CN103064368A - 一种Profibus-DP现场总线冗余控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Probus-DP现场总线冗余控制器，包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；通过主备角色判断、实时数据备份和交换主控权，实现了工作控制器和备用控制器的无扰动数据切换，保证控制系统整体稳定运行。其主备切换时间可达到132us，体现了该现场总线控制器冗余设计的先进性。

Description

一种Profibus-DP现场总线冗余控制器

技术领域

本发明属于现场总线冗余技术领域，涉及一种Profibus-DP现场总线冗余控制器。

背景技术

冗余通常指通过配置多重备份来增加系统的可靠性。对于当前主流现场总线控制器而言，在考虑性价比的基础上一般采用1:1备份方式，即在一个控制站内配置两个互为备用、可以无扰动切换的控制器。冗余配置其实质是两台控制器都在工作，切换时只不过是交换主控权，理想设计目标是能够达到零秒切换。

尽管各个现场总线控制系统厂家都在尽力追求零秒切换这个理想设计目标，但实际却很难实现，只能尽量减小。因此切换时间就成为衡量现场总线冗余控制器先进性的一项标准，体现了控制器设计的先进性。控制器冗余性能主要体现在两点，一是互为备用，增加可靠性；二是无扰切换，体现技术先进性。

当前火力发电机组控制领域中，国产Profibus现场总线控制系统其控制器冗余性能不高，主要依赖进口控制系统，造成的控制器产品选型局限性大、增加成本。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种Profibus-DP现场总线冗余控制器，其控制器采用1:1冗余配置，可实现工作状态下的数据无扰动切换，保证控制系统整体稳定运行。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种Profibus-DP现场总线冗余控制器，包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；

当任意一块控制器上电后，其IN1发出高电平信号1，通过底板插槽接入另外一块控制器，使其得到信号OUT1=0，该控制器得知其相对的控制器存在；

两块控制器中任意一块的输出信号：自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3，通过底板插槽分别与另外一块的输入信号：相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起，结合IN1、OUT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；

在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器周期性接收工作控制器发来的备份数据；

当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号OUT2=1的故障信号和自身角色信号OUT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通信调度任务。

所述的两个控制器均包括嵌入式微处理器，以及分别与其相连接的存储器电路、复位电路、接口电路和主备冗余电路；

所述的主备冗余电路包括DPRAM电路和冗余逻辑控制器；

两块控制器的DPRAM电路通过底板插槽上的DPRAM接口相连接，工作控制器将与时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；

任意一块控制器上电后嵌入式微处理器发出上升沿脉冲IN1信号，通过底板插槽上设置的非门发送OUT1=0的信号，表示相对控制器存在；冗余逻辑控制器通过控制自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3的发出，并与相对控制器的状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起。

冗余逻辑控制器的逻辑真值的设置为：

本控制器存在否，0：存在，1：不存在；

本控制器状态，0：正常，1：故障；

相对控制器存在否，0：存在，1：不存在；

相对控制器状态，0：正常，1：故障；

相对控制器角色，0：工作控制器，1：备用控制器；

本控制器角色，0：工作控制器，1：备用控制器；

当只插入一块控制器时，强制令即相对控制器故障，相对控制器为备用控制器。

冗余逻辑控制器对控制自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3的发出为：

当本控制器上电后，如果本控制器状态为正常，嵌入式微处理器发出低电平，获得输出OUT2=0；并通过译码器向与非门的输入条件1=1；

嵌入式微处理器发出上升沿脉冲至D触发器时钟端，使D触发器输出/Q=0，经过非门后获得与非门的输入条件2=1；

相对控制器角色为备用控制器时，获得与非门的输入条件3=1。

上述三个条件，获得输出OUT3=0，本控制器状态为工作控制器；

当本控制器上电后，如果本控制器状态为故障，嵌入式微处理器无法工作，无法持续发出低电平，获得输出OUT2=1，并通过译码器向与非门的输入条件1=0，获得输出OUT3=1，本控制器状态为备用控制器。

