CN101131570B - 冗余切换控制方法及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制领域，具体公开了一种冗余切换控制方法，在主用模板处于主用状态，向从用模板发出固定频率信号；从用模板接收到固定频率信号后发出进入从用状态的申请；从用模板接收到申请响应后进入从用状态。本发明还公开了一种冗余切换控制电路，包括对称的两模板，各模板包括CPU和切换控制电路，所述切换控制电路用于在主用状态下发出固定频率信号，在接收到固定频率信号后切换到从用状态；用于在从用状态下接收固定频率信号，在接收到的固定频率信号消失后切换到主用状态。本发明通过主用模板发出固定频率信号作为冗余设备之间的连接信号，增加了冗余切换控制信号的可靠性，不管什么原因引起主用模板的CPU故障都可立即完成冗余切换控制。

Description

冗余切换控制方法及其控制电路

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是一种冗余切换控制方法及其控制电路。

技术背景

在要求较高的工业控制系统中，往往需要对关键的控制器和I/O模板采用冗余配置技术，以便系统能够在故障状态下连续运行，同时可以在线对系统进行维修，保证控制对象的安全运行。从成本和实用性角度考虑，通常情况下冗余系统多采用双模冗余技术，一个设备处于主用状态时，另一个设备处于从用状态。

在双模冗余结构中，冗余模板之间需要有一些状态信号连接。这些信号与控制逻辑电路连接，再与各自的控制CPU连接，CPU接收这些状态信号，确定该设备运行在主用状态，还是从用状态。通常冗余模板之间的各种状态信号，直接影响切换的可靠性。如何设计冗余设备之间的状态信号成为可靠切换的基础。

以前传统的切换方法中，冗余设备之间有切换部件，该部件监视并控制互为冗余的两个设备，同时可接收上位机的切换命令。后来在公开号为CN1275000A专利中，发展了采用互为冗余的设备之间直接采用冗余状态信号连接，互为冗余的两个设备采用设备这些状态线来确定自己是应运行在主用状态还是在从用状态。这种切换方法对共有数据采用了共享数据存储器，使得针对该存储器的故障产生时可靠性大大降低。该方法冗余设备之间的状态信号也较多。

公开号为CN 1591348A，采用与非逻辑与CPU结合构成冗余设备之间的信号连接，切换方法上增加了用逻辑值来判断故障等级，根据等级不同来确定是否切换。同时能提供掉电、复位快速切换，还提供了手动切换方法。

这些切换方案中都采用了二值逻辑的原理，由于二值逻辑的安全性较差，如果状态信号接口逻辑锁死在‘1’或‘0’的情况下，特别是逻辑死锁在正常状态时，故障将难以判断。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种控制简单、故障率低、信号传输更加安全的冗余切换控制方法以及冗余切换控制电路。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种冗余切换控制方法，包括以下步骤：

1)主用模板处于主用状态，向从用模板发出固定频率信号；

2)从用模板接收到固定频率信号后，发出进入从用状态的申请；

3)从用模板接收到申请响应后进入从用状态。

还可包括步骤3’)：从用模板未接收到申请响应，在接收到主用模板的固定频率信号时返回步骤2)；

在未接收到主用模板的固定频率信号时，可执行步骤2’)：从用模板发出进入主用状态的申请。

所述步骤2’)后可还包括步骤4)：从用模板的主用申请得到响应后，返回步骤1)进入主用状态，成为新的主用模板。

所述步骤2’)后还可包括步骤4’)：从用模板的主用申请未得到响应，在检测主用模板发出的固定频率信号恢复后，返回步骤2)发出进入从用状态的申请，在检测主用模板发出的固定频率信号未恢复后，返回步骤2’)，进入主用模板的申请。

所述步骤4)后还可包括步骤5)：进入主用状态的模板检测到从用模板进入主用状态后，发出进入从用状态申请。

所述步骤1)前还可包括检查检测接口和地址是否正确，先完成检查的模板作为主用模板。

一种冗余切换控制电路，包括对称的两个模板，每个模板分别包括CPU和切换控制电路，所述切换控制电路用于在主用状态下发出固定频率信号，在接收到固定频率信号后切换到从用状态；用于在从用状态下接收固定频率信号，在接收到的固定频率信号消失后切换到主用状态。

