CN102955427A - 互联纠错式三模冗余控制系统及仲裁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互联纠错式三模冗余控制系统及仲裁方法，涉及冗余控制系统领域，该控制系统包括三个通道，每个通道包括顺次相连的输入单元、互联纠错单元、逻辑判断单元和输出单元，每个互联纠错单元包括两个UART接口，两个UART接口分别连另外两个互联纠错单元中的一个UART接口，每个互联纠错单元均得到所有输入信息并进行仲裁，将仲裁结果发送到本通道的逻辑判断单元，其将输出要求发送到本通道的输出单元，三个输出单元均将输出信息发送到仲裁单元，仲裁单元输出最终信息。本发明能屏蔽任一通道中输入单元的故障，任一通道的输入单元发生故障时仍能输出正确结果，提高通道的可靠性，从而提高整个冗余控制系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及冗余控制系统领域，特别是涉及一种互联纠错式三模冗余控制系统及仲裁方法。
背景技术
在对安全性要求较高的工业控制领域，冗余技术是广泛采用以提高控制系统可靠性和安全性的手段之一。冗余控制系统以信息、结构、功能和时间的冗余为代价，换取发生某些故障时系统输出的正确性。冗余技术中最常用的是包括N个通道的N模冗余控制方案，N为正整数，所有输入信息同时输入N个相互独立的通道，各通道独立进行判断，所有通道均输出信号到仲裁单元（或称符合单元），由仲裁单元得到最终输出结果。受到控制系统成本和复杂度的限制，实际应用中通常取N=3，即采用三模冗余控制系统，三模冗余控制系统能以较高可靠性保证最终输出的正确性。
参见图1所示，现有的三模冗余控制系统中包括相互独立的第一通道、第二通道和第三通道，第一通道包括顺次相连的第一输入单元（传感器、驱动器、信号调理器等）、第一逻辑判断单元、第一输出单元（信号转换单元、驱动元件等），第二通道包括顺次相连的第二输入单元（传感器、驱动器、信号调理器等）、第二逻辑判断单元、第二输出单元（信号转换单元、驱动元件等），第三通道包括顺次相连的第三输入单元（传感器、驱动器、信号调理器等）、第三逻辑判断单元、第三输出单元（信号转换单元、驱动元件等），第一输出单元、第二输出单元、第三输出单元均与仲裁单元相连。各独立通道在内部结构上均采用串联形式，任何一个通道中的任何一个单元发生故障，都会导致该通道功能失效，将错误的信息输出至仲裁单元，只能依靠另外两个独立通道完全正确的信息，仲裁单元才能屏蔽所接收的错误信息，得到最终的正确信息输出，从而影响整个冗余控制系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种互联纠错式三模冗余控制系统及仲裁方法，能够屏蔽任意一个通道中输入单元的故障，在任意一个通道的输入单元发生故障的情况下，仍然能够输出正确结果，提高任意一个独立通道的可靠性，从而提高整个冗余控制系统的可靠性。
本发明提供的互联纠错式三模冗余控制系统，包括相互独立的第一通道、第二通道、第三通道，所述第一通道包括顺次相连的第一输入单元、第一互联纠错单元、第一逻辑判断单元和第一输出单元，第二通道包括顺次相连的第二输入单元、第二互联纠错单元、第二逻辑判断单元和第二输出单元，第三通道包括顺次相连的第三输入单元、第三互联纠错单元、第三逻辑判断单元和第三输出单元，第一输出单元、第二输出单元、第三输出单元均与仲裁单元相连；
所述第一互联纠错单元包括第一UART接口和第二UART接口，第二互联纠错单元包括第三UART接口和第四UART接口，第三互联纠错单元包括第五UART接口和第六UART接口，第一UART接口与第四UART接口相连，第二UART接口与第五UART接口相连，第三UART接口与第六UART接口相连；
所有输入信息同时送至各个独立通道中的输入单元，各输入单元将输入信息转换后送至本通道中的互联纠错单元；三个通道的互联纠错单元均接收本通道输入单元发来的输入信息，并通过该互联纠错单元内部的两个UART接口将该输入信息发送至另外两个通道，同时也通过该互联纠错单元内部的两个UART接口接收另外两个通道的输入信息，实现与另外两个通道的双向通信，每个通道的互联纠错单元均得到三个通道的所有输入信息，三个通道中的互联纠错单元都对三个通道的所有输入信息进行软件仲裁，将得到的软件仲裁结果发送到本通道的逻辑判断单元，三个通道中的逻辑判断单元按照控制系统的功能要求和本通道互联纠错单元发来的软件仲裁结果，将本通道的输出要求发送到本通道的输出单元，三个通道的输出单元均将输出信息发送到控制系统的仲裁单元，仲裁单元输出最终信息。
