CN101304303A - 三重化冗余控制系统的主机参数同步方法 - Google Patents

Abstract

三重化冗余控制系统的主机参数同步方法属冗余控制领域。采用点对点的请求－响应结合时间戳的方法对系统中的两个主机进行参数同步。新上电主机初始化后首先判断是否有其它主机在线。无，直接根据参数运算并输出。有，则向该主机发送请求包，其中包含该包离开时的时间戳T₁；在线主机收到请求包，填入包到达的时间戳T₂，把需同步参数打包，填入响应包离开时的时间戳T₃，发回新上电主机；新上电主机收到响应包填入到达的时间戳T₄。根据这4个时间戳计算在线主机发出响应包到新上电主机收到时的网络延时(T₄－T₃)和两主机间时钟偏移θ，对同步参数进行(T₄－T₃)+θ数值修正。该方法消除时钟偏移、网络延时对参数同步影响，解决了系统主机切换时输出变化，保证系统的稳定和可靠。

Description

三重化冗余控制系统的主机参数同步方法

所属技术领域

本发明涉及冗余系统的控制领域，特别是冗余控制系统的主机参数同步方法，用于解决冗余主机上电时存在时序差而导致输出不同的问题。

技术背景

三重化冗余容错控制技术是近年来发展起来的，具有高可靠性，高可用性和无单点故障等特点。系统能识别故障并自动对其进行补偿，并且允许在不中断系统运行的情况下对其实施在线维修和更换部件。系统对每一个环节都进行了三重化冗余，对输入模块、主机以及输出模块的处理都通过三取二表决。

三重化冗余控制系统中有三个主机，通过分配不同的地址来区分三个主机。系统允许主机在线更换，因而会出现单个主机、两个主机、三个主机在线的情况。主机通过总线控制器与输入、输出模块以及其它主机进行通信。每个主机可以通过与之相连的三个总线控制器转发三个输入模块的输入状态，完成输入扫描后，对输入信号进行3取2表决，并将结果存入特别设定的映射地址，将其提供给应用程序。应用程序根据接收到的输入状态和用户制定的逻辑决定输出状态，提供输出数据。主机再把输出数据通过三个总线控制器转发给输出模块。用户制定的逻辑中会涉及到如定时器的当前计数值，计数器的当前值，中间变量的值等参数。这些主机参数直接影响系统终端的输出模块间的继电器驱动。如果系统在单个主机，两个主机以及三个主机间切换，在已有在线正常主机工作的情况下，新加入的主机上电后，该主机上的参数都将被初始化，与在线正常主机的参数不同，经过运算后得到的输出数据也不同。由此参数的初始化会导致三条总线上传输的输出数据出现差异，并最终导致三重化冗余控制系统出现意想不到的跳动，严重影响控制系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三重化冗余系统的两个主机的参数同步方法，解决在一个、两个以及三个主机切换中会引发的三条总线上输出数据出现差异、输出不同步的问题，以提高三重化冗余控制系统的可靠性和安全性。

本发明的目的是这样实现的：

采用点对点的请求-响应Request-Response结合时间戳的方法对三重化冗余控制系统中的两个主机进行精确参数同步。具体方法是：新上电主机上电初始化后首先判断是否有其它正常主机在线，若无，则直接根据参数进行运算并正常输出；若有，则向该主机发送Request包，其中包含了该包离开新上电主机的时间戳T₁；在线的正常主机收到新上电主机的Request包后，填入包到达时的时间戳T₂，并把需同步的参数打包，再填入该包离开该主机的时间戳T₃，发送Response包给新上电主机；新上电主机收到正常主机的Response包后填入该包到达的时间戳T₄。根据Request包离开新上电主机时的时间戳T₁、在线正常主机收到Request包的时间戳T₂、Response包离开在线正常主机的时间戳T₃和新上电主机接收到Response包的时间戳T₄，这4个时间戳计算出在线正常主机发出Response包到新上电主机收到的网络延时(T₄-T₃)和两个主机间的时钟偏移θ，按照时间差的关系对同步参数进行修正。