所述的嵌入式微处理器运行操作系统、板级驱动程序，实现底层功能；运行存储器电路上的用户应用程序，实现应用层功能。

所述的内存电路包括分别与嵌入式微处理器连接的Flash电路和内存电路，Flash电路存储用户应用程序，内存电路用于嵌入式微处理器执行用户应用程序。

所述的复位电路采用标准看门狗定时器，在1.6s内WDI端没有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI处于非高阻态，则WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。

所述的接口电路包括：

以太网接口电路，通过冗余以太网接口，与上位计算机通信；

CAN接口电路，通过底板插槽上的冗余CAN接口，与就地I/O控制器件通信。

板控制器由外部5VDC提供总电源，并通过DC/DC直流隔离电路向所有芯片提供工作电源，将外部电源对系统的干扰降至最低。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的Profibus-DP现场总线冗余控制器，通过采用1：1冗余配置，通过主备角色判断、实时数据备份和交换主控权，实现了工作控制器和备用控制器的无扰动数据切换，保证控制系统整体稳定运行；其主备切换时间可达到132us，体现了该现场总线控制器冗余设计的先进性。

附图说明

图1为冗余控制器结构示意图；

图2为相对控制器是否存在信号判断示意图；

图3为控制器主备冗余逻辑示意图；

图4为冗余控制器主备切换响应时间示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所提供的Profibus-DP现场总线冗余控制器（FCS165现场总线冗余控制器），包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；

当任意一块控制器上电后，其IN1发出高电平信号1，通过底板插槽接入另外一块控制器，使其得到信号OUT1=0，该控制器得知其相对的控制器存在；

两块控制器中任意一块的输出信号：自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3，通过底板插槽分别与另外一块的输入信号：相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起，结合IN1、OUT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；

在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器周期性接收工作控制器发来的备份数据；

当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号OUT2=1的故障信号和自身角色信号OUT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通信调度任务。

具体的，Profibus-DP现场总线冗余控制器主要由嵌入式微处理器、存储器电路、复位电路、接口电路和主备冗余电路5个部分组成，硬件电路结构如图1所示。其中：

1、微处理器

微处理器指中央处理器单元——CPU（CPU芯片），用于运行操作系统、板级驱动程序，实现底层功能；运行存储器电路上的用户应用程序，实现应用层功能。

2、存储器电路

存储器电路，包括Flash电路，及内存电路即SDRAM，分别与嵌入式微处理器连接：Flash电路用于存储用户应用程序，SDRAM电路用于嵌入式微处理器高速执行用户应用程序。

3、复位电路

控制器上电复位电路采用标准看门狗定时器实现。如图1所示，1.6s内WDI端没有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI处于非高阻态(一直保持高电平或低电平)，则WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。

4、接口电路

按照与控制器数据交换对象的不同，可以将接口电路分为3类。以太网接口电路、CAN接口电路和DPRAM接口电路。

(1)、以太网接口电路

通过冗余以太网接口，实现与上位计算机软件的数据交换。

(2)、CAN接口电路

通过底板插槽上的冗余CAN接口，实现与常规I/O卡件的数据交换。

(3)、DPRAM接口电路，便于工作控制器和备用控制器的备份，属于主备冗余电路的一部分；工作控制器将与时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；

通过底板插槽上的DPRAM接口，工作控制器将与时间相关的算法功能块数据实时存储在备用控制器的DPRAM中，以保证在发生主备切换后算法功能块运算的正确性。

5、主备冗余电路

主备冗余电路用于判定控制器主备角色，并实现工作控制器向备用控制器的无扰动切换。依靠主备冗余功能增强控制器在实际工业运行环境中的可靠性，最大程度维护控制系统安全、稳定运行；具体的可利用可编程逻辑控制器CPLD设计。

5.1控制器冗余功能

首先判断出工作控制器和备用控制器，再完成从工作控制器到备用控制器的实时数据备份，最后当需要时在最短时间内工作控制器交出主控权，完成主备无扰动切换。上述三点就是对控制器冗余功能比较全面的解读。也一直需要遵守的准则。