所述切换控制电路可进一步包括：

频率信号输出控制模块，用于在状态控制模块的控制下，将接收到的CPU发出的固定频率信号通过发送接口模块发送出去；

状态控制模块，用于发出当前模板为主用或从用状态信号。

频率信号检测模块，用于根据所述频率信号检测定时器发出的检测基准信号，检测所述接收接口模块接收到的信号是否为固定频率信号，并发送给所述状态控制模块；

信号切换命令模块，接收CPU发出的切换信号，控制所述状态控制模块进行状态转换；

频率信号检测定时器，用于提供频率信号的检测基准；

以及发送接口模块和接收接口模块。

还可包括状态比较模块，用于将状态控制模块的当前状态和CPU的当前状态进行比较，在状态不一致时向CPU发出状态同步中断请求。

还可包括状态转换延迟定时器，用于在所述状态控制模块进行状态转换或发出状态同步中断请求时提供延时时间。

本发明通过主用模板发出固定频率信号作为冗余设备之间的连接信号，即通过一个时变的信号表征主用模板的主用状态，增加了冗余切换控制信号的可靠性，因此不管什么原因引起主用模板的CPU故障(例如：复位、晶振停振、掉电、程序跑飞、控制口线故障等)，都可立即完成冗余切换控制。而且，在启动时可以实现模板地址的正确识别，通过主、从用模板上电竞争确定主用从用，冗余模板之间通过串行数据通道实现采样同步及诊断信息传送，还可接收上位机的切换操作命令进行切换，进一步增加了冗余切换控制的操作性。此外，由于两冗余模板工作在冗余状态时，拔起主用模板时，从用模板检测不到方波信号则立即切入主用状态，两冗余模板工作在冗余状态时，拔起从用模板时主用模板应不受影响，同样的已有模板工作在主用状态时，插入从用模板主用模板不受干扰，因此可以实现主用、从用模板的带电插拔。

附图说明

图1为本发明实施例一的控制框图；

图2为本发明实施例一中信号控制电路的原理框图；

图3为本发明实施例一的状态控制模块的状态转换示意图；

图4为本发明实施例二的流程图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本发明的冗余切换控制电路由对称的A、B两个模板构成，每个模板的结构和工作过程相同，下面以其中一侧的A模板为例，包括CPU和信号控制电路，所述CPU具有四个信号端口A1、A5、A6、A7，其中，A1与A5与所述信号控制电路相连，所述信号控制电路还包括A2、A3、A4三个信号端口。

各信号端口的功能如下：

A1信号端口：在A模板CPU的控制下输出固定频率信号(F)。

A2信号端口：将A1信号端口发出的固定频率信号发送给B模板的B3信号端。

A3信号端口：接收来自B模板B2信号端口发出的状态信号，并通过电容CA1输入到A模板的信号控制电路中。A3信号端口用于监视B模板状态。

A4信号端口：为双向信号接口。当A模板为主用时，A4接口为输入接口，接收B模板发来的状态信息；A模板为从用时，A4接口为输出端口，处于高阻态，向B模板发出A模板的状态信息，这里的状态信息也可采用固定频率信号。

A5信号端口：信号控制电路向CPU发送的中断请求信号。当A、B模板主、从用状态信息发生变化时，向CPU发出中断请求，CPU根据中断请求改变A模板的运行状态。

A6信号端口：是A模板的串行数据输出端口，用来向B模板的B7信号端口发出串行数据信号，与B模板进行更多的信息交换。

A7信号端口：是A模板的串行数据输入端口，用来接收B模板的B6信号端口发出的串行数据信号。冗余模板之间的故障诊断信息通过信号A6、A7相互发送，冗余模板对诊断信息进行比较，根据故障信息确定是否进行冗余切换控制操作。同时冗余模板的状态信息通过主用模板发送给上位机。

所述信号控制电路如图2中所示，包括发送接口模块和接收接口模块以及：

频率信号输出控制模块，在状态控制模块为主状态时，将接收到的CPU发出的固定频率信号通过发送接口模块(即端口A2)发送出去；当状态控制模块为从状态时，上述固定频率信号被禁止发送。