在上述技术方案中，所述输入信息包括数字开关量和/或模拟量。
在上述技术方案中，所述数字开关量通过数字1、0来表示高电平、低电平或者线路的通、断。
在上述技术方案中，所述模拟量通过数值表示连续的量。
在上述技术方案中，所述三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的数字开关量进行软件仲裁的方法为：在三个通道输入的数字开关量中，至少有2个通道输入的数字开关量相同，各互联纠错单元将至少2个通道输入的相同数字开关量作为软件仲裁结果。
在上述技术方案中，若互联纠错单元所在通道输入的数字开关量与该互联纠错单元得到的软件仲裁结果不一致，则判定该互联纠错单元所在通道中的输入单元发生故障。
在上述技术方案中，所述三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的模拟量进行软件仲裁的方法为：各互联纠错单元对三个通道输入的模拟量的数值按照数值大小进行排序，分别得到输入模拟量数值的最大值、中间值和最小值，分别计算出最大值与中间值的差值Δ1和中间值与最小值的差值Δ2：Δ1=最大值-中间值，Δ2=中间值-最小值；
根据各通道要求的输入精度，调整模拟量的输入误差Δ，各互联纠错单元分别比较Δ1与Δ的大小、Δ2与Δ的大小，包括以下4种结果：
（1）若Δ1<Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定三个通道输入的模拟量均正常，将三个通道输入的模拟量数值的平均值作为软件仲裁结果；
（2）若Δ1<Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最小值的通道发生故障，将最大值与中间值的平均值作为软件仲裁结果；
（3）若Δ1>Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定输入最大值的通道发生故障，将中间值与最小值的平均值作为软件仲裁结果；
（4）若Δ1>Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最大值、最小值的通道均发生故障，将中间值作为软件仲裁结果。
本发明还提供一种基于上述控制系统的互联纠错式三模冗余控制输入信息仲裁方法，所述输入信息包括数字开关量和/或模拟量，包括以下步骤：
三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的数字开关量进行软件仲裁的方法为：在三个通道输入的数字开关量中，至少有2个通道输入的数字开关量相同，各互联纠错单元将至少2个通道输入的相同数字开关量作为软件仲裁结果；
三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的模拟量进行软件仲裁的方法为：各互联纠错单元对三个通道输入的模拟量的数值按照数值大小进行排序，分别得到输入模拟量数值的最大值、中间值和最小值，分别计算出最大值与中间值的差值Δ1和中间值与最小值的差值Δ2：Δ1=最大值-中间值，Δ2=中间值-最小值；
根据各通道要求的输入精度，调整模拟量的输入误差Δ，各互联纠错单元分别比较Δ1与Δ的大小、Δ2与Δ的大小，包括以下4种结果：
（1）若Δ1<Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定三个通道输入的模拟量均正常，将三个通道输入的模拟量数值的平均值作为软件仲裁结果；
（2）若Δ1<Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最小值的通道发生故障，将最大值与中间值的平均值作为软件仲裁结果；
（3）若Δ1>Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定输入最大值的通道发生故障，将中间值与最小值的平均值作为软件仲裁结果；
