CN103186129A - 控制系统冗余的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

提供了冗余控制系统的方法（200）和系统（100）。控制系统包括：高速网络总线（102）；控制器组（110），其通信地耦合到网络总线，其中，控制器组包括至少三个现场总线控制器（112，114，116）；现场总线链接装置（130，132，134），其通信地耦合到在控制器组中的至少三个现场总线控制器中的每一个并耦合到现场总线网络（146）。控制系统还包括通信地耦合到现场总线网络的多个现场总线装置（144），其中控制器组中的至少一个、现场总线链接装置和多个现场总线装置被配置为监视来自多个现场总线装置的输出并确定监视的输出的错误的一个。

Description

控制系统冗余的方法及系统
技术领域
本发明的实施例一般性地涉及控制系统，更具体地，涉及利用三重冗余现场总线协议中的输入表决仲裁的控制系统。
背景技术
控制系统被用于多种不同的应用中。例如，在发电厂和/或在加工厂中，控制系统与发电装置结合使用。控制系统典型地包括与例如传感器、测量装置、阀门等的控制系统中的其它部件通信的中央控制器或控制器。中央控制器典型地通过适当的网络通信与其它部件通信。
随着基金会现场总线标准的发展和采用，基金会现场总线装置已被纳入控制系统中。与基金会现场总线装置一起使用的至少一些已知的控制器包括在互连的控制器之间的内部表决（voting）方案，以在输出被生成并通过网络发送到装置之前检测控制器的健康问题和减轻这些问题。然而，来自现场总线装置或非现场总线装置的错误的测量值可以由与现场总线装置通信的相关的控制器接收。这样的错误值可以随后被用于由控制器执行的计算中并传送到通信地耦合到网络的其它装备。
发明内容
在一个实施例中，一种控制系统包括：高速网络总线；控制器组，其通信地耦合到网络总线，其中控制器组包括至少三个现场总线控制器；现场总线链接装置，其通信地耦合到在控制器组中的至少三个现场总线控制器中的每一个并耦合到现场总线网络。控制系统还包括通信地耦合到现场总线网络的多个现场总线装置；其中，控制器组中的至少一个、现场总线链接装置和多个现场总线装置被配置为监视来自多个现场总线装置的输出并确定监视的输出的错误的一个。
在另一个实施例中，一种提供多个控制系统冗余的方法包括：将控制器组通信地耦合到高速网络总线，控制器组包括至少三个现场总线控制器；将现场总线链接装置通信地耦合到在控制器组中的至少三个现场总线控制器中的每一个并耦合到现场总线网络；和将多个现场总线装置通信地耦合到现场总线网络，其中控制器组中的至少一个、现场总线链接装置和多个现场总线装置被配置为监视来自多个现场总线装置的输出并确定监视的输出的错误的一个。
在又另一个实施例中，一种控制系统包括包括三个现场总线控制器的三重冗余控制器组，三个现场总线控制器的每一个包括通信地耦合到高速网络总线的输出和通信地耦合到总线链接装置中的至少一个和输入输出模块的输入，控制器被配置为接收到三个现场总线控制器的其它一个的错误的输入和三个现场总线控制器中的其它一个的错误的输出中的至少一个的指示。控制系统还包括表决模块，该表决模块被配置为接收指示并命令错误的输出以匹配三个现场总线控制器中的其它一个的输出。
附图说明
图1~2示出了本文描述的方法和系统的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的控制系统的示意性框图；以及
图2是根据本发明的一个示例性实施例的提供多个控制系统冗余的方法200的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述通过举例的方式而不是通过限制的方式示出本发明的实施例。预期本发明具有对操作在工业、商业和民用应用中的控制系统的分析和方法实施例的普遍应用。