状态控制模块，用于发出当前模板为主用或从用状态信号。

频率信号检测模块，通过所述接收接口模块(即端口A3)接收到的另一模板发来的信号，根据频率信号检测定时器发出的检测基准信号，检测接收到信号的频率在有效的范围内，表示频率信号有效，使所述状态控制模块处于从用状态；如果超过设定范围，就认为频率信号消失，并检测结果发送给状态控制模块，使状态控制模块进入主用状态，进而由所述状态控制模块控制发出固定频率信号。

信号切换命令模块，接收CPU发出的切换信号，向所述状态控制模块发出切换脉冲，控制所述状态控制信模块进行状态转换；

频率信号检测定时器，用于提供频率信号的检测基准；

状态比较模块，用于将状态控制模块的当前状态和CPU的当前状态进行比较，在状态不一致时向CPU发出状态同步中断请求，如果一致则清除中断。

状态转换延迟定时器，在所述状态控制模块进行状态转换过程中或发出状态同步中断请求时，提供所需的延迟时间。

双向接口模块，用于在状态控制模块处于主用状态下，通过接口A4接收从用模板的状态信息，作为判断冗余模板是否处于从用状态的辅助判断。

所述状态控制模块中有5种状态，如图3中所示，它们分别为状态“SA、SB、SC、SD、SE”。

状态“SA”是模板启动后的状态。模板启动后完成CPU初始化工作，然后向信号控制电路发送启动完毕信号，信号控制电路进入状态“SB”。

状态“SB”是模板进入从用状态前，通过所述状态比较模块向CPU申请从用同步的状态。当CPU完成从用同步，向状态比较模块发出已完成从用同步信号后，状态控制模块转入状态“SC”，同时清除中断信号。

状态“SC”是模板的从用状态。从用状态由接收到的主用模板的固定频率信号锁定。当检测到主用模板固定频率信号消失，从用状态“SC”进入状态“SD”。

状态“SD”是模板进入主用状态前，通过状态比较模块向CPU申请主用同步的状态。当CPU完成主用同步，向状态比较模块发出已完成主用同步信号后，状态控制模块转入状态“SE”，同时清除中断信号。在状态“SD”中如果检测到主用信号，状态将转移到状态“SB”。

状态“SE”是模板的主用状态。主用状态让频率信号输出控制模块通过发送接口模块输出主用频率信号。同时监测接收接口模块是否还存在主用，如果只有本机为主用状态，则锁定本机主用状态。当有其他主用频率信号被检测到时，主用状态“SE”转入状态“SB”。

由于方波信号的阶跃明显、易于频率的判断，因此所述固定频率信号主要采用固定频率的方波信号。这样，在A模板处于主动的状态下，从A2端口发出固定频率信号时，既可表示A模板存在，又可表示A模板工作正常。而端口A4接收到固定频率方波时也表示B模板存在，同时表示工作正常。特别是在冗余连接端口发生钳位故障时，模板间的信号停留在‘0、1’状态下，这时‘0、1’信号都不能通过电容器件，信号控制电路收不到方波信号时，所述信号控制电路由A5端口向CPU发送中断请求，对应模板将采取相应的冗余切换控制操作。A3信号接收端采用电容隔离输入，再通过内部解调电路获得信号控制电路的内部信号。进入从用状态的B模板，B2口关闭，不发送方波信号。如果从用模板正常，从B4端口发送方波信号给主用模板，表示从用模板已经安装并工作正常。如果从用模板故障，从B4发出的方波信号消失，主用模板收到信息后向上位机发送从用故障信息。运行于主状态的模板将通过A6、A7端口与从用模板交互同步信号，使从用模板输入/输出通道顺序、时间与主用模板同步，使冗余模板之间的采样值或输出值差异最小化，当产生快速切换时，大大减少了由于输入/输出值差异过大带来的干扰。

实施例二：

本实施例为一种冗余切换控制方法，参照图1中所示的A、B两冗余配置的模板，本实施例的工作过程，如图4中所示：

步骤1：启动和延时，两模板启动后经过几个连续的延时时间，等待各个端口信号稳定。

当两个冗余模板同时启动，冗余模板进入初始运行状态后，各自模板初始化、自检、互检，先完成的模板进入主用状态，这里以A模板先进入主用为例，通过主用状态A2端口向另一个模板发送固定频率信号，另一B模板通过B3端口接收到该信号口后，将进入从用状态。此时，处于主用状态的A模板通过A4端口进入接收信号的状态。