所述新上电主机初始化后，判断是否有正常主机在线，是通过三个主机的总线控制器信息交换进行判断的，每个主机下的总线控制器将各自的主机状态广播给另外的总线控制器，新上电主机下的总线控制器汇总三个主机的状态，并发送给新上电主机。新上电主机判断有一个或两个主机在线，若有一个在线，则向该主机发起同步请求，若有两个主机在线，则对地址较小的主机发起同步请求。

所述根据4个时间戳按照时间差的关系进行修正的具体方法是：设新上电主机A向正常主机B发起同步请求，两个主机的同步信息在网络上传播所消耗的时间为λ，两个主机的时钟偏移为θ，则有θ＝T₂-T₁-λ，θ＝T₄-T₃-λ，可得θ与4个时间戳的关系为：θ＝((T₄-T₃)-(T₂-T₁))/2。同步结束后，新上电主机的时间参数应该加上在线正常主机发出Response包到新上电主机收到的网络延时(T₄-T₃)和两个主机的时钟偏移θ，即((T₄-T₃)+θ)的数值，完成两个主机的精确参数同步。

本发明的优点是：

1、提高了系统的可靠性和稳定性，解决了主机进行切换时继电器的跳动问题。保证了三重化主机以及输出驱动的同步。

2、在同步过程中使用时间戳进行主机参数修正，极大的消除了时钟偏移、网络传输对同步精度的影响，使同步误差大为减少。

3、使用点对点的请求-响应Request-Response的方式，在两个主机间进行同步，降低了系统的通信开销。

4、本方法可用于双重及多重冗余系统的主机同步，应用前景广阔。

附图说明

图1是主机参数同步的程序流程图。

图2是请求-响应Request-Response的同步过程中时间戳原理图。

图3是实施例中三重化冗余控制系统组件布置图。

图4是图3的控制系统结构示意图。

具体实施方式

附图给出了本发明一个具体实施例。本实施例对三重化冗余主机进行同步。

三重化冗余控制系统采用物理上无耦合设计和分离式结构电路，以此减小硬件相同模式故障发生的可能性，用于主机与输入输出之间通信的I/O总线使用分布式设计。三个完全相同的输入模块分别连接到三条总线上，它包含三个独立的主机以及运行在每个单独系统中的诊断程序，每个主机可以通过与之相连的三个总线控制器转发三个输入模块的输入状态。三重化冗余系统通过3取2表决机制来提供高可靠性和无误差的操作。三个主机中的每一个主机通过三重化的I/O总线将逻辑状态通过总线控制器送至输出模块，输出模块对三重化的输出数据进行3取2表决，开关输出电路驱动其上的负载继电器。

图3示出，电气控制柜前门从上到下：在CPU背板上按固定槽位安装3个主机及3个总线控制器；2块输入背板，2块输入背板共分成三组，每四个输入模块组成单条总线64路输入点，因此为了组成三重化冗余输入结构，输入占用2个背板，；电气控制柜后门主要安装电源模块、输出背板和负载继电器，为实现H型结构及输出点的扩展，将背板采用“2源+2漏”组成一组16点H型结构，采用四组16点H型结构扩展成64输出点，共占用2个输出背板。

图4示出三重化冗余系统中，输入模块从外部采集到数据以后，发送到所在总线上的三个总线控制器，每个主机分别连着来自不同总线的三个总线控制器，其上的总线控制器将数据发送到该主机；每个主机通过对三重化的输入数据进行表决和运算处理，输出总线将数据送至智能输出模块，输出模块通过其特有的结构对三重化的输出数据进行表决，开关输出电路驱动其上的公共负载。另外还有监控编程软件实现对系统的监视和控制。监控计算机可以通过连接任何一个主机而监控整个系统。

在同步过程中，新上电主机上电初始化后，首先判断有无其它正常主机在线。三重化冗余系统中，一条总线上的三个总线控制器分别连接到三个主机，三个主机通过总线控制器来进行信息交换，每个主机下的总线控制器知道该主机的状态，并把主机状态广播给另外的总线控制器。新上电主机下的总线控制器汇总三个主机的状态，并发送给新上电主机。由此，新上电主机可以判断到是否有其他正常的主机在线。

