tài)，大于3次為網(wǎng)絡(luò)異常。數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)所述合理性判定依據(jù)對(duì)上傳的網(wǎng)口狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出狀態(tài)指示。

16、所述cpu負(fù)荷支持對(duì)具體cpu核、具體進(jìn)程進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控；所述cpu負(fù)荷由一個(gè)變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度取決于cpu核心數(shù)和進(jìn)程數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包分為兩個(gè)以上子數(shù)據(jù)包，每個(gè)子數(shù)據(jù)包包含類型、線程名稱、所在cpu核心、負(fù)荷三個(gè)字段，包類型占1個(gè)字節(jié)，線程名稱占10個(gè)字節(jié)，cpu核心占1個(gè)字節(jié)，負(fù)荷占1個(gè)字節(jié)，包類型分為cpu包和線程包，cpu包不含線程名稱字段；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個(gè)字段，解析出各個(gè)cpu總負(fù)荷及線程負(fù)荷并進(jìn)行運(yùn)算，判斷各個(gè)線程負(fù)荷累加之和是否等于cpu總負(fù)荷，然后再逐個(gè)判斷各個(gè)線程負(fù)荷是否異常，在常見(jiàn)工況下要求系統(tǒng)單核心運(yùn)算負(fù)荷低于20％，在一些數(shù)據(jù)同步要求較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中可能會(huì)占用70％以上負(fù)荷，具體異常閾值取決于特定應(yīng)用場(chǎng)景，可以通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)界面設(shè)置。

17、所述內(nèi)存負(fù)荷支持對(duì)單獨(dú)進(jìn)程資源占用進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控；所述內(nèi)存負(fù)荷由一個(gè)變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度取決于進(jìn)程數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)總包頭和兩個(gè)以上子數(shù)據(jù)包，包頭包含總內(nèi)存大小及總內(nèi)存消耗，每個(gè)子數(shù)據(jù)包包含包線程名稱、內(nèi)存負(fù)荷兩個(gè)字段，線程名稱占10個(gè)字節(jié)，負(fù)荷占4個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個(gè)字段，解析出各個(gè)內(nèi)存總負(fù)荷及線程負(fù)荷并進(jìn)行運(yùn)算，判斷各個(gè)線程內(nèi)存負(fù)荷累加之和是否等于內(nèi)存總負(fù)荷，然后再逐個(gè)判斷各個(gè)線程內(nèi)存負(fù)荷是否異常，在不集成opc?ua、profinet主站、dds等內(nèi)存占用較大的第三方組件的情況下，常規(guī)工業(yè)控制器應(yīng)用所占用內(nèi)存一般不高于50mb，具體異常閾值取決于特定應(yīng)用場(chǎng)景，可以通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)界面設(shè)置。

18、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的有益效果是：

19、通過(guò)冗余控制器以及冗余以太網(wǎng)鏈路，故障診斷信息可以得到可靠采集與傳輸，極大地降低了因診斷信息的丟失而診斷失效的概率，基于工業(yè)控制系統(tǒng)的工作場(chǎng)景特點(diǎn)選取相應(yīng)診斷信息，基本覆蓋常見(jiàn)的故障點(diǎn)，使得故障診斷更具針對(duì)性，減少了故障診斷的時(shí)間，提升了故障診斷的效率。