步骤2：冗余模板接口和地址检查，检查冗余模板A、B之间的接口和地址是否正确。如果地址正确则转入步骤4进入主用模板检查，如果不正确则转入步骤3。

步骤3：停止模板运行，初始化检查出错，停止模板A、B的运行并发出本地报警。

步骤4：判断主用模板是否存在，如果存在则转入步骤5进行从模板的申请，否则转入步骤10进行主用模板的申请。

步骤5：从用模板申请，向B模板的CPU发出本地模板进入从用的中断申请信号。

步骤6：模板是否进入从用状态，B模板从用申请得到响应后，使B模板转入步骤8，即进入从用状态；否则，如果申请没有得到响应，则转入步骤7，检测冗余主用是否存在。

步骤7：冗余主用是否存在，如果B模板还未进入从用状态，此时进一步判断对应的A模板的主用状态信号是否存在或消失，如果存在则转入步骤10，使B模板进入主用模板申请流程。

步骤8：从用模板状态：B模板得到从用模板申请响应后，进入从用状态。

步骤9：监视冗余模板主用是否存在，通过处于从用状态的B模板的B3端口监视主用模板信号，如果主用信号消失，则转入步骤10，即从用模板进入主用模板申请。

步骤10：主用模板申请，如果没有主用模板或原A模板的主用信号消失，由B模板向CPU发出进入主用的中断申请信号。

步骤11：模板是否进入主用状态，B模板主用申请得到响应后，进入主用状态，如果没有相应，则转入步骤12，检测冗余主用即A模板是否已经恢复。

步骤12：冗余主用恢复，如果B模板还未进入主用状态，对应A模板的主用状态信号恢复，则再转入步骤5，使B模板进入从用模板申请流程。

步骤13，主用模板状态，B模板的主用申请得到响应后，进入主用状态。

步骤14，监视冗余模板主用状态，进入主用状态的B模板监视A模板信号，如果A模板的信号重新出现，作为主用B模板重新进入从用模板申请流程。

本发明由于采用固定频率信号作为冗余设备之间的连接信号，增加了冗余切换控制信号的可靠性，因此不管什么原因引起主用模板的CPU故障(例如：复位、晶振停振、掉电、程序跑飞、控制口线故障等)，都可立即完成冗余切换控制。而且，在启动时可以实现模板地址的正确识别，通过主、从用模板上电竞争确定主用从用，冗余模板之间通过串行数据通道实现采样同步及诊断信息传送，还可接收上位机的切换操作命令进行切换，进一步增加了冗余切换控制的操作性。此外，由于两冗余模板工作在冗余状态时，拔起主用模板时，从用模板检测不到方波信号则立即切入主用状态，两冗余模板工作在冗余状态时，拔起从用模板时主用模板应不受影响，同样的已有模板工作在主用状态时，插入从用模板主用模板不受干扰，因此可以实现主用、从用模板的带电插拔。

以上对本发明所提供的冗余切换控制方法及其控制电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种冗余切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)主用模板处于主用状态，向从用模板发出固定频率的主用状态信号；

2)从用模板接收到所述主用状态信号后，向其自身CPU发出进入从用状态的申请；

3)当从用模板接收到其自身CPU发出的进入从用状态的申请响应后进入从用状态；当从用模板未接收到其自身CPU发出的申请响应时，判断主用模板的主用状态信号是否存在，当主用模板的主用状态信号消失，则从用模板向其自身CPU发出进入主用状态的申请信号；从用模板接收到其自身CPU发出的进入主用状态的申请响应后，进入主用状态。

2.根据权利要求1所述的冗余切换控制方法，其特征在于：所述当主用模板的主用状态信号消失，则从用模板向其自身CPU发出进入主用状态的申请信号后还包括：从用模板的进入主用状态的申请信号未得到响应，在检测主用模板发出的主用状态信号恢复后，返回步骤2)向其自身CPU发出进入从用状态的申请，在检测主用模板发出的主用状态信号未恢复后，从用模板进行进入主用状态的申请。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的冗余切换控制方法，其特征在于：所述步骤1)前还包括检查所述主用模板和所述从用模板之间的接口和地址是否正确，先完成检查的模板作为主用模板。

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