如本文所用的，以单数引用的和前面有词“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确表述了这样的排除。而且，本发明的“一个实施例”的引用无意于解释为排除也并入了所表述的特征的附加实施例的存在。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的控制系统100的示意性框图。在该示例性实施例中，控制系统100包括一个高速网络总线102，例如，工厂范围内的网络总线。多个工作站可以通信地耦合到总线102，例如，由用户（未示出）将人机接口（HMI）104、工具箱pc 106和警示监视工作站108通信地耦合到总线102，以提供系统100的控制和监视。工作站可以便于用户输入和/或与控制系统100的操作相关联的用户命令的接收。工作站可包括一个或多个适当的计算机或计算装置，如个人计算机、手持式计算装置、微型计算机等。此外，工作站可以是经由一个或多个合适的网络连接与系统100的其它装置通信，一个或多个合适的网络连接例如为直接链接或直接连接、局域网络、广域网络、互联网、无线电频率（RF）网络、支持蓝牙TM的网络、任何合适的有线网络或任何合适的无线网络。与控制系统100的操作相关联的用户命令、指令和/或其它输入可以由工作站接收和传送到一组110控制器112、114和116的一个或多个。此外，与控制系统100和/或由控制系统100监视的工厂或其它系统的操作相关联的输出数据可以由控制器112、114和116传送给工作站130以输出和/或显示给用户。
该组110控制器112、114和116也是每一个都耦合到总线102。在其它的实施例中，附加的控制器组、各个控制器和其它部件也可以被通信地耦合到总线102。在示例性实施例中，组110包括三个控制器112、114和116，然而，在其它实施例中，大于或等于三个控制器的任意数目的控制器能够被包括在组110中。
各IO网络交换机118、120和122被通信地耦合到控制器112、114和116的相关联的输入。例如，IO网络交换机A 118的输出通信地耦合到控制器112、114和116的每一个的输入。类似地，IO网络交换机B 120的输出通信地耦合到控制器112、114和116的每一个的另一个输入，IO网络交换机C 122的输出通信地耦合到控制器112、114和116的每一个的又另一个输入。IO网络交换机118、120和122被配置成分配在各自的输入124、126和128处接收的信号和/或消息。交换机118、120和122中的每一个接收来自一个或多个现场总线链接装置130、132、134和/或IO模块136、138、140的信号和/或消息。一个或多个现场总线装置142（例如，HSE和/或H1现场总线装置）和/或一个或多个其它装置144（即非现场总线装置）通过一个或多个网络146和相应的现场总线链接装置130、132、134和/或IO模块136、138、140以及交换机118、120和122与控制器112、114和116通信。
任何数目的现场总线装置142可以与控制系统100关联利用。现场总线装置142中的一个或多个可以经由网络146与控制器112、114和116进行通信。此外，在某些实施例中，两个或多个现场总线装置142可经由网络146彼此通信。在本发明的多个实施例中，如所希望的那样，可以使用种类繁多的不同类型的现场总线装置。在某些实施例中，现场总线装置142可以包括HSE现场总线装置和/或H1现场总线装置。此外，诸如链接装置132的HSE现场总线装置可便于在控制器112、114、116和一个或多个H1现场总线装置142之间的通信。
在多个实施例中，在现场总线装置142之间的通信和在控制器112、114、116和一个或多个现场总线装置142之间的通信可使用现场总线协议来促成。
在示例性实施例中，任何数目的非现场总线装置或其它装置144可以与控制系统100关联利用。这些其它装置144可以包括例如传感器、仪表、测量装置、致动器、阀门、控制子系统和/或其它装置。这些其它装置144中的一个或多个可以经由网络146彼此通信和/或与控制器112、114和116进行通信。此外，去往装置144和/或来自装置144的通信可以利用除现场总线协议之外的一个或多个网络协议（例如与控制系统100相关联的第二协议）来促成。
一个或多个网络146和/或数据总线可以包括促成在控制系统100中的装置之间的通信的任何合适的网络或网络组合。合适的网络的例子包括但不限于局域网、广域网、互联网、无线电频率（RF）网络、启用蓝牙TM的网络、任何合适的有线网络、任何合适的无线网络、或有线和无线网络的任何合适的组合。在本发明的某些实施例中，单个网络146可促成在控制器112、114、116与现场总线装置142和其它装置144两者之间的通信。
交换机118、120和122可在网络146内发送数据。交换机118、120和122的每一个可以包括可操作以促成在网络146中的数据的发送的硬件和/或软件部件。合适的交换机118、120和122的示例包括但不限于网络桥接器和/或多层交换机。
