CN102749890B - 一种dcs控制模块的冗余方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种DCS控制模块的冗余方法，主要应用于工业控制设备的技术领域。本发明要解决的技术问题是提供一种DCS控制模块的冗余方法,采用1:1冗余，目的就是为了当组件中有一控制模块发生故障时能自动切换，从而保证组件的可靠运行。本发明系统控制模块支持两个冗余模式，当其中一个系统控制模块出现故障时能够自动切换到另一个热备状态的系统控制模块进行工作，继续确保I/O输入输出通道的正常工作，极大地提高系统的稳定性。

Description

一种DCS控制模块的冗余方法
技术领域
  本发明涉及一种DCS控制模块的冗余方法，属于工业自动化领域。
背景技术
DCS是分散控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
集散控制系统主要由三大部分组成：分散过程控制装置、操作管理装置及通讯系统用来提供分散过程控制装置与操作管理装置之间的数据传递和交换。在分散过程控制装置中，是将生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波和一些运算。分散过程控制装置的工作原理为：现场检测设备从现场采集来的信号经I/O单元的A/D转换，通过 I/O总线把数据传到过程接口控制器（PIC），在过程站（PCS）需要时，PIC沿现场总线把数据发送到PCS的现场总线控制器（FBC），FBC对接收到的信号进行滤波和线性化，然后发送到PCS的CPU。PCS的CPU依照系统组态对数据进行处理和运算，并发送所需的数据到网络连接单元（NCU）。
集散控制系统的特点之一是可靠性，采用系统结构上的冗余配置来实现。在分散过程控制装置中，一般采用过程站（PCS）的CPU控制冗余配置和网络连接单元（NCU）的冗余配置来实现，但并没有实现现场总线控制器（FBC）的冗余配置。而现场总线控制器是集散控制系统最基层的控制点，一旦故障导致I/O单元无法采集现场数据，特别是现在一般I/O单元是集成8-16路的，直接导致现场8-16路信号无法工作，后果可想而知。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种DCS控制模块的冗余方法, 采用1:1冗余，目的就是为了当组件中有一控制模块发生故障时能自动切换，从而保证组件的可靠运行。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是： 
控制模块主从设置机制，将两个控制模块通过数据同步电路完成实时数据同步；
上电时刻检测主从控制模块机制，控制模块一引脚设置成输入IO，通过采集电路，当引脚检测到为低电平，则认为是主控制模块，检测到为高电平，则认为是从控制模块；
控制模块检测对方控制模块存在的机制，用读IO电平，并在定时器中断中每隔一定时间判断一次机制，首先控制模块的一引脚设置成为输入IO，另一引脚设置成为输出IO，并且一直输出低电平，当控制模块的一引脚上检测到的为高电平，则认为对方控制模块不存在，当控制模块的一引脚上检测到的为低电平，则认为对方控制模块存在；
控制模块检测谁先存在机制，控制模块上电后延时几秒，然后在指定时间内等待接收对方发来的状态命令，如果能连续几次接收到数据，那么检测到了对方比自己先存在，置起相应的标志；如果这几秒时间内没有收到任何数据，那么就认为自己先存在。
所述DCS控制模块的冗余方法，其特征在于所述的控制模块检测对方控制模块存在的机制，采用外部中断触发机制，控制模块的一引脚设置成外部中断，采用沿变化触发，另一引脚设置成输出IO，并且一直输出低电平，当控制模块的一引脚上检测到有下降沿产生，则认为对方控制模块插入了，当控制模块的一引脚上检测到有上升沿产生，则认为对方控制模块拔掉了。
 所述的控制模块检测对方控制模块存在的机制，采用外部中断触发机制， 控制模块的一引脚设置成外部中断，采用沿变化触发，另一引脚设置成输出IO，并且输出一定频率的方波，波形产生采用CPU内部的定时器定时设置波形的周期，然后控制GPIO口数据，当控制模块的一引脚上检测到方波，则认为对方控制模块插入了，当控制模块的一引脚上没有检测到方波，则认为对方控制模块拔掉了。
所述DCS控制模块的冗余方法，其特征在于所述的方波频率值分别为：200Hz、100Hz、40Hz、25Hz。
本发明系统控制模块支持两个冗余模式，当其中一个系统控制模块出现故障时能够自动切换到另一个热备状态的系统控制模块进行工作，继续确保I/O 输入输出通道的正常工作，极大地提高系统的稳定性。主系统控制模块和备份系统控制模块能够自动实现实时数据交换和自身状态诊断，确保运行状态同步，实现无扰动切换，当两控制模块同时上电，能确保一主一从可靠运行；一控制模块先上电，另一控制模块后上电，运行过程中，先上电的抢到主，后上电的自动轮为从，确保一主一从可靠运行；一主一从运行过程中，主一方有故障发生时，能在短时间内无扰切换到从并提供出错报警，从一方能自动切换到主，确保一主一从可靠运行，当排除了故障一方(故障检修时不一定要停电检修)，其自动轮为从；一主一从运行过程中，拔掉主一方，从能在短时间内无扰切换到就主，拔掉从一方，主一方不受任何影响，确保一主一从可靠运行。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2和图3为图1的局部示意图。
具体实施方式
本发明的DCS控制模块的冗余方法如下：
如图1所示，先完成控制模块主从设置机制，包括第一控制模块1和第二控制模块2，每个控制模块主控单元核心部件为工业级嵌入式32位的微处理器，它构成控制模块的数据运算处理单元。如图2所示，微处理器通过集成总线接口3连接各种I/O模块，自动完成对I/O模块的轮询及数据输出，独立完成信号调理算法及简单控制算法，减轻主控单元运算负荷。自动实施监测各通讯接口以及自身的工作状态，一旦发现故障及时完成切换动作。
微处理器通过集成两路网络接口4, 网络接口采用CAN网络控制器，以中断方式发送和接收控制网的实时数据。
如图3所示，两个控制模块通过设置数据同步电路5连接两个控制模块完成实时数据同步保证冗余切换操作的可靠性，其中连接串口0实现数据通信。
微处理器进行自诊断和状态检测，将诊断检测结果通过模块指示灯6进行指示，并通过网络将状态上传。
控制模块主从机制完设置成后，当组件中有一控制模块发生故障时能自动切换，从而保证组件的可靠运行。其方法包括下面一种或几种：
1、上电时刻检测主从控制模块机制
如图3所示， 在控制模块I/O1引脚下拉电阻R1，所述R1大小为4.7K，另控制模块I/O1引脚上拉电阻R2，所述R2大小为10K，控制模块的一个I/O1引脚设置成为输入I/O，如果I/O1引脚检测到为低电平，则认为是主控制模块。如果I/O1引脚检测到为高电平，则认为是从控制模块。
2、控制模块检测对方控制模块存在的机制
如图3所示，采用读I/O电平，并在定时器中断中每隔20ms判断一次机制，首先控制模块的I/O2引脚设置成为输入I/O，I/O3引脚设置成为输出I/O，
并且一直输出低电平。当控制模块的I/O2引脚上检测到的为高电平(上拉电阻的存在)，则认为对方控制模块不存在。控制模块的I/O2引脚上检测到的为低电平，则认为对方控制模块存在。
 3、控制模块检测谁先存在机制
如图2所示，控制模块上电后延时几秒，然后有1S内等待接收对方发来的状态命令，如果能连续3次接收到数据，那么检测到了对方比自己先存在，置起相应的标志；如果这1S内没有收到任何数据，那么就认为自己先存在。而对于先上电的控制模块，当发现有另一控制模块出现后，立刻发起状态命令 (这个检测到存在到发完3遍状态命令必须在另一控制模块上电后也检测到)。
作为本发明的进一步优选方案，所述的控制模块检测对方控制模块存在的机制，采用外部中断触发机制，硬件上I/O2可以设置成外部中断，采用沿变化触发，I/O3设置成输出I/O，并且一直输出低电平。当控制模块的I/O2引脚上检测到有下降沿产生，则认为对方控制模块插入了。当控制模块的I/O2引脚上检测到有上升沿产生，则认为对方控制模块拔掉了。
作为本发明的又进一步优选方案，硬件上I/O2可以设置成外部中断，采用沿变化触发，I/O3设置成输出I/O，并且输出一定频率的方波，比如50Hz，波形产生可采用CPU内部的定时器定时设置波形的周期，然后控制I/O口数据即可。当控制模块的I/O2引脚上检测到50Hz的方波，则认为对方控制模块插入了。  当控制模块的I/O2引脚上没有检测到50Hz的方波(可能检测到别的固定频率的波形，或者是频率变化的波形，或者一直是高，或者一直是低)，则认为对方控制模块拔掉了。所述的方波频率值分别为：200Hz、100Hz、40Hz、25Hz。其中，200Hz 表示CNet链路故障的频率值；100Hz表示SBUS链路故障的频率值；40Hz表示一切都正常的频率值；25Hz表示E2P故障的频率值；当控制模块的I/O2引脚上检测到频率值时，根据不同的频率判断对方控制模块的存在并处于什么状态。  当控制模块的I/O2引脚上没有检测到如上几种频率，则认为对方不存在或者损坏。