（4）若Δ1>Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最大值、最小值的通道均发生故障，将中间值作为软件仲裁结果。
在上述技术方案中，若互联纠错单元所在通道输入的数字开关量与该互联纠错单元得到的软件仲裁结果不一致，则判定该互联纠错单元所在通道中的输入单元发生故障。
在上述技术方案中，所述数字开关量通过数字1、0来表示高电平、低电平或者线路的通、断；所述模拟量通过数值表示连续的量。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明在三个通道的输入单元与逻辑判断单元之间各增加一个互联纠错单元，在每个互联纠错单元中设置两个互联通信的UART接口，使三个通道中的互联纠错单元均能接收三个通道的所有输入信息，再以软件方式对三个通道的所有输入信息进行仲裁，能够屏蔽任意一个通道中输入单元的故障，即任意一个独立通道在自身的输入单元发生故障的情况下，仍然能够输出正确结果，提高任意一个独立通道的可靠性，从而提高整个冗余控制系统的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中三模冗余控制系统的结构框图。
图2是本发明实施例互联纠错式三模冗余控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种互联纠错式三模冗余控制系统，包括相互独立的第一通道、第二通道、第三通道，第一通道包括顺次相连的第一输入单元、第一互联纠错单元、第一逻辑判断单元和第一输出单元，第二通道包括顺次相连的第二输入单元、第二互联纠错单元、第二逻辑判断单元和第二输出单元，第三通道包括顺次相连的第三输入单元、第三互联纠错单元、第三逻辑判断单元和第三输出单元，第一输出单元、第二输出单元、第三输出单元均与仲裁单元相连；第一互联纠错单元包括第一UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器）接口和第二UART接口，第二互联纠错单元包括第三UART接口和第四UART接口，第三互联纠错单元包括第五UART接口和第六UART接口，第一UART接口与第四UART接口相连，实现双向通信，第二UART接口与第五UART接口相连，实现双向通信，第三UART接口与第六UART接口相连，实现双向通信。
输入信息包括数字开关量和/或模拟量，数字开关量一般通过数字1、0来表示高电平、低电平或者线路的通、断，模拟量一般通过数值表示电压值或电流值等连续的量。所有输入信息同时送至各个独立通道中的输入单元，各输入单元将输入信息转换后送至本通道中的互联纠错单元；三个通道的互联纠错单元均接收本通道输入单元发来的输入信息，并通过该互联纠错单元内部的两个UART接口将该输入信息发送至另外两个通道，同时也通过该互联纠错单元内部的两个UART接口接收另外两个通道的输入信息，实现与另外两个通道的双向通信，每个通道的互联纠错单元均得到三个通道的所有输入信息，三个通道中的互联纠错单元都对三个通道的所有输入信息进行软件仲裁。
各互联纠错单元对输入信息中的数字开关量进行软件仲裁的方法为：参见表1所示，在三个通道输入的数字开关量中，至少有2个通道输入的数字开关量相同，各互联纠错单元将至少2个通道输入的相同数字开关量作为软件仲裁结果，若互联纠错单元所在通道输入的数字开关量与该互联纠错单元得到的软件仲裁结果不一致，则判定该互联纠错单元所在通道中的输入单元发生故障。
表1、数字开关量仲裁表
各互联纠错单元对输入信息中的模拟量进行软件仲裁的方法为：
各互联纠错单元对三个通道输入的模拟量的数值按照数值大小进行排序，分别得到输入模拟量数值的最大值、中间值和最小值，分别计算出最大值与中间值的差值Δ1和中间值与最小值的差值Δ2，即：Δ1=最大值-中间值，Δ2=中间值-最小值；
根据各通道要求的输入精度，调整模拟量的输入误差Δ，各互联纠错单元分别比较Δ1与Δ的大小、Δ2与Δ的大小，包括以下4种结果：
（1）若Δ1<Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定三个通道输入的模拟量均正常，将三个通道输入的模拟量数值的平均值作为软件仲裁结果；
（2）若Δ1<Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最小值的通道发生故障，将最大值与中间值的平均值作为软件仲裁结果；