在各个实施例中，交换机118、120和122便于利用在网络146内设置的冗余部件。在这方面，当网络装置142、现场装置和/或包括控制器112、114和116的其它系统部件工作故障时，可以在控制系统100内保持充分的操作。控制器组110中的至少一个、现场总线链接装置130、132和134以及多个现场总线装置136、138和140被配置为监视来自多个现场总线装置136、138和140以及IO模块136、138、140的输出，以确定被监视的输出的错误的一个。
在各个实施例中，至少有三个现场总线控制器112、114和116通信地彼此耦合并且被配置为接收至少三个现场总线控制器112、114和116的其它每一个的输出状态的指示。
系统100包括在一个实施例中与控制器112、114和116的每一个通信地耦合的表决模块148。在其它实施例中，表决模块148可以被通信地耦合到交换机118、120和122、链接装置130、132和134、和/或IO模块136、138和140。
在一个实施例中，控制器112、114和116每一个都有可传递给表决模块148的输出信号，表决模块148的输出被用于选择与由于不准确、有故障的输入、在阈值范围之外的健康或其它指示而被确定为不是“真”的输出有关联的控制器112、114和116的一个的输出。到表决模块148的输入信号可能源于控制器112、114和116、交换机118、120和122、链接装置130、132和134和/或IO模块136、138和140或任何网络装置142或其它装置144。备选地，输入信号可包括源于用于测量共同的参数的多个冗余传感器的单独的、独立的输入。来自表决模块148的反馈信号被设置作为到每一个控制器112、114和116的输入。
控制器112、114和116的每一个包括执行基本相同的算法来完成所分配的任务的基本相同的装置。在多个实施例中，控制器112、114和116的每一个被包含于一般包括微处理器或中央处理单元、ROM、RAM和包括A/D和D/A的I/O的通用数字计算机。每个控制器都具有一组控制算法，包括存储在ROM中并执行以提供每一台计算机的各自功能的常驻程序指令和校准（calibration）。
表决模块148包括可操作以确定控制器112、114和116的哪一个的输出为“真”（即，精确地表示传感器信号或命令信号）的算法。在一个实施例中，表决算法在控制器112、114和116的每一个中执行。备选地，表决算法可以在第四、单独的控制器148中执行。从表决算法来的输出被提供回到控制器112、114和116。表决算法提供控制器112、114和116一个命令，以控制器112、114和116中的另一个的输出取代被确定为具有“非真”的输出的控制器112、114、和116中的一个的输出。
在一个实施例中，表决模块148被配置为接收控制器112、114和116的每一个的输出状态并将控制器112、114和116的其它每一个的输出与它自己的输出比较，以确定在控制器112、114和116的至少一个中的输出错误。
在备选的实施例中，表决模块148被配置为接收控制器112、114和116的每一个的健康的指示。在多个实施例中，表决模块148被配置为确定控制器112、114和116的每一个的健康。
图2是根据本发明的一个示例性实施例的提供多个控制系统冗余的方法200的流程图。在该示例性实施例中，方法200包括：将控制器组通信地耦合202到高速网络总线，控制器组包括至少三个现场总线控制器；将现场总线链接装置通信地耦合204到在控制器组中的至少三个现场总线控制器中的每一个并耦合到现场总线网络；以及将多个现场总线装置通信地耦合206到现场总线网络，其中控制器组中的至少一个、现场总线链接装置和多个现场总线装置被配置为监视来自多个现场总线装置的输出并确定监视的输出的错误的一个。
如本文所用的，术语处理器是指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路（RISC）、特定应用集成电路（ASIC）、逻辑电路以及能够执行本文所描述的功能的任何其它电路或处理器。
如本文所用的，术语“软件”和“固件”是可互换的并包括存储在存储器中由处理器执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器以及非易失性RAM（NVRAM）存储器。上述存储器类型仅是示例性的，因此并不限制于用于计算机程序的存储的存储器类型。