其中第一点主备角色判断和第三点交换主控权是通过冗余逻辑硬件电路实现的；第二点则是依托DPRAM接口电路平台实现。

5.2冗余逻辑电路

主备冗余电路设计上分为两个部分。首先是主备角色判断，其功能是对两块控制器哪个是工作（主），哪个是备用（备）做出准确判断；第二部分是工作控制器和备用控制器交换主控权，用于实现主备无扰动切换。具体通过以下判断来实现

（1）相对控制器存在信号

既然同时存在工作控制器和备用控制器，那就必须保证任意一块控制器能够准确获知对方是否存在，这样主、备角色的判断，主控权的交换以及实时数据的备份才有意义。具体使用了相对控制器是否存在信号，做为互为冗余的两块控制器之间的联系条件。

参见图2，相对控制器存在信号获得为：即两块控制器通过底板插槽连接在一起，通过OUT1、IN1信号来获得，其中0为相对控制器存在，1相对控制器不存在；

当任意一块控制器A上电后，其IN1发出高电平信号1（无论主备角色，在上电时上升沿脉冲），通过底板接入另外一块控制器B，使其得到信号OUT1＝0；由此控制器B即得知与其相对的控制器A存在。反之亦然。

（2）主备角色判断

通过冗余逻辑控制器实现控制器主备冗余配置，即在工作过程中工作控制器独立完成通信调度任务，通过CAN接口与常规I/O卡件通信，通过以太网接口与上位机通信。备用控制器处于热备状态，当工作主站发生故障或需要备用控制器承担控制任务时，自动无扰切换到备用控制器继续完成通信任务。

具体的冗余逻辑控制器如表1所示：

表1主备冗余逻辑真值表

根据真值表1利用CPLD设计出实用的逻辑电路如图3所示。

其中两块主备冗余控制器中任意一块的输出信号（本控制器状态信号OUT2、本角色信号OUT3）通过底板插槽分别与另外一块的输入信号（相对控制器状态信号IN2、相对控制器角色信号IN3）连接在一起。结合相对控制器存在信号，据此可形成由三对条件共同组成的一套完整逻辑。

具体的，任意一块控制器上电后嵌入式微处理器发出上升沿脉冲IN1信号，通过底板上的非门传至OUT1＝0，表示相对控制器存在。

冗余逻辑控制器通过控制自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3的发出，以及相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起。

当本控制器上电后，如果本控制器状态为正常，嵌入式微处理器发出低电平，获得输出OUT2=0，则译码器(X74_139)的输出为Y0=0，Y1-Y3=111，即与非门的输入条件1=1。

嵌入式微处理器发出上升沿脉冲至D触发器时钟端，使D触发器输出/Q=0，经过非门后获得与非门的输入条件2=1。

相对控制器角色为备用控制器时，获得与非门的输入条件3=1。

上述三个条件，获得输出OUT3=0，即本控制器状态为工作控制器。

当本控制器上电后，如果本控制器状态为故障，嵌入式微处理器无法工作即无法持续发出低电平，使得OUT2=1，则译码器(X74 139)的输出Y2=0，Y0、Y1、Y3=111，即与非门的输入条件1=0。此时直接获得输出OUT3=1，即本控制器状态为备用控制器。由此实现了工作、备用控制器角色的转换，再结合DPRAM接口电路，完成工作控制器和备用控制器的备份，即可实现无扰动切换。

特别是当只插入一块控制器时，会造成该控制器的两个输入信号没有相对控制器的输出信号使能，因此特别增加2对1KΩ上拉电阻；即当出现只有一块控制器时强制令IN2=1即相对控制器故障，IN3=1即相对控制器为备控制器。从而仍能正常完成逻辑控制。

(3)交换主控权

在正确完成主备角色判断之后，就必须完成控制器冗余功能的第二项，即工作控制器和备用控制器在最短时间内交换主控权。

无论是客观原因还是主动计划进行控制器切换，在发生切换的那一刻都意味着工作控制器已经故障。根据这一客观条件，在主备冗余逻辑电路的OUT2(本控制器状态)信号中利用CPU故障时OUT2=1，通过逻辑输出强制令OUT3=1即本控制器为备控制器，实现了主控制器交出控制权，备用控制器获得控制权。

