CN103207596A - 用于在冗余的自动化系统中同步地执行程序的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在冗余的、包括至少两个子系统（A，B，C）的自动化系统（AS）中同步地执行程序（P3，P4）的方法，其中，基于至少一个对于执行程序（P3，P4）的一个程序的请求启动调度过程，并且在该调度过程期间决定，是否在子系统（A，B，C）的每个子系统上执行这一个程序（P3，P4）。提出了合适的措施，借助于这些措施使所有程序（P3，P4）根据它们的优先权在程序执行中能够占有公平的和决定性的份额。

Description

用于在冗余的自动化系统中同步地执行程序的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在冗余的、包括至少两个子系统的自动化系统中同步地执行程序的方法，其中，基于至少一个对于执行程序中的一个程序的请求启动调度过程，并且在该调度过程期间决定，是否在子系统中的每一子系统上执行这一个程序。此外，本发明还涉及一种冗余的、包括至少两个子系统的、适合执行该方法的自动化系统。
背景技术
从2011年版西门子-目录ST70第6章中已知了一种冗余的、包括两个子系统的自动化系统，该自动化系统设计用于同步地执行程序。为此，自动化系统设有一些设备，这些设备基于事件首先决定必须启动哪个程序，以恰当地对事件作出反应。对于这种情况而言，即例如在执行程序期间，某一事件以待控制的技术过程的等候处理的警报的形式施加在自动化系统的报告入口上，则通常使运行中的程序停在等待点上，并且启动设计用于分析警报并引入排除造成警报的原因的措施的程序。此外，为了能够满足对于冗余的、或具有高度可使用的自动化系统的要求，需要同步执行该程序。
必须定期地使这类“事件同步的”、包括两个或者多个子系统的自动化系统同步，这意味着，必须按时地使这些子系统同步。由此保证这些子系统中的一个系统的失效不会起到妨碍待控制的过程的作用，这是因为其它子系统能够继续执行或处理其相应的控制程序的相应部分，或者执行或处理该控制程序的相应部分。后面将程序既理解为这样的程序，也将程序理解为子程序、程序的一部分、任务（Task）、线程（Thread）、组织模块、功能模块或者其它合适的、用于实现自动化功能的程序码，其中，自动化系统的程序通常分成多个优先级，并且根据它所分配的优先权来处理以及执行。
对于这种情况而言，即例如在第一子系统上出现的事件不与包括两个子系统的自动化系统的第二子系统同步，并且在通过第一子系统处理事件后，该子系统失效，则待控制的技术过程的运行可能受到妨碍；因为第二子系统运行-没有对事件的认识-不同于第二子系统在认识事件的情况下会运行的、代表程序的执行顺序的另一个程序路径，并且该另一个程序路径也是必要的，用于不妨碍所述的待控制的技术过程的运行。
同样地对于该情况而言，即例如在子系统中的一个子系统上出现的事件只能够本地地在这一个子系统上处理，则也必须使其它子系统在程序的执行或处理方面同步。例如可能出现这种情况，即在所有的子系统上能够同步地执行另一个程序之前，在第一子系统上基于在第一个子系统上出现的事件必须首先执行程序，以运行和/或控制该第一子系统的端口。在第一子系统上处理用于运行或者控制端口的程序期间，处理其它子系统上的其它程序可能导致在待控制的技术过程的运行方面的故障，也就是说，这将损害事件同步性并且因此必须停止。
自动化系统的程序被-如前所述-分为多个优先等级并且根据它所分配的优先权来处理或执行。其中，程序的处理或执行过程中的变化必须在自动化系统的所有子系统上同步，并且此外还应决定，哪个程序将是下一个待处理或待执行的程序，这在后面被称为调度（Scheduling），其中该调度在调度过程（Scheduling-Durchlauf）期间进行。对于这种情况而言，即例如在第一子系统上执行第一程序期间出现请求执行更高优先等级的第二程序的事件，则通常使该事件同步，使第一程序在所有的子系统上在程序停止点上中断并且在所有的子系统上执行更高优先等级的第二程序。
但是，如果例如因为临时的故障存在多个高优先级的事件，它们将需要持续地执行更高优先等级的第二程序，那么在顺利的总过程的意义上必要的是，也以规律的间隔执行低优先级的第一程序；这是因为例如可能出现这样的情况，即否则将不再能够访问连接在第一个子系统的端口或者多个子系统的端口上的外围设备，或者取消与通信伙伴的连接。这意味着，在这种情况下损害了调度的“公平性（Fairness）”，并且此外，如果低优先级的第一程序仅以不规律的间隔执行，则调度的决定性将受到损害。
