一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化控制【技術(shù)領(lǐng)域】，一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，是由主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)組成，包含雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余、以太網(wǎng)設(shè)備冗余、雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余及串行設(shè)備冗余四層冗余。主控制器為雙以太網(wǎng)網(wǎng)口的控制器，四線機(jī)制實(shí)現(xiàn)了主控制器的混合冗余，通過以太網(wǎng)模式和I/O模式搭配提供正常模式和快速模式兩種切換方式，資源同步實(shí)現(xiàn)角色切換的平穩(wěn)性。從控制器為雙串口控制器，針對(duì)主從設(shè)備映射關(guān)系，為從設(shè)備增加一塊冗余設(shè)備，實(shí)現(xiàn)串行通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的雙重冗余。本發(fā)明的效果和益處是成本較低，采用四線機(jī)制和四層冗余實(shí)現(xiàn)混合冗余，可靠性高，不同切換方式滿足不同生產(chǎn)工藝要求。
【專利說明】—種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到該領(lǐng)域?qū)I(yè)生產(chǎn)過程的安全性和可靠性的要求，特別涉及到一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]冗余技術(shù)是提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的最有效方法之一。為了達(dá)到控制系統(tǒng)的高可靠性和低失效率相統(tǒng)一的目的，我們通常會(huì)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中采用冗余技術(shù)，但是同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、設(shè)計(jì)的難度和成本，所以合理的冗余設(shè)計(jì)將大大提高系統(tǒng)的可靠性并降低項(xiàng)目輸出成本。
[0003]根據(jù)冗余的切換方式，冗余系統(tǒng)大致分為:①硬冗余方式，當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動(dòng)切換到備用設(shè)備上，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。②軟冗余方式，主要通過編程方式來實(shí)現(xiàn)冗余。當(dāng)前市場(chǎng)上的冗余產(chǎn)品，多是采用硬件方式冗余、且需要專用的上位機(jī)軟件進(jìn)行配合使用，這種方式操作比較復(fù)雜、投入較大，且對(duì)于冗余技術(shù)不熟悉的工程師來說，增加了控制器網(wǎng)絡(luò)的配置和部署時(shí)間，也加大了控制器產(chǎn)品調(diào)試的難度。而對(duì)于軟冗余產(chǎn)品來說，軟冗余不需要特殊的冗余模塊或軟件支持，成本較低，但在冗余實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)維護(hù)方面比較繁瑣并且一般的軟冗余切換的速度稍慢，而且可靠性較差，如果通訊鏈路一旦出現(xiàn)異常，則容易使活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備之間的通訊故障，導(dǎo)致冗余過程失敗。同時(shí)，軟冗余切換的速度較慢，難以滿足某些工藝要求較高的場(chǎng)合。
[0004]綜上，目前尚未存在具備低成本、高可靠性、高速率，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)冗余、設(shè)備冗余等諸多特性混合在一起的完善的冗余技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)，采用四線機(jī)制和四層冗余實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余集一身的混合冗余，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；采用編程方式實(shí)現(xiàn)冗余，降低了成本的投入；具備正常模式和快速模式兩種故障恢復(fù)模式，滿足不同場(chǎng)合下的切換速度和生產(chǎn)工藝的要求。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決已有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，包括主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)，所述主控制器混合冗余系統(tǒng)包括雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余及以太網(wǎng)設(shè)備冗余并接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以大網(wǎng)通信；所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余及串行設(shè)備冗余并接入串行總線，實(shí)現(xiàn)串行通信；整個(gè)系統(tǒng)采用四層冗余，用于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
[0007]所述主控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器活動(dòng)設(shè)備、主控制器備份設(shè)備、交換機(jī)
