CN102713857B - 用于进行故障安全型硬件无关浮点运算的方法和装置 - Google Patents
用于进行故障安全型硬件无关浮点运算的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种可为浮点运算提供前述类型的软件多样性的方法和装置，特定而言，本发明也可应用于实时环境。本发明的发明对象是用于对符合IEC 61508在功能安全性方面所规定的任意精度的浮点数计算进行高效保护的一种方法和装置。所述方法采用软件多样性的一种特殊形式，且对运行时间环境及工程环境均有影响。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种用于进行故障安全型硬件无关浮点运算的方法和装置。
背景技术
机器安全性(也称功能安全性)这个课题在工业自动化领域具有越来越重要的意义。确保功能安全性指的是在基本风险超过允许范围的情况下，需要降低危险操作对人或环境的潜在风险。其适用范围涉及压力机、轧辊、自动操作臂等机器，为铁路网分配站台以及操作缆车等等。功能安全性的意义建立在相应标准的基础上，例如适用于电气及电子系统的一般性基本标准IEC 61508。
功能安全性涉及安全链上的所有环节。但安全链的核心要素是控制装置，它决定是否将设备引入安全状态。就这个意义而言，控制装置这个概念包括任何形式的可编程逻辑控制器，也就是既包括真实的硬件控制器也包括现代实现方案，例如基于嵌入式控制器的Soft-SPS软件(如西门子WinACRTX)、工业计算机等等。
传统技术将功能安全性主要定义为逻辑判定，表示这些逻辑判定时使用逻辑数据(BOOLEAN)和整数(INT、DINT)就可以了。中断供能是此类安全系统的常规干预方式。复杂的安全功能越来越多地成为重点所在。运动控制领域内的应用极大地推进了这一发展。目前，运动控制领域所要求的功能例如有“安全速度”、“安全位置”、“安全停止”、“安全力矩”，以及其它要求用浮点数来处理的功能。过程控制领域也存在扩展到浮点数的需求。
在实现故障安全型控制方面有两种原理可供使用：硬件多样性和软件多样性。
硬件多样性建立在使用多样化的并行运算器以及后续进行一致性检查的基础上。硬件多样性属于现有技术，市场上大量制造商用它来表示逻辑安全功能。
举例而言，西门子公司SIMATIC生产线的F系列采用的是借助软件多样性所实现的解决方案。如前所述，Distributed Safety软件中的安全程序迄今为止只能以BOOL、INT和DINT这几种数据类型为基础，因此主要表示逻辑安全功能。安全功能建立在借助算术码所实现的多样化内部表示的基础上。这个解决方案例如由公开案DE 102 19 501揭示。
曾经对这个借助算术码所实现的浮点数解决方案的应用情况进行过概念上的评估，评估结果是无法高效进行产品应用。该解决方案的处理过程较为复杂，因而运行时间过长，特别是在需要将其应用于实时系统的情况下。
此外，浮点数还存在取整问题，这些问题会进一步加大实现功能安全性的难度，而且无法通过算术码的相应方案来排除这些问题。
基于这些情况，市场上目前尚无法提供就硬件无关性及硬件-单信道而言安全的浮点运算。
发明内容
本发明的目的是提供一种可为浮点运算提供前述类型的软件多样性且能避免上述缺点的方法和装置。特定而言，所述方法也可应用于实时环境。
本发明的另一目的是在非硬件亢余的标准CPU上，达到IEC 61508针对浮点数计算所规定的安全完整性等级3(SIL 3)。
本发明用来达成上述目的的解决方案是一种如权利要求1所述的方法。
所述在自动化系统内于程序运行期间进行故障安全型硬件无关浮点运算的方法包括以下步骤：
根据至少两个均为浮点数的原始数据，在形式为浮点表示的第一计算中通过标准浮点运算测定第一结果，以及
将所述至少两个浮点表示的原始数据分别转换为相应的浮点区间表示，以及
根据所述至少两个已转换为浮点区间表示的数据，特别是在所述第一计算的计算周期内进行类似于所述第一计算的第二计算并测定结果区间，其中，借助所述第二计算的结果区间检查所述第一计算的第一结果是否存在错误计算。
本发明用来达成上述目的的另一解决方案是一种如权利要求12所述的装置。
本发明的发明对象是用于对符合IEC 61508在功能安全性方面所规定的任意精度的浮点数计算进行高效保护的一种方法和装置。所述方法采用软件多样性的一种特殊形式，且对运行时间环境及工程环境均有影响。
运行时间/Runtime：
本发明方法的基本之处在于，在不同形式的控制装置内对数据和操作数进行双重表示。所述方法的关键是所选的多样化表示的类型，这种表示建立在区间基础上。其中，每个参数和操作数x(原本是一般情况下无法表示的实数)肯定被一由两个可表示的浮点数所构成的区间A＝<amid，arad>所包含。
一浮点区间的参数是中点amid和半径arad。工作期间所有计算均双重进行，一次是传统的非编码形式，一次是基于上述区间以编码形式进行计算。利用区间运算的特性能保证区间范围内的阴影计算总是将真实结果包含在内。区间运算支持加减乘除等四项基本运算方式，以及标量运算和矢量/矩阵运算。借助于级数展开或表格和内插，区间运算也支持更复杂的函数，如超越函数(三角函数和指数函数等)。