发明内容
本发明的目的因而在于，说明一种开头所述类型的方法，该方法使所有程序根据它们的优先权都能够在程序执行中占有公平的和决定性的份额。此外还能够提出一种适合实施该方法的自动化系统。
本发明在方法方面通过权利要求1的特征部分中说明的措施实现，在关于自动化系统的方面通过权利要求4的特征部分中说明的措施实现。
有利的是，使自动化系统的事件同步的部分的-即必须使其执行或处理同步的自动化系统的程序的-以时间为基础的决定性的调度成为可能，其中，无需使自动化系统的子系统之间的时间同步。同样对于这种情况而言，即子系统具有不同的时基和/或不同的运行时间，保证了程序的同步执行。为此在所有的子系统上检测是否在子系统之一上超过了限度-即为每个程序最大预设的运行时间，该限度表明相应的程序在相应的子系统上允许执行的最大时长-。由此保证，尽管运行时间不同，但是事件同步的部分在所有的子系统上执行，或者延迟一定的时间，直至运行时间定额在所有的子系统上重新可供使用。
本发明的有利的设计方案由从属权利要求给出。
附图说明
以下过呢就实施例参考图中的唯一附图详细地说明本发明。图中的附图示出程序的同步过程的图解的说明。
具体实施方式
用AS表示一种冗余的自动化系统，该自动化系统设计用于控制技术过程，并且具有三个通过在这里未示出的冗余耦合连接的子系统A，B，C。当然，为了改善自动化系统的可供使用性，自动化系统AS能够设有其它的子系统。子系统A，B，C通常包括CPU单元、多个模拟-和/或数字输入/-输出单元、通信单元以及其它的用于运行自动化系统AS和适合用于对过程进行控制的单元。子系统A，B，C中的每个子系统通过总线（Bus）与所谓的现场层（Feldebene）的其它硬件部件连接，例如分散的外围系统和/或现场设备形式的硬件部件，其中，这些硬件部件当然也能够冗余地执行。此外，子系统A，B，C通过另一个总线与所谓的运行引导层（Betriebsführungsebene）连接。在子系统A，B，C上执行相同的、用于控制技术过程的控制-或用户程序，这些控制-或用户程序通常包括多个软件功能模块，例如调节器模块或者其它的运行时间（Runtime）模块形式的功能模块。对于这种情况而言，即例如子系统A作为主系统（Master-System）起作用，并且该系统停止运转，作为从属系统（Slave-System）运行的其它子系统B，C通过冗余耦合装置识别这一点，则其它子系统B，C中的一个子系统承担用于控制技术过程的主功能。其中必须保证，在所有做好运行准备的子系统A，B，C上同步地执行程序，以保证在子系统A，B，C中的一个子系统受到干扰或发生故障的情况下，子系统A，B，C中的另一个子系统能够立即作为主单元起作用。
子系统A，B，C中的每个子系统设计用于，即为每个程序检测已累积的本地运行时间，该运行时间表明相应的子系统A，B，C上的相应的程序已经执行的时长。此外，子系统A，B，C中的每个子系统还设计用于，即：如果不存在其它的执行程序的请求，则重置程序相应的运行时间。
后面详细地说明程序的执行或处理的同步过程，这些程序在子系统A，B，C上执行或在那里得到处理。
为此假定，程序P2设置用于运行和/或控制端口，并且仅本地地在子系统A上执行。此外还假定，程序P3和P4能够在所有的子系统A，B，C上同步地执行或处理，其中，程序P4的优先等级高于程序P3。此外还假定，在子系统A，B，C上同步地执行程序P4后，基于事件E1，E2，E3请求执行程序P3并且再次执行程序P4，其中，事件E1和E2请求程序P4并且事件E3请求程序P3-这在附图中通过参考标号E1，E2，E3旁边的补充标号（P3），（P4）表示-并且其中，此外事件E1在执行程序P2期间在子系统A上并且事件E2和E3在静止-或等待状态期间在子系统B，C上出现。
在该静止-或等待状态期间，子系统B和C等待调度过程的开始，这一调度过程在当前执行的程序P2的停止点上开始并且在起点上结束，从该起点开始在所有的子系统A，B，C上同步地启动并执行另一个程序-在本实例中为程序P3。当然，该停止点也可以是当前执行的程序P2的程序终点。