(1)、交換機(jī)(2)及上位機(jī)，所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口1通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(1)連接；所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口 2通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(2)連接；所述交換機(jī)(1)與交換機(jī)(2)之間通過以太網(wǎng)連接，所述交換機(jī)(1)及交換機(jī)(2 )分別通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接；主控制器通過交換機(jī)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，運(yùn)行時(shí)，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備中的一個(gè)網(wǎng)口處于上電運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)網(wǎng)口處于斷電狀態(tài)；正常模式下，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備之間直接采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信；快速模式下，需在主控制器活動(dòng)設(shè)備I/O 口與主控制器備份設(shè)備I/O 口之間相連接，采用I/O 口輔助以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。
[0008]所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器設(shè)備、從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備，所述從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備具有串口 1及串口 2兩個(gè)串口資源，并且分別與主控制器設(shè)備上的串口一一對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)串行通信鏈路冗余和設(shè)備冗余；所述主控制器設(shè)備通過串口發(fā)送掃描報(bào)文，用于確定從控制器活動(dòng)設(shè)備串行通信鏈路及自身運(yùn)行情況，一旦從控制器活動(dòng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障，導(dǎo)致串口 1和串口 2不能與主控制器設(shè)備進(jìn)行通信，需切換到另一個(gè)從控制器備份設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)正常I/O 口輸出和信號(hào)采集。
[0009]本發(fā)明有益效果是:一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，包括主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)，所述主控制器混合冗余系統(tǒng)包括雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余及以太網(wǎng)設(shè)備冗余并接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以大網(wǎng)通信；所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余及串行設(shè)備冗余并接入串行總線，實(shí)現(xiàn)串行通信；與己有技術(shù)相比，整個(gè)系統(tǒng)采用四層冗余，用于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。采用編程方式實(shí)現(xiàn)冗余降低了成本的投入；具備正常模式和快速模式兩種故障恢復(fù)模式，滿足不同場(chǎng)合下的切換速度和生產(chǎn)工藝的要求。整個(gè)系統(tǒng)從控制器功能角度充分考慮了冗余備份，從網(wǎng)絡(luò)冗余、設(shè)備冗余等各方面對(duì)冗余功能進(jìn)行了完整設(shè)計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余結(jié)合在一起形成混合冗余，提供了 一個(gè)可靠性更高、切換速度更快的完整的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是混合冗余系統(tǒng)總體框圖。
[0011]圖2是混合冗余系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3是主控制器混合冗余系統(tǒng)的接線圖。
[0013]圖4是從控制器混合冗余系統(tǒng)的接線圖。
[0014]圖5是正常模式下主控制器混合冗余系統(tǒng)活動(dòng)設(shè)備切換流程圖。
[0015]圖6是正常模式下主控制器混合冗余系統(tǒng)備份設(shè)備切換流程圖。
[0016]圖7是快速模式下主控制器混合冗余系統(tǒng)設(shè)備切換流程圖。
[0017]圖8是主控制器混合冗余系統(tǒng)資源同步流程圖。
[0018]圖9是從控制器混合冗余系統(tǒng)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1所示，一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，包括主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)，所述主控制器混合冗余系統(tǒng)包括雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余及以太網(wǎng)設(shè)備冗余并接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以大網(wǎng)通信；所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余及串行設(shè)備冗余并接入串行總線，實(shí)現(xiàn)串行通信；整個(gè)系統(tǒng)采用四層冗余，用于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。