根据上述说明书将会理解，本公开的上述实施例可以使用包括计算机软件、固件、硬件或其任何组合或子集的计算机编程或工程技术实现，其中，技术效果是对过程参数传感器信号和控制系统部件，监视由于部件故障、健康、校准、网络和/或在冗余现场总线环境中的信号传输错误的不准确的值，并使用在单独的模块或与控制系统部件中的任何控制系统部件整合的算法中实施的表决方案来补救不精确的值或错误。具有了计算机可读代码装置，任何这样产生的程序可以包含于或设置在一个或多个计算机可读介质中，从而制造根据本公开的讨论的实施例的计算机程序产品即制造品。计算机可读介质可以是但不限于例如固（硬）盘、软盘、光盘、磁带、诸如只读存储器（ROM）的半导体存储器和/或诸如互联网或其它通信网络或链路的任何传送/接收介质。包含计算机代码的制造品可以通过直接从一个介质执行代码、将代码从一个介质复制到另一个介质、或通过网络传送代码来制造和/或使用。
在控制系统中提供多个冗余的方法和系统的上述实施例提供了成本有效的和可靠的装置，用于监视过程参数和控制器输出信号以确定被监视的参数和/或输出何时是错误的并从另一个部件提供替代输出。更具体地，本文描述的方法和系统便于提供现场总线环境中的三重冗余。其结果是，本文所描述的方法和系统便于以成本有效的和可靠的方式操作控制系统。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果它们具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则意在于这样的其它示例是在权利要求的范围内。
部件列表
控制系统 100
网络总线 102
接口（HMI） 104
工具箱pc 106
警示监视工作站 108
控制器组 110
控制器 112
控制器 114
控制器 116
IO网络交换机A 118
IO网络交换机B 120
IO网络交换机C 122
输入 124
输入 126
输入 128
现场总线链接装置 130
现场总线链接装置 132
现场总线链接装置 134
IO模块 136
IO模块 138
IO模块 140
现场总线装置 142
装置 144
网络 146
表决模块148
方法 200
通信地耦合 202
通信地耦合 204
通信地耦合 206。

Claims (8)

1. 一种控制系统（100），包括：
高速网络总线（102）；
控制器组（110），其通信地耦合到所述网络总线，所述控制器组包括至少三个现场总线控制器（112，114，116）；
现场总线链接装置（130，132，134），其通信地耦合到在所述控制器组中的所述至少三个现场总线控制器中的每一个并耦合到现场总线网络（146）；以及
多个现场总线装置（144），其通信地耦合到所述现场总线网络；其中
所述控制器组中的至少一个、所述现场总线链接装置和所述多个现场总线装置被配置为监视来自所述多个现场总线装置的输出并确定所述监视的输出的错误的一个。
2. 根据权利要求1的控制系统，其中，所述至少三个现场总线控制器的每一个通信地耦合到所述至少三个现场总线控制器的其它每一个。
3. 根据权利要求1的控制系统，其中，所述至少三个现场总线控制器的每一个接收所述至少三个现场总线控制器的其它每一个的输出状态的指示。
4. 根据权利要求1的控制系统，其中，所述至少三个现场总线控制器的每一个与其它所述至少三个现场总线控制器中的至少一些来进行表决，以确定所述至少三个现场总线控制器的其它每一个的输出状态。
5. 根据权利要求4的控制系统，其中，所述至少三个现场总线控制器的每一个将所述至少三个现场总线控制器的其它每一个的输出与它自己的输出进行比较，以确定在所述至少三个现场总线控制器中的至少一个中的输出错误。
6. 根据权利要求1的控制系统，还包括被配置为接收所述至少三个现场总线控制器的每一个的健康指示的表决模块。
7. 根据权利要求1的控制系统，还包括被配置为确定所述至少三个现场总线控制器的每一个的健康的表决模块。
8. 根据权利要求1的控制系统，其中所述至少三个现场总线控制器的一个的输出被用来替换被确定为错误的或与具有在预定的阈值之外的健康的控制器关联的、所述至少三个现场总线控制器的另一个的输出。
CN2013100013577A 2012-01-03 2013-01-04 控制系统冗余的方法及系统 Pending CN103186129A (zh)

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