若判断到没有正常的主机在线时，该新上电的主机就直接正常运算逻辑并输出。若判断到有正常的主机在线时，首先判断是一个主机还是两个主机在线，如果是一个主机在线，则新上电的主机就会对此主机发送Request包，如果是两个主机在线，则新上电的主机对地址较小的主机发送Request包，并填入该包离开新上电主机的时间戳T₁。由于三重化冗余系统中，三个主机的结构是相对独立的，该同步过程需要总线控制器来进行数据转发。新上电主机下的总线控制器收到Request包后，发送给正常主机下的总线控制器，再转发给正常主机。正常主机收到Request包后，填入包到达时的时间戳T₂，将该主机自身的各种参数以及Response包离开主机的时间戳T₃，通过总线控制器发送到新上电主机下的总线控制器，再转发给新上电主机。

新上电主机得到正常主机的同步参数后，填入时间戳T₄，就可以根据时间戳按照时间差的关系对参数进行修正。假设新上电主机A向正常主机B发起同步请求，两个主机的同步信息在总线上传播所消耗的时间为λ，两个主机的时钟偏移为θ，则有θ＝T₂-T₁-λ，θ＝T₄-T₃-λ，可得θ与4个时间戳的关系为：θ＝((T₄-T₃)-(T₂-T₁))/2。同步结束后，新上电主机的时间参数应该加上在线正常主机发出Response包到新上电主机收到的网络延时(T₄-T₃)和两个主机的时钟偏移θ，即((T₄-T₃)+θ)的数值，完成两个主机的精确参数同步。

本方法采用点对点的请求-响应Request-Response结合时间戳的方法对冗余控制系统中的两个主机之间进行精确参数同步，因而可用于双重或其他多重化冗余控制系统的主机同步。虽然已经参考附图对本发明的方法进行了描述，但是本发明不限于上述这些细节，本申请含盖权利要求范围之内的各种变型或改变。

Claims (3)

1、三重化冗余控制系统的主机参数同步方法，其特征在于：采用点对点的请求-响应Request-Response结合时间戳的方法对三重化冗余控制系统中的两个主机进行精确参数同步，具体方法是：新上电主机上电初始化后，首先判断是否有其它正常的主机在线，若无，则直接根据参数进行运算并正常输出；若有，则向该主机发送Request包，其中包含了该包离开新上电主机的时间戳T₁，在线的正常主机收到新上电主机的Request包后，填入包到达时的时间戳T₂，并把需同步的参数打包，再填入该包离开该主机的时间戳T₃，发送Response包给新上电主机；新上电主机收到正常主机的Response包后填入该包到达的时间戳T₄，根据Request包离开新上电主机时的时间戳T₁、在线正常主机收到Request包的时间戳T₂、Response包离开在线正常主机的时间戳T₃和新上电主机接收到Response包的时间戳T₄，这4个时间戳计算出在线正常主机发出Response包到新上电主机收到的网络延时(T₄-T₃)和两个主机间的时钟偏移θ这两个重要的时间参数，按照时间差的关系对同步参数进行修正。

2、如权利要求1所述的同步方法，其特征在于：所述新上电主机上电初始化后，判断是否有正常主机在线，是通过三个主机的总线控制器来进行信息交换进行判断的，每个主机下的总线控制器将各自的主机状态广播给另外的总线控制器，新上电主机下的总线控制器汇总三个主机的状态，并发送给新上电主机；新上电主机判断有一个或两个主机在线，若有一个在线，则向该主机发起同步请求，若有两个主机在线，则对地址较小的主机发起同步请求。

3、如权利要求1所述的同步方法，其特征在于：所述根据4个时间戳按照时间差的关系进行修正的具体方法是，设新上电主机A向正常主机B发起同步请求，两个主机的同步信息在网络上传播所消耗的时间为λ，两个主机的时钟偏移为θ，则有θ＝T₂-T₁-λ，θ＝T₄-T₃-λ，可得θ与4个时间戳的关系为θ＝((T₄-T₃)-(T₂-T₁))/2，同步结束后，新上电主机的时间参数加上在线正常主机发出Response包到新上电主机收到的网络延时(T₄-T₃)和两个主机的时钟偏移θ，即((T₄-T₃)+θ)的数值，完成两个主机的精确参数同步。

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