圖中:(1)雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余，主控制器采用雙網(wǎng)口控制器，提供兩路以太網(wǎng)接口，將設(shè)備的兩個(gè)網(wǎng)口用雙絞線分別接到交換機(jī)上。正常通信時(shí)，設(shè)備保持一個(gè)網(wǎng)口處于工作狀態(tài)，另一個(gè)網(wǎng)口處于斷電模式。每隔一定時(shí)間進(jìn)行通信鏈路狀況監(jiān)測(cè)，如果該鏈路上出現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)口的網(wǎng)線掉落或者通信鏈路出現(xiàn)故障，控制器自動(dòng)切換工作網(wǎng)口，對(duì)該網(wǎng)口進(jìn)行斷電處理，然后對(duì)另一個(gè)網(wǎng)口上電，完成通信鏈路的切換，設(shè)備使用新切換的以太網(wǎng)鏈路與上位機(jī)保持正常通信，實(shí)現(xiàn)了控制器的雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余。
(2)雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余，即串行通信接口間的冗余系統(tǒng)。主控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前串行通信線路通信狀況，根據(jù)配置信息和監(jiān)控結(jié)果，選擇從控制器中的活動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信。主控制器向從控制器發(fā)送掃描從設(shè)備報(bào)文，從控制器給出相應(yīng)響應(yīng)，如果通信錯(cuò)誤次數(shù)過多，主控制器切換另一串行通信端口與從控制器進(jìn)行通信。從控制器掉線后主設(shè)備會(huì)定期的通過2個(gè)串口對(duì)該從控制器進(jìn)行自恢復(fù)掃描，間隔時(shí)間為從控制器自恢復(fù)掃描時(shí)間間隔。當(dāng)從控制器回復(fù)正響應(yīng)后，系統(tǒng)將恢復(fù)雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余系統(tǒng)功能。(3)以太網(wǎng)設(shè)備冗余，通過為主控設(shè)備配置一塊相同型號(hào)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)熱備份，工作時(shí)，活動(dòng)設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，備份設(shè)備處于監(jiān)聽狀態(tài)，即不進(jìn)行物理I/O輸出，活動(dòng)設(shè)備通過心跳報(bào)文來告知備份設(shè)備，目前處于正常運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果活動(dòng)設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)出設(shè)備本身出現(xiàn)達(dá)到需要切換角色級(jí)別的故障通知備份設(shè)備，或者通信鏈路出現(xiàn)異常導(dǎo)致備份設(shè)備無法收到心跳報(bào)文之后，備份設(shè)備自動(dòng)代替活動(dòng)設(shè)備執(zhí)行控制功能，并將自身角色切換成活動(dòng)設(shè)備。(4)串行設(shè)備冗余，由一個(gè)主控制器和兩臺(tái)以上從控制器組成，當(dāng)活動(dòng)設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，主控制器通過總線發(fā)送切換命令。此時(shí)備份設(shè)備啟動(dòng)，代替活動(dòng)設(shè)備與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?；顒?dòng)從設(shè)備與備份從設(shè)備間的設(shè)備切換是通過主控制器實(shí)現(xiàn)的，從設(shè)備只執(zhí)行主控制器發(fā)送的命令。當(dāng)主控制器檢測(cè)到活動(dòng)從設(shè)備和備份從設(shè)備都掉線后，主設(shè)備將關(guān)閉串行設(shè)備冗余系統(tǒng)，直到從設(shè)備恢復(fù)上線后，主控制器將重新啟動(dòng)串行設(shè)備冗余系統(tǒng)功能。
[0021]如圖2所示，本發(fā)明從控制器功能角度充分考慮了冗余備份，同時(shí)從通訊鏈路方面對(duì)冗余功能進(jìn)行了完整設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第一層為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和中控機(jī)房之間的以太網(wǎng)路徑，采用雙組交換機(jī)形成備份鏈路，與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信；這樣無論是鏈路出現(xiàn)問題，還是任意一臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)功能故障，都可以保證通信自愈。第二層為現(xiàn)場(chǎng)控制器層，是本發(fā)明系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)合，主要分為主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)。主控制器混合冗余系統(tǒng)作為以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，主控制器采用兩套雙網(wǎng)口冗余控制器，一個(gè)作為活動(dòng)設(shè)備，另一個(gè)作為備份設(shè)備，設(shè)備的網(wǎng)口皆通過雙絞線接入交換機(jī)，活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備之間還通過I/O 口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)快速切換的功能，這樣既可以在功能上實(shí)現(xiàn)邏輯控制冗余功能，又可以在通訊鏈路上實(shí)現(xiàn)通信冗余功能。從設(shè)備控制器混合冗余系統(tǒng)為串行通信網(wǎng)絡(luò)，主控制器和從控制器提供兩路串口，并格外增加一塊串口冗余設(shè)備作為從控制器的備份設(shè)備，從控制器的活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備通過串口與主設(shè)備進(jìn)行串行通信，通過主控制器監(jiān)控從控制器，選擇有效串口通信鏈路來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展I/o設(shè)備的高可靠性。