5.3实时数据备份

依托DPRAM接口电路，用于实现工作控制器向备用控制器备份实时数据。冗余的深层次含义指在实现双重配置的同时，伴随着控制权的交换，必须保证工作控制器所获得数据的一致性。

工作控制器通过DPRAM接口向备用控制器实时存储与时间相关的功能块数据；而备用控制器处于热备用等待状态，周期性接收工作控制器通过DPRAM接口发来的备份数据。当工作控制器由于某种原因无法工作时接替其工作，从而实现控制器对下、对上的无扰动数据交换。

经过实际测试，控制器切换响应时间达到132us。完全满足大型火电厂控制需求。

如图4所示的冗余控制器主备切换响应时间示意图，其中虚线是原工作控制器的放弃主控权信号；实线是原备用控制器的获取主控权信号，两个信号均为3.3V供电信号，低电平有效。在实际示波器显示中将CH2的信号幅值设为CH1的两倍，使得两个信号不会重合，更利于观察。

Claims (8)

1.一种Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；

当任意一块控制器上电后，其IN1发出高电平信号1，通过底板插槽接入另外一块控制器，使其得到信号OUT1＝0，该控制器得知其相对的控制器存在；

两块控制器中任意一块的输出信号：自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3，通过底板插槽分别与另外一块的输入信号：相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起，结合IN1、OUT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；

在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器接收工作控制器发来的备份数据；

当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号OUT2=1的故障信号和自身角色信号OUT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通信调度任务。

2.如权利要求1所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的两个控制器均包括嵌入式微处理器，以及分别与其相连接的存储器电路、复位电路、接口电路和主备冗余电路；

所述的主备冗余电路包括DPRAM电路和冗余逻辑控制器；

两块控制器的DPRAM电路通过底板插槽上的DPRAM接口相连接，工作控制器将与时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；

任意一块控制器上电后嵌入式微处理器发出上升沿脉冲IN1信号，通过底板插槽上设置的非门发送OUT1＝0的信号，表示相对控制器存在；冗余逻辑控制器通过控制自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3的发出，并与相对控制器的状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起。

3.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，冗余逻辑控制器的逻辑真值的设置为：

本控制器存在否，0：存在，1：不存在；

本控制器状态，0：正常，1：故障；

相对控制器存在否，0：存在，1：不存在；

相对控制器状态，0：正常，1：故障；

相对控制器角色，0：工作控制器，1：备用控制器；

本控制器角色，0：工作控制器，1：备用控制器；

当只插入一块控制器时，强制令即相对控制器故障，相对控制器为备用控制器。

4.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，冗余逻辑控制器对控制自身状态信号OUT2和自身角色信号OUT3的发出为：

当本控制器上电后，如果本控制器状态为正常，嵌入式微处理器发出低电平，获得输出OUT2=0；并通过译码器向与非门的输入条件1=1；

嵌入式微处理器发出上升沿脉冲至D触发器时钟端，使D触发器输出/Q=0，经过非门后获得与非门的输入条件2=1；

相对控制器角色为备用控制器时，获得与非门的输入条件3=1；

上述三个条件，获得输出OUT3=0，本控制器状态为工作控制器；

当本控制器上电后，如果本控制器状态为故障，嵌入式微处理器无法工作，无法持续发出低电平，获得输出OUT2=1，并通过译码器向与非门的输入条件1=0，获得输出OUT3=1，本控制器状态为备用控制器。

5.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的嵌入式微处理器运行操作系统、板级驱动程序，实现底层功能；运行存储器电路上的用户应用程序，实现应用层功能。

6.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的内存电路包括分别与嵌入式微处理器连接的Flash电路和内存电路，Flash电路存储用户应用程序，内存电路用于嵌入式微处理器执行用户应用程序。

7.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的复位电路采用标准看门狗定时器，在1.6s内WDI端没有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI处于非高阻态，则WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。

8.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的接口电路包括：

以太网接口电路，通过冗余以太网接口，与上位计算机通信；

CAN接口电路，通过底板插槽上的冗余CAN接口，与就地I/O控制器件通信；

板控制器由外部5VDC提供总电源，并通过DC/DC直流隔离电路向所有芯片提供工作电源，将外部电源对系统的干扰降至最低。

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