在本实施例中，调度过程在时间点tb上开始并且在时间点te上结束，从该时间点te开始，在所有的子系统A，B，C上同步地启动并且执行程序P3。基于这一点，即程序P4的优先等级高于程序P3，子系统A，B，C从时间点tb开始首先通过冗余耦合交换信息，这些信息包括被请求的程序P4在相应的子系统A，B，C上分别累积的本地运行时间。这意味着，子系统A向子系统B，C报告程序P4在子系统A上已累积的运行时间，或者向子系统B，C报告程序P4在子系统A上已执行或得到处理的时长。相应的信息由子系统B传送给子系统A，C并且由子系统C传送给子系统A，B。
为此，子系统A向子系统B传送消息N4ab并且向子系统C传送消息N4ac，这些消息向子系统B，C表明程序P4在子系统A上已累积的运行时间。子系统B相应地向子系统A传送消息N4ba并且向子系统C传送消息N4bc，这些消息向子系统A，C表明程序P4在子系统B上已累积的运行时间。此外，子系统C向子系统A传输消息N4ca并且向子系统B传输消息N4cb，这些消息向子系统B，C表明程序P4在子系统B上已累积的运行时间。
对于这种情况而言，即子系统A，B，C识别出，在子系统A，B，C中的一个子系统上，程序P4的相应的累积的本地运行时间超过了预设的最大运行时间，相应的子系统A，B，C通过评估消息N4ab，N4ac，N4ba，N4bc，N4ca，N4cb和在子系统A，B，C中存储的可预设的或为程序P4预设的最大运行时间来确定这一点，则子系统A，B，C中的每个子系统在一个步骤中挂起程序P4，这意味着，虽然程序P4-正如所假定的-优先等级高于程序P3，但仍不执行这一程序P4。
对于这种情况而言，即子系统A，B，C虽然识别出，在子系统A，B，C的任一子系统中，程序P4的相应的累积的本地运行时间均没有超过预设的最大运行时间，则子系统A，B，C同步地启动程序P4。
在本实施例中由此出发，即程序P4超过了它的最大预设的运行时间，因此在步骤SP4中被挂起并且因而不能执行。调度过程在子系统A，B，C中的每个子系统上继续，并且在随后的步骤AP3中开始处理对程序P3的请求，该请求能够基于事件E3实现。子系统A，B，C以所说明的方式和方法再次互相报告程序P3在相应的子系统A，B，C上的相应的累积的本地运行时间，并且为此传送消息N3ab，N3ac，N3ba，N3bc，N3ca，N3cb。
对于这种情况而言，即-正如在后面所假定的-子系统A，B，C借助于消息N3ab，N3ac，N3ba，N3bc，N3ca，N3cb和在这些子系统A，B，C中存储的最大的运行时间识别出，在子系统A，B，C的任一子系统上，程序P3的相应的累积的本地运行时间均没有超过为该程序P3预设的最大的运行时间，子系统A，B，C则在时间点te上同步地启动程序P3，由此结束调度过程。
此时可能出现的情况是，在执行程序P3期间或者在其执行后的预设的时间段内-这意味着在调度过程后的预设的时间段内-不出现其它的、例如要求执行程序P3，P4中的一个程序或者其它程序的事件。在这种情况下，子系统A，B，C取消程序P4的挂起，将程序P2，P3，P4分别累积的运行时间重置至起始值，并且以所说明的方式和方法在另一个调度过程中处理程序P4的待处理的请求，这一请求能够基于时间E1，E2实现。在这另一个调度过程后，程序P4同步地在所有的子系统A，B，C上启动，或者该程序P4在所有的子系统上同步地执行。
但是，如果在执行程序P3期间或者在其执行后的预设的时间段内-即在调度过程后的预设的时间段内-出现另一个事件，例如事件E4，该事件要求执行程序P3，P4中的一个程序或者其它程序，那么一方面不重置程序P2，P3，P4在子系统A，B，C上的累积的本地运行时间，并且另一方面不取消程序P4的挂起。在随后的调度过程的范畴中根据程序P2，P3和其它程序的累积的运行时间和这些程序的预设的最大运行时间，以所说明的方式和方法做出这一决定，即是否将执行该其它程序或者程序P2，P3中的一个程序。在随后的调度过程后可能不执行程序P4，这是因为这一程序始终被挂起。

Claims (6)

1.一种用于在冗余的、由包括至少两个子系统（A，B，C）的自动化系统（AS）中同步地执行程序（P3，P4）的方法，其中，基于至少一个对于执行所述程序（P3，P4）中的一个程序的请求启动调度过程，并且在所述调度过程期间决定，是否在所述子系统（A，B，C）的每个子系统上同步地实施执行所述一个程序（P3，P4），其特征在于以下的步骤：