[0022]如圖3所示，所述主控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器活動(dòng)設(shè)備、主控制器備份設(shè)備、交換機(jī)(1)、交換機(jī)(2)及上位機(jī)，所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口 1通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(1)連接；所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口 2通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(2)連接；所述交換機(jī)(1)與交換機(jī)(2)之間通過以太網(wǎng)連接，所述交換機(jī)(1)及交換機(jī)(2)分別通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接；主控制器通過交換機(jī)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，運(yùn)行時(shí)，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備中的一個(gè)網(wǎng)口處于上電運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)網(wǎng)口處于斷電狀態(tài)；正常模式下，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備之間直接采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信；快速模式下，需在主控制器活動(dòng)設(shè)備I/O 口與主控制器備份設(shè)備I/O 口之間相連接，采用I/O 口輔助以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。不同于日常應(yīng)用中使用單一類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中的主控制器混合冗余系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余結(jié)合的形式，主控制器采用兩塊雙網(wǎng)口冗余備份控制器，設(shè)備的兩個(gè)網(wǎng)口皆接入交換機(jī)，既可以在功能上實(shí)現(xiàn)邏輯控制冗余，又可以在通信鏈路上實(shí)現(xiàn)通信冗余功能可靠性更高。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，一條通信線路中的某個(gè)位置發(fā)生故障，同樣通過另一條鏈路也能夠形成通路。由上位機(jī)軟件配置和硬件連線方式選擇設(shè)備工作模式，分為正常模式和快速模式。正常模式適合實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)合，活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備之間直接采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，通過設(shè)備間的心跳報(bào)文和運(yùn)行冗余狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)掉線檢測(cè)與設(shè)備切換。快速模式適應(yīng)于切換速度要求較高、反應(yīng)較快的場(chǎng)合，則采用以太網(wǎng)與I/O接口連接配套的方式，在以太網(wǎng)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，立即采取I/o通知備份設(shè)備切換，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別的快速切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，備份設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)活動(dòng)設(shè)備健康狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障之后，備份設(shè)備自動(dòng)代替活動(dòng)設(shè)備執(zhí)行控制功能。系統(tǒng)通過活動(dòng)設(shè)備的一路以太網(wǎng)接口與上位機(jī)通信，同時(shí)與備份設(shè)備進(jìn)行冗余報(bào)文的交互，實(shí)現(xiàn)資源同步、時(shí)鐘同步和狀態(tài)機(jī)切換。
[0023](a)故障容錯(cuò)
[0024]現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)的故障分為4個(gè)等級(jí)，級(jí)別越高，代表故障越嚴(yán)重，通過上位機(jī)軟件配置系統(tǒng)允許的故障等級(jí)?；顒?dòng)設(shè)備每隔4s檢查一下自身運(yùn)行狀態(tài)，若出現(xiàn)故障級(jí)別較低的故障，例如ΑΙ、Α0溢出、Modbus寄存器訪問越界的錯(cuò)誤，活動(dòng)設(shè)備將故障寫入flash的日志模塊，然后上位機(jī)通過以太網(wǎng)讀取該日志系統(tǒng)并顯示和警告，活動(dòng)設(shè)備本身繼續(xù)運(yùn)行。若出現(xiàn)故障級(jí)別較高，則活動(dòng)設(shè)備通過以太網(wǎng)或者I/O點(diǎn)通知備份設(shè)備進(jìn)行角色切換，使備份設(shè)備角色轉(zhuǎn)變成活動(dòng)設(shè)備，代替原先出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行正?？刂?。