Claims (4)

1.一种DCS控制模块的冗余方法，其特征在于所述的冗余方法包括：
      控制模块主从设置机制，将两个控制模块通过数据同步电路完成实时数据同步；
      上电时刻检测主从控制模块机制，控制模块一引脚设置成输入IO，通过采集电路，当引脚检测到为低电平，则认为是主控制模块，检测到为高电平，则认为是从控制模块；
控制模块检测对方控制模块存在的机制，用读IO电平，并在定时器中断中每隔一定时间判断一次机制，首先控制模块的一引脚设置成为输入IO，另一引脚设置成为输出IO，并且一直输出低电平，当控制模块的一引脚上检测到的为高电平，则认为对方控制模块不存在，当控制模块的一引脚上检测到的为低电平，则认为对方控制模块存在；
控制模块检测谁先存在机制，控制模块上电后延时几秒，然后在指定时间内等待接收对方发来的状态命令，如果能连续几次接收到数据，那么检测到了对方比自己先存在，置起相应的标志，如果这几秒时间内没有收到任何数据，那么就认为自己先存在。
2.根据权利要求1所述DCS控制模块的冗余方法，其特征在于：所述的控制模块检测对方控制模块存在的机制，采用外部中断触发机制，控制模块的一引脚设置成外部中断，采用沿变化触发，另一引脚设置成输出IO，并且一直输出低电平，当控制模块的一引脚上检测到有下降沿产生，则认为对方控制模块插入了，当控制模块的一引脚上检测到有上升沿产生，则认为对方控制模块拔掉了。
3.根据权利要求1所述DCS控制模块的冗余方法，其特征在于：所述的控制模块检测对方控制模块存在的机制，采用外部中断触发机制， 控制模块的一引脚设置成外部中断，采用沿变化触发，另一引脚设置成输出IO，并且输出一定频率的方波，波形产生采用CPU内部的定时器定时设置波形的周期，然后控制GPIO口数据，当控制模块的一引脚上检测到方波，则认为对方控制模块插入了，当控制模块的一引脚上没有检测到方波，则认为对方控制模块拔掉了。
4.根据权利要求3所述DCS控制模块的冗余方法，其特征在于：所述的方波频率值分别为：200Hz、100Hz、40Hz、25Hz。
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