技術(shù)特征：

1.一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)；所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間通過(guò)冗余以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器運(yùn)行狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、cpu負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷、背板總線狀態(tài)和控制器冗余狀態(tài)，通過(guò)讀取網(wǎng)卡中相應(yīng)寄存器收集網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，利用操作系統(tǒng)提供的接口獲取cpu和內(nèi)存負(fù)荷，由can?bus驅(qū)動(dòng)程序探測(cè)背板總線狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括兩個(gè)冗余控制器模塊、io模塊和背板總線，所述冗余控制器模塊和io模塊通過(guò)背板總線進(jìn)行通訊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)冗余控制器模塊包括主控制器和從控制器，如果主控制器異常，從控制器會(huì)繼續(xù)進(jìn)行控制器的運(yùn)行狀態(tài)信息的收集上報(bào)，同時(shí)將主控制器的異常狀態(tài)上報(bào)給監(jiān)視系統(tǒng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余以太網(wǎng)鏈路為雙環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路，監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)兩根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機(jī)上，控制器系統(tǒng)中的兩個(gè)互為冗余的控制器模塊通過(guò)四根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機(jī)上；所述環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路包括一個(gè)專用交換機(jī)和兩個(gè)以上普通交換機(jī)構(gòu)成，所述專用交換機(jī)中包含一個(gè)cpu和一個(gè)交換核心，cpu負(fù)責(zé)環(huán)網(wǎng)檢測(cè)功能，交換核心負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；正常運(yùn)行時(shí)，交換核心其中一個(gè)端口是關(guān)閉的；cpu有兩個(gè)網(wǎng)口，cpu周期性地從其中一個(gè)網(wǎng)口發(fā)送帶有cpu唯一id的以太網(wǎng)報(bào)文，從另一個(gè)網(wǎng)口接收以太網(wǎng)報(bào)文，如果未接收到報(bào)文或者報(bào)文中的id不一致則判定網(wǎng)絡(luò)故障，立即控制交換核心開(kāi)啟另一個(gè)端口，恢復(fù)正常通信。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷包括單播、組播和廣播；所述網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由8個(gè)64位數(shù)據(jù)組成，每個(gè)網(wǎng)口占兩個(gè)64位數(shù)據(jù)，分別表示輸入輸出流量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分為三種狀態(tài)：常規(guī)工況、調(diào)試工況、異常工況；所述常規(guī)工況指的是控制器編程完成投入生產(chǎn)后的正常運(yùn)行工況，調(diào)試工況指的是工程師正在對(duì)控制器進(jìn)行組態(tài)編程，異常工況指的是控制器流量明顯超出正常范圍，具體范圍由特定控制器型號(hào)決定。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)由四個(gè)字節(jié)組成，四個(gè)字節(jié)分別指示四個(gè)網(wǎng)口狀態(tài)，每個(gè)字節(jié)的最高位表示網(wǎng)口當(dāng)前狀態(tài)，0表示正常，1表示異常，低七位表示每分鐘網(wǎng)口狀態(tài)切換次數(shù)，其中網(wǎng)口每分鐘網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)切換次數(shù)的合理性判定依據(jù)如下：0次為正常，1～3次為檢修狀態(tài)，大于3次為網(wǎng)絡(luò)異常；數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)所述合理性判定依據(jù)對(duì)上傳的網(wǎng)口狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出狀態(tài)指示。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述cpu負(fù)荷支持對(duì)具體cpu核、具體進(jìn)程進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控；所述cpu負(fù)荷由一個(gè)變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度取決于cpu核心數(shù)和進(jìn)程數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包分為兩個(gè)以上子數(shù)據(jù)包，每個(gè)子數(shù)據(jù)包包含類型、線程名稱、所在cpu核心、負(fù)荷三個(gè)字段，包類型占1個(gè)字節(jié)，線程名稱占10個(gè)字節(jié)，cpu核心占1個(gè)字節(jié)，負(fù)荷占1個(gè)字節(jié)，包類型分為cpu包和線程包，cpu包不含線程名稱字段；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個(gè)字段，解析出各個(gè)cpu總負(fù)荷及線程負(fù)荷并進(jìn)行運(yùn)算，判斷各個(gè)線程負(fù)荷累加之和是否等于cpu總負(fù)荷，然后再逐個(gè)判斷各個(gè)線程負(fù)荷是否異常。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)存負(fù)荷支持對(duì)單獨(dú)進(jìn)程資源占用進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)控；所述內(nèi)存負(fù)荷由一個(gè)變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度取決于進(jìn)程數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)總包頭和兩個(gè)以上子數(shù)據(jù)包，包頭包含總內(nèi)存大小及總內(nèi)存消耗，每個(gè)子數(shù)據(jù)包包含包線程名稱、內(nèi)存負(fù)荷兩個(gè)字段，線程名稱占10個(gè)字節(jié)，負(fù)荷占4個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個(gè)字段，解析出各個(gè)內(nèi)存

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，包括監(jiān)視系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)、冗余以太網(wǎng)鏈路，所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括控制器模塊、IO模塊，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包含兩個(gè)冗余控制器模塊。所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間采用冗余以太網(wǎng)鏈路連接，提高通信可靠性。本發(fā)明所提供的工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集控制器運(yùn)行狀態(tài)信息并通過(guò)畫(huà)面展示，并基于預(yù)置的專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷運(yùn)行信息是否異常，如果異常則通過(guò)畫(huà)面給出告警，并記錄下異常發(fā)生時(shí)的狀態(tài)快照，極大提升了分析定位問(wèn)題原因的速度，能夠有效提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：殷仕佳,辛克廷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17