[0025](b)模式選擇和切換管理
[0026]系統(tǒng)切換管理即為當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)如何通過角色切換等步驟來實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。由于設(shè)備切換網(wǎng)口時(shí)需要通過上電的方式啟動(dòng)網(wǎng)口，上電后硬件重啟的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，系統(tǒng)切換速度共兩種可配，分別對(duì)應(yīng)于兩種不同的切換方式。正常模式切換速度在
2.5s?6.5s期間可配置，適用于生產(chǎn)工藝流程要求不太高、反應(yīng)速度較慢、開停要求不嚴(yán)的裝置和生產(chǎn)線。快速方式能夠?qū)崿F(xiàn)毫妙級(jí)別的切換，適用于生產(chǎn)工藝要求較高、反應(yīng)速度較快的裝置和生產(chǎn)線。正常模式下通過心跳報(bào)文來檢查活動(dòng)設(shè)備是否在線并做切換；快速模式則通過連接的I/O點(diǎn)來通知備份設(shè)備。正常模式下，如圖5所示。在活動(dòng)設(shè)備每Is向備份發(fā)送一次的同步報(bào)文回復(fù)中，添加備份設(shè)備的在線標(biāo)志。如果活動(dòng)設(shè)備4次未收到備份設(shè)備的時(shí)鐘同步響應(yīng)，則認(rèn)為備份設(shè)備掉線，于是活動(dòng)設(shè)備將備份設(shè)備掉線的故障寫入日志，同時(shí)，將備份設(shè)備在線標(biāo)志清零。如果檢測(cè)到活動(dòng)設(shè)備通信鏈路故障時(shí)，先對(duì)自身網(wǎng)口進(jìn)行切換，若切換后網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，則活動(dòng)設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。若切換后還不正常，則首先判斷備份設(shè)備在線標(biāo)志，如果備份設(shè)備掉線，則活動(dòng)設(shè)備保持原來角色不變，正常運(yùn)行。當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)問題或者出現(xiàn)錯(cuò)誤級(jí)別較高的故障，如果備份設(shè)備在線，則活動(dòng)設(shè)備將自身切換為備份設(shè)備，并置位同步標(biāo)志位，等待網(wǎng)線鏈路恢復(fù)后，和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上的活動(dòng)設(shè)備進(jìn)行資源同步，然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。附圖6為備份設(shè)備在活動(dòng)設(shè)備鏈路出現(xiàn)故障時(shí)的切換步驟，備份設(shè)備收到活動(dòng)設(shè)備發(fā)送的心跳報(bào)文后，給自身活動(dòng)設(shè)備在線異常標(biāo)志位清零。同時(shí)，每隔
1.5s檢測(cè)一次活動(dòng)設(shè)備的標(biāo)志位是否在線，如果心跳報(bào)文計(jì)數(shù)器超時(shí)，備份設(shè)備認(rèn)為活動(dòng)設(shè)備下線，則檢查自身網(wǎng)絡(luò)是否正常。如果自身以太網(wǎng)通信鏈路正常，則將自身角色切換成活動(dòng)設(shè)備，繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)過程控制。不具備正常網(wǎng)絡(luò)條件的備份設(shè)備不會(huì)將自身切換為活動(dòng)設(shè)備，以防止在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)兩塊活動(dòng)設(shè)備的現(xiàn)象。待備份設(shè)備檢測(cè)到自身網(wǎng)線鏈路正常后，立刻與網(wǎng)絡(luò)上的活動(dòng)設(shè)備進(jìn)行資源同步，以便實(shí)現(xiàn)無縫連接。如果主控制器運(yùn)行在快速模式下時(shí)，如附圖7所示。主控制器一旦檢測(cè)錯(cuò)誤等級(jí)較高的故障，則通過與備份設(shè)備相連的I/O點(diǎn)迅速告知備份設(shè)備，備份設(shè)備立刻切換成活動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別的切換。若備份設(shè)備不存在，則需要通知上位機(jī)并發(fā)出警報(bào)。通知完后檢查自身故障，若是自身網(wǎng)線鏈路出錯(cuò)，則對(duì)以太網(wǎng)工作的網(wǎng)口進(jìn)行切換。這樣讓備份設(shè)備立刻切換成活動(dòng)設(shè)備，省去了正常模式下需要等待活動(dòng)設(shè)備切換網(wǎng)口后硬件重啟的時(shí)間，使切換更迅速。
[0027](c)資源同步
[0028]活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)設(shè)備功能塊程序和寄存器資源保持一致。這樣一來，保證了在角色切換的平穩(wěn)性，即備份設(shè)備將自身切換成活動(dòng)設(shè)備后，系統(tǒng)能按原來的控制過程繼續(xù)運(yùn)行。同步寄存器資源時(shí)，為了防止同步過程中，功能塊運(yùn)行改變寄存器資源，故需要停止功能塊。由于功能塊和用戶注釋區(qū)的資源較大，同步比較耗時(shí)，而寄存器資源是用戶可配選擇性的同步，耗時(shí)相對(duì)較小，根據(jù)同步耗時(shí)長(zhǎng)短和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為了避免運(yùn)行過程中的活動(dòng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行功能塊，各個(gè)資源同步次序有所不同。