（3）若Δ1>Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定输入最大值的通道发生故障，将中间值与最小值的平均值作为软件仲裁结果；
（4）若Δ1>Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最大值、最小值的通道均发生故障，将中间值作为软件仲裁结果。
三个通道中的互联纠错单元都对三个通道的所有输入信息进行软件仲裁后，将得到的软件仲裁结果发送到本通道的逻辑判断单元，三个通道中的逻辑判断单元按照控制系统的功能要求和本通道互联纠错单元发来的软件仲裁结果，将本通道的输出要求发送到本通道的输出单元，三个通道的输出单元均将输出信息发送到控制系统的仲裁单元，仲裁单元输出最终信息。
假设第一通道中第一输入单元发生故障，则第一通道中第一互联纠错单元得到第一输入单元发来的错误输入信息，但同时也通过第一互联纠错单元中的第一UART接口和第二UART接口实现双向通信，得到另外两个通道发来的正确输入信息。第一互联纠错单元对三路输入信息进行软件仲裁，判定第一通道中第一输入单元发生故障，从而根据另外两个通道的正确输入信息来屏蔽第一通道中第一输入单元的错误输入信息，将正确输入信息发送到第一输出单元。因此，即使第一通道中第一输入单元发生故障，第一通道中第一互联纠错单元发送到仲裁单元的信息仍然正确。
软件仲裁过程中，若发生任何互联通讯故障（即使只有一个UART接口故障），将不作任何仲裁，直接将本通道中输入单元发来的信息发送到本通道中的逻辑判断单元，此时本方案等效为现有的三模冗余控制系统。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种互联纠错式三模冗余控制系统，包括相互独立的第一通道、第二通道、第三通道，其特征在于：所述第一通道包括顺次相连的第一输入单元、第一互联纠错单元、第一逻辑判断单元和第一输出单元，第二通道包括顺次相连的第二输入单元、第二互联纠错单元、第二逻辑判断单元和第二输出单元，第三通道包括顺次相连的第三输入单元、第三互联纠错单元、第三逻辑判断单元和第三输出单元，第一输出单元、第二输出单元、第三输出单元均与仲裁单元相连；
所述第一互联纠错单元包括第一UART接口和第二UART接口，第二互联纠错单元包括第三UART接口和第四UART接口，第三互联纠错单元包括第五UART接口和第六UART接口，第一UART接口与第四UART接口相连，第二UART接口与第五UART接口相连，第三UART接口与第六UART接口相连；
所有输入信息同时送至各个独立通道中的输入单元，各输入单元将输入信息转换后送至本通道中的互联纠错单元；三个通道的互联纠错单元均接收本通道输入单元发来的输入信息，并通过该互联纠错单元内部的两个UART接口将该输入信息发送至另外两个通道，同时也通过该互联纠错单元内部的两个UART接口接收另外两个通道的输入信息，实现与另外两个通道的双向通信，每个通道的互联纠错单元均得到三个通道的所有输入信息，三个通道中的互联纠错单元都对三个通道的所有输入信息进行软件仲裁，将得到的软件仲裁结果发送到本通道的逻辑判断单元，三个通道中的逻辑判断单元按照控制系统的功能要求和本通道互联纠错单元发来的软件仲裁结果，将本通道的输出要求发送到本通道的输出单元，三个通道的输出单元均将输出信息发送到控制系统的仲裁单元，仲裁单元输出最终信息。
2.如权利要求1所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：所述输入信息包括数字开关量和/或模拟量。
3.如权利要求2所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：所述数字开关量通过数字1、0来表示高电平、低电平或者线路的通、断。
4.如权利要求2所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：所述模拟量通过数值表示连续的量。
5.如权利要求2所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：所述三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的数字开关量进行软件仲裁的方法为：在三个通道输入的数字开关量中，至少有2个通道输入的数字开关量相同，各互联纠错单元将至少2个通道输入的相同数字开关量作为软件仲裁结果。