通过下列一致性检查可以发现错误：
●大一致性测试：
检查区间数据中是否包含原始数据。这项检查可以发现原始数据与区间之间是否存在随机错误所致失真所引发的不一致。
●小一致性测试：
检查区间宽度是否处于允许范围。
通过这项检查能够得到关于实际计算精度的确定结论。如果超过或低于用户所选阈值，就可触发警报，必要时使设备部件进入安全状态。此外，这项检查还有助于防止出现某些确定的硬件错误。
●借助操作数相关测试来检查运算的进行方式是否正确：
通过对操作数进行数学恒等检查来发现运算中是否存在危险的系统功能错误，即使在运算的效果与操作数相关的情况下也是如此。
其它有利设计方案参见从属权利要求。
安全完整性等级(SIL)是一项用于在故障情况下测定系统、设备和过程的潜在危险的尺度。IEC 61508标准是安全技术系统(SIS)在技术规范、设计和操作方面的基础。
SIL安全等级主要与安全失效分数(SFF)及硬件容错(HFT)相关。一个系统的安全失效分数又取决于两种错误之间的比例，即安全的错误与危险错误之间的比例。在单独的报告中推导这两种错误。详情参见IEC 61508。
所述解决方案的性能取决于实现区间运算的复杂程度。这个复杂程度总体为中等。
无论使用的是哪种可能的表示(中点/半径表示、下确界/上确界表示或其它表示)，所述多样化表示都包括任何一种区间表示。
由于在安全应用方面存在特殊要求，特别是区间宽度的周期性重置要求，中点/半径表示特别有利。
根据本发明的优选实施方式，采用两个分开的区间来发现错误和不良数值条件。在此情况下，每次运算成功后都可将用于发现错误的区间宽度重置为零，这样能达到特别高的诊断覆盖率。如果只需要发现错误，就可以视情况将用于发现不良条件的区间表示予以弃用。
根据另一优选实施方式，除了上述检查随机错误的安全措施之外，还对SPS的浮点单元进行针对系统错误的周期性自检测。
根据另一优选实施方式，进一步通过反码或算术码将区间参数编码后予以存储，并在每次处理之前将其完全解码。
根据另一优选实施方式(基于区间已重置，区间中点已被算术编码)，将浮点数的IEEE 754表示的词次序与浮点数区间进行算术编码比较。进行该比较时，不必将经过算术编码的操作数解码。
工程
对自动化系统的工程环境进行扩展，使得编译器能够在F程序的转换过程中产生浮点用户程序的区间阴影。其中，为每个模块产生相应的内部系统模块，这些系统模块包含程序的一区间阴影并将该区间阴影处理成运行时间。
根据一种优选实施方式，在所述工程环境中扩充一项针对所述用户程序进行的预期数字范围内的数值稳定性检查。通过这种方式，用户就能检查程序运行时数值是否稳定，或者检查控制装置中的计算错误是否对受控过程的运行构成危害。
本发明的整体理念如下：
●对工程环境进行专门扩展，以便产生包含区间映射的浮点用户程序，
●扩展运行时间环境，以便对浮点用户程序的区间阴影进行处理，
●进行至少一次故障安全相关一致性检查，以便发现错误。
所述方法首次提供了一种在单信道硬件上对浮点数实施保护的可能性，可以在运行时间环境中以可接受的效率做到这一点。由此，本发明特别是在运动控制和过程自动化的应用领域提供了可以实现更高级的新安全功能的解决方案。与借助算术码来保护浮点数的方案相比，本发明的优点是更容易实现。此外，本发明的解决方案与硬件的细节无关。
通过对工程进行扩展，可对正在处理浮点数的用户程序的数值稳定性进行评估。传统技术无法为用户提供这类支持。
工程扩展也可应用于故障安全型软件以外的领域，并为用户提供程序编写方面的支持。
最后，本发明的方法提供了用于故障安全型计算的浮点运算，而不必放弃硬件无关性方面的优点，也不必使基本处理器的设计自由度受到限制。相反，本发明的方法实现了与Distributed Safety软件的现有软件多样性理念的无缝结合。
本发明的方法使受保护的阴影运算比原始运算更为全面。但与相应采用假想算术编码的浮点运算相比，本发明的方法又容易得多。
附图说明
下面借助实施例对本发明进行说明，其中：
图1为计算过程示意图；
图2为一个用浮点数进行计算的实施例；以及
图3为本发明包括附加检查步骤在内的方法。
具体实施方式
如图1所示，工作过程中所有计算均双重进行。
先以原有形式，再以经过编码器转换的编码形式将操作数输入相应处理器。借助标准浮点运算获得第一计算结果。借助区间浮点运算进行第二计算，以此算出区间阴影。
如前所述，在随后的一致性检查中将获得的计算结果汇总并检查其错误情况。确认计算正确后再输出该计算结果。
图2为按照本发明的方法进行多样性加法运算的实施例：
在本实施例中，x和y是两个需要相加的浮点数操作数。z是相加之和。A是x的区间映射，B是y的区间映射，C是z的区间映射。符号E是机器精度(根据IEEE 754，32位浮点数的ε＝5.960464x10-8)。