一種情況是活動(dòng)設(shè)備與備份設(shè)備剛進(jìn)行正常上電時(shí)，此時(shí)，冗余系統(tǒng)剛開始運(yùn)行狀態(tài)機(jī)，未進(jìn)入功能塊正常運(yùn)行步驟，寄存器資源、功能塊資源、注釋區(qū)依次與活動(dòng)設(shè)備進(jìn)行同步。另一種情況是活動(dòng)設(shè)備已經(jīng)開始正常運(yùn)行，執(zhí)行功能塊，此時(shí)，備份設(shè)備上電或者網(wǎng)絡(luò)鏈路恢復(fù)正常，需要與活動(dòng)設(shè)備進(jìn)行各種資源的同步以具備熱備份條件。如附圖8所示，由于功能塊和注釋區(qū)內(nèi)容較多，同步時(shí)間較長(zhǎng)，為了保證活動(dòng)設(shè)備和備份設(shè)備功能塊資源一致并且不影響活動(dòng)設(shè)備功能塊正常執(zhí)行，備份設(shè)備先進(jìn)行功能塊和注釋區(qū)同步，在不影響功能塊執(zhí)行的前提下，定時(shí)向活動(dòng)設(shè)備詢問功能塊和注釋區(qū)數(shù)據(jù)。直到完全讀取功能塊和注釋區(qū)資源后，才進(jìn)行其他寄存器資源同步，此時(shí)，活動(dòng)設(shè)備功能塊停止運(yùn)行。正常通信下，將活動(dòng)設(shè)備和備份設(shè)備的MAC配置為不同值，運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)向活動(dòng)設(shè)備發(fā)送的資源讀寫報(bào)文?；顒?dòng)設(shè)備收到寫命令報(bào)文之后，需要將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給備份設(shè)備，備份設(shè)備收到報(bào)文后修改內(nèi)部寄存器的數(shù)值。如此保證了活動(dòng)設(shè)備和備份設(shè)備內(nèi)部資源的實(shí)時(shí)同步，一旦上位機(jī)修改活動(dòng)設(shè)備的內(nèi)部寄存器資源時(shí)，備份設(shè)備的內(nèi)部資源也能被相應(yīng)修改。
[0029]如圖4所示，所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器設(shè)備、從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備，所述從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備具有串口 1及串口 2兩個(gè)串口資源，并且分別與主控制器設(shè)備上的串口一一對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)串行通信和設(shè)備冗余；所述主控制器設(shè)備通過串口發(fā)送掃描報(bào)文，用于確定從控制器活動(dòng)設(shè)備串行通信鏈路及自身運(yùn)行情況，一旦從控制器活動(dòng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障，導(dǎo)致串口 1和串口 2不能與主控制器設(shè)備進(jìn)行通信，需切換到另一個(gè)從控制器備份設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)正常I/O 口輸出和信號(hào)采集。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余系統(tǒng)與串行設(shè)備冗余系統(tǒng)混合使用。系統(tǒng)中，主從控制器皆采用雙串口控制器，并且針對(duì)主從設(shè)備的映射關(guān)系，通過為從設(shè)備增加一塊冗余設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的雙重冗余。當(dāng)檢測(cè)到該鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，切換到另一路串口與從設(shè)備進(jìn)行通信。如果該活動(dòng)從設(shè)備的兩路串口都出現(xiàn)問題，則改為與從設(shè)備的備份設(shè)備通信，同時(shí)，原先活動(dòng)設(shè)備將自身角色切換為備份設(shè)備，當(dāng)前通信的設(shè)備自動(dòng)切換為活動(dòng)設(shè)備。在某一時(shí)刻，只有一個(gè)設(shè)備的一個(gè)串口與主設(shè)備保持通信。正常情況下，主設(shè)備通過1號(hào)串口與活動(dòng)從設(shè)備通信，而備份從設(shè)備處于監(jiān)聽狀態(tài)，只接收?qǐng)?bào)文而不作響應(yīng)。如附圖9所示，主控制器設(shè)備先選擇從設(shè)備的活動(dòng)設(shè)備的一路串口進(jìn)行通信，定時(shí)發(fā)送掃描從設(shè)備報(bào)文，從設(shè)備收到報(bào)文回復(fù)正響應(yīng)。若主設(shè)備在允許出現(xiàn)的響應(yīng)次數(shù)內(nèi)沒有收到活動(dòng)從設(shè)備的響應(yīng)報(bào)文時(shí)，即響應(yīng)超時(shí)次數(shù)超出允許值，主設(shè)備認(rèn)為當(dāng)前串口出現(xiàn)故障，切換通訊端口并置位當(dāng)前通訊端口的掉線標(biāo)志位，使用另一路串口與從設(shè)備進(jìn)行通信，清除超時(shí)標(biāo)志，繼續(xù)發(fā)送掃描從設(shè)備報(bào)文。此時(shí)，如果主設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)仍舊未收到從設(shè)備的響應(yīng)，則認(rèn)為該從設(shè)備兩路串口皆出現(xiàn)異常，主設(shè)備發(fā)送設(shè)備切換命令，切換當(dāng)前通訊從設(shè)備并置位當(dāng)前通訊設(shè)備的掉線標(biāo)志位。正常工作的備份從設(shè)備收到主設(shè)備發(fā)送的設(shè)備切換命令，將自身切換為活動(dòng)設(shè)備，與主設(shè)備進(jìn)行通訊。當(dāng)主設(shè)備檢測(cè)到活動(dòng)從設(shè)備和備份從設(shè)備的掉線標(biāo)志位都被置位后，主設(shè)備判斷活動(dòng)與備份從設(shè)備都掉線，主設(shè)備將關(guān)閉串行設(shè)備冗余系統(tǒng)，直到從設(shè)備恢復(fù)上線后，主設(shè)備將重新啟動(dòng)串行設(shè)備冗余系統(tǒng)功能。從設(shè)備掉線后主設(shè)備會(huì)定期的通過2個(gè)串口對(duì)該從設(shè)備進(jìn)行自恢復(fù)掃描，間隔時(shí)間為從設(shè)備自恢復(fù)掃描時(shí)間間隔。掃描順序?yàn)樽詈蟮艟€設(shè)備的1號(hào)串口，最后掉線設(shè)備的2號(hào)串口，下一設(shè)備的1號(hào)串口，然后下一設(shè)備的2號(hào)串口。