6.如权利要求5所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：若互联纠错单元所在通道输入的数字开关量与该互联纠错单元得到的软件仲裁结果不一致，则判定该互联纠错单元所在通道中的输入单元发生故障。
7.如权利要求2所述的互联纠错式三模冗余控制系统，其特征在于：所述三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的模拟量进行软件仲裁的方法为：各互联纠错单元对三个通道输入的模拟量的数值按照数值大小进行排序，分别得到输入模拟量数值的最大值、中间值和最小值，分别计算出最大值与中间值的差值Δ1和中间值与最小值的差值Δ2：Δ1=最大值-中间值，Δ2=中间值-最小值；
根据各通道要求的输入精度，调整模拟量的输入误差Δ，各互联纠错单元分别比较Δ1与Δ的大小、Δ2与Δ的大小，包括以下4种结果：
（1）若Δ1<Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定三个通道输入的模拟量均正常，将三个通道输入的模拟量数值的平均值作为软件仲裁结果；
（2）若Δ1<Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最小值的通道发生故障，将最大值与中间值的平均值作为软件仲裁结果；
（3）若Δ1>Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定输入最大值的通道发生故障，将中间值与最小值的平均值作为软件仲裁结果；
（4）若Δ1>Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最大值、最小值的通道均发生故障，将中间值作为软件仲裁结果。
8.一种基于权利要求1至7中任一项所述控制系统的互联纠错式三模冗余控制输入信息仲裁方法，所述输入信息包括数字开关量和/或模拟量，其特征在于，包括以下步骤：
三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的数字开关量进行软件仲裁的方法为：在三个通道输入的数字开关量中，至少有2个通道输入的数字开关量相同，各互联纠错单元将至少2个通道输入的相同数字开关量作为软件仲裁结果；
三个通道中的互联纠错单元对输入信息中的模拟量进行软件仲裁的方法为：各互联纠错单元对三个通道输入的模拟量的数值按照数值大小进行排序，分别得到输入模拟量数值的最大值、中间值和最小值，分别计算出最大值与中间值的差值Δ1和中间值与最小值的差值Δ2：Δ1=最大值-中间值，Δ2=中间值-最小值；
根据各通道要求的输入精度，调整模拟量的输入误差Δ，各互联纠错单元分别比较Δ1与Δ的大小、Δ2与Δ的大小，包括以下4种结果：
（1）若Δ1<Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定三个通道输入的模拟量均正常，将三个通道输入的模拟量数值的平均值作为软件仲裁结果；
（2）若Δ1<Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最小值的通道发生故障，将最大值与中间值的平均值作为软件仲裁结果；
（3）若Δ1>Δ且Δ2<Δ，互联纠错单元判定输入最大值的通道发生故障，将中间值与最小值的平均值作为软件仲裁结果；
（4）若Δ1>Δ且Δ2>Δ，互联纠错单元判定输入最大值、最小值的通道均发生故障，将中间值作为软件仲裁结果。
9.如权利要求8所述的互联纠错式三模冗余控制输入信息仲裁方法，其特征在于：若互联纠错单元所在通道输入的数字开关量与该互联纠错单元得到的软件仲裁结果不一致，则判定该互联纠错单元所在通道中的输入单元发生故障。
10.如权利要求9所述的互联纠错式三模冗余控制输入信息仲裁方法，其特征在于：所述数字开关量通过数字1、0来表示高电平、低电平或者线路的通、断；所述模拟量通过数值表示连续的量。
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