一致性检查对区间表示的多样性进行评估以便发现错误。
在针对区间宽度是否处于允许范围所进行的一致性检查中，Crad的阈值是一个与要求诊断覆盖率及运算相关的值，这个值处于机器精度的数量级。由这个阈值的大小确定可接受的失真程度。
通过上述检查既能发现爆发性的取整错误(由数据或算法的不良数值条件引起)，也能发现硬件或软件故障所引起的危险失真。也可以将注意力完全集中在危险失真的发现上。
将实时(运行时间)环境与工程组件整合在一起是有利的。图3中，区间运算与算术码相结合以便在数据传输过程中保护数据。将待计算区间(编码区间Ac和Bc)解码并进行一致性检查。如检查结果为“不一致”，就让系统停止工作(F-STOP)。否则就借助解码后的区间(A、B)进行区间算术运算。随后对结果(区间C)重新进行检查，并在结果正确的情况下将其重新编码(编码区间Cc)。
所述整合例如还涉及对数据类型为REAL的传感器数据进行安全耦合，对数据类型为REAL的执行器数据进行安全输出以及与常用总线协议(Profibus或Profinet)的耦合。
Claims (15)
1.一种在自动化系统内于程序运行期间实时进行故障安全型硬件无关浮点运算的方法，其中，
根据至少两个浮点数的原始数据(x，y)，在形式为浮点表示的第一计算中通过标准浮点运算测定第一结果(z)，以及
将所述至少两个浮点表示的原始数据(x，y)分别转换为相应的浮点区间表示A＝<a,arad>,B＝<b,brad>，以及
根据所述至少两个已转换为浮点区间表示的数据，进行与所述第一计算同时进行的第二计算，
所述第二计算测定结果区间C＝<c,crad>，
其中，借助所述第二计算的结果区间C＝<c,crad>来检查所述第一计算的第一结果(z)是否存在错误计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述浮点区间由中点(c)和半径(crad)定义。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述浮点区间由最小值和最大值定义。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
检查所述第一结果(z)是否处于由所述第二计算的结果区间内。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
由所述第二计算的结果区间C＝<c,crad>具有允许的区间宽度。
6.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
通过操作数相关测试进行所述检查。
7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
待测试的安全参数可选和/或可量化。
8.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
实施第一检查，用于借助第一区间表示来保证故障安全型计算，以及实施第二检查，用于借助第二区间表示来检查数值条件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
将所述检查的结果记入单独的检查报告。
10.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
进一步对计算单元进行周期性自检测。
11.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
进一步将所述至少两个已转换为浮点区间表示的数据通过反码或AN算术码进行编码后予以存储。
12.一种用于实施根据权利要求1至11中任一项权利要求所述的方法的装置，其特征在于，
所述装置包括自动化系统的工程环境和用于进行故障安全型浮点运算的处理器。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，
为用户程序产生相应的区间映射，所述区间映射包含所述已转换为相应的浮点区间表示的数据。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，
所述装置包含：
用于接收编码区间的构件，以及
用于对已接收区间进行解码(Decodieren)的构件，以及
用于对已解码区间(A，B)进行检查(Prüfung)的构件，以及
用于将新算出的区间(C)编码(Codieren)成编码区间(Cc)的构件。
15.根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，
可与总线协议耦合。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20141126 Termination date: 20170803 |
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