[0030]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:整個(gè)系統(tǒng)采用四層冗余，用于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。采用編程方式實(shí)現(xiàn)冗余降低了成本的投入，具備正常模式和快速模式兩種故障恢復(fù)模式，滿足不同場(chǎng)合下的切換速度和生產(chǎn)工藝的要求。整個(gè)系統(tǒng)從控制器功能角度充分考慮了冗余備份，從網(wǎng)絡(luò)冗余、設(shè)備冗余等各方面對(duì)冗余功能進(jìn)行了完整設(shè)計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余結(jié)合在一起形成混合冗余，提供了 一個(gè)可靠性更高、切換速度更快的完整的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
[0031]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，其特征在于:所述混合冗余可編程控制系統(tǒng)包括主控制器混合冗余系統(tǒng)和從控制器混合冗余系統(tǒng)，所述主控制器混合冗余系統(tǒng)包括雙以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)冗余及以太網(wǎng)設(shè)備冗余并接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以大網(wǎng)通信；所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括雙串口串行網(wǎng)絡(luò)冗余及串行設(shè)備冗余并接入串行總線，實(shí)現(xiàn)串行通信；整個(gè)系統(tǒng)采用四層冗余，用于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器活動(dòng)設(shè)備、主控制器備份設(shè)備、交換機(jī)(1)、交換機(jī)(2)及上位機(jī)，所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口 1通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(1)連接；所述主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備，分別經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口 2通過以太網(wǎng)與交換機(jī)(2)連接；所述交換機(jī)(1)與交換機(jī)(2)之間通過以太網(wǎng)連接，所述交換機(jī)(1)及交換機(jī)(2 )分別通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接；主控制器通過交換機(jī)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，運(yùn)行時(shí)，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備中的一個(gè)網(wǎng)口處于上電運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)網(wǎng)口處于斷電狀態(tài)；正常模式下，主控制器活動(dòng)設(shè)備及主控制器備份設(shè)備之間直接采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信；快速模式下，需在主控制器活動(dòng)設(shè)備I/O 口與主控制器備份設(shè)備I/O 口之間相連接，采用I/O 口輔助以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于設(shè)備冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余的混合冗余可編程控制系統(tǒng)，其特征在于:所述從控制器混合冗余系統(tǒng)，包括主控制器設(shè)備、從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備，所述從控制器活動(dòng)設(shè)備及從控制器備份設(shè)備具有串口 1及串口 2兩個(gè)串口資源，并且分別與主控制器設(shè)備上的串口一一對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)串行通信鏈路冗余和設(shè)備冗余；所述主控制器設(shè)備通過串口發(fā)送掃描報(bào)文，用于確定從控制器活動(dòng)設(shè)備串行通信鏈路及自身運(yùn)行情況，一旦從控制器活動(dòng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障，導(dǎo)致串口 1和串口 2不能與主控制器設(shè)備進(jìn)行通信，需切換到另一個(gè)從控制器備份設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)正常I/O 口輸出和信號(hào)采集。
【文檔編號(hào)】H04L29/06GK103647781SQ201310690025
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】仲崇權(quán), 李稚春, 劉雪梅, 孫濤, 葛晶晶, 龔中強(qiáng), 劉雪喆, 劉鑫 申請(qǐng)人:大連理工計(jì)算機(jī)控制工程有限公司