-在所述每个子系统（A，B，C）上为所述程序（P3，P4）中的每个程序检测已累积的本地运行时间，所述本地运行时间表明，相应的所述程序（P3，P4）在相应的所述子系统（A，B，C）上已执行的时长，以及
-在所述调度过程期间，基于被请求的所述一个程序（P3，P4）的相应的检测出的累积的所述本地运行时间和相应的能够预设的或已预设的最大运行时间做出所述决定，其中，如果累积的所述本地运行时间之一达到或者超过相应的最大运行时间，则不在所述子系统（A，B，C）上执行被请求的所述程序（P3，P4）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其它的步骤：
a.所述子系统（A，B，C）在所述调度过程期间交换信息，所述信息包括被请求的所述一个程序（P3，P4）在相应的所述子系统（A，B，C）上分别累积的所述本地运行时间，
b.对于这种情况而言，即在所述子系统（A，B，C）之一中，被请求的所述一个程序（P3，P4）的累积的所述本地运行时间超过了被请求的所述一个程序（P3，P4）的相应预设的最大运行时间，则在所述每个子系统（A，B，C）上挂起被请求的所述一个程序（P3，P4），其中，
-对于这种情况而言，即在所述调度过程后的预设时间段内不存在其它的程序请求，累积的所述本地运行时间在每个所述子系统（A，B，C）中被重置，被请求的所述一个程序（P3，P4）的挂起在每个所述子系统（A，B，C）中再次被取消，并且为了请求所述一个程序（P3，P4），所述步骤a.和b.在另一个调度过程期间被重复，
-对于这种情况而言，即在所述调度过程后的预设时间段内存在执行另一个程序（P3，P4）的另一个请求，为了请求所述另一个程序（P3，P4），在另一个调度过程期间重复所述步骤a.和b.。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于这种情况而言，即存在对所述子系统（A，B，C）中的一个子系统的请求，借助于所述一个子系统（A，B，C）向其它子系统（A，B，C）传送消息，所述消息向所述其它子系统（A，B，C）表明被请求的所述一个程序（P3，P4）在所述一个子系统（A，B，C）上的累积的所述本地运行时间，并且所述其它子系统（A，B，C）的被请求的所述一个程序（P3，P4）的已累积的所述本地运行时间由所述其它子系统（A，B，C）向所述一个子系统（A，B，C）传送。
4.一种包括至少两个子系统（A，B，C）的自动化系统（AS），所述子系统设计用于同步地执行程序（P3，P4），其中，调度程序基于至少一个对于执行所述程序（P3，P4）中的一个程序的请求启动调度过程，并且在所述调度过程期间决定，是否在每个所述子系统（A，B，C）上执行所述一个程序（P3，P4），其特征在于，所述自动化系统设计用于，
-在所述子系统（A，B，C）的每个子系统上为所述程序（P3，P4）中的每个程序检测已累积的本地运行时间，所述本地运行时间表明相应的所述程序（P3，P4）在相应的所述子系统（A，B，C）上已执行的时长，以及
-在所述调度过程期间根据被请求的所述一个程序（P3，P4）的相应的检测出的累积的所述本地运行时间和相应的能够预设的或者已预设的最大运行时间做出所述决定，其中，如果累积的所述本地运行时间之一达到或者超过相应的最大运行时间，则不在所述子系统（A，B，C）上执行被请求的所述一个程序（P3，P4）。
5.根据权利要求4所述的自动化系统，其特征在于，所述自动化系统（AS）设计用于实现以下的步骤：
a.所述子系统（A，B，C）在所述调度过程期间交换信息，所述信息包括被请求的所述一个程序（P3，P4）在相应的所述子系统（A，B，C）上分别累积的所述本地运行时间，
b.对于这种情况而言，即在所述子系统（A，B，C）之一中，被请求的所述一个程序（P3，P4）的累积的所述本地运行时间超过了被请求的所述一个程序（P3，P4）的相应预设的最大运行时间，则在所述每个子系统（A，B，C）挂起被请求的所述一个程序（P3，P4），其中，
-对于这种情况而言，即在所述调度过程后的预设时间段内不存在其他的程序请求，累积的所述本地运行时间在每个所述子系统（A，B，C）中被重置，被请求的所述一个程序（P3，P4）的挂起在每个所述子系统（A，B，C）中再次被取消，并且为了请求所述一个程序（P3，P4），所述步骤a.和b.在另一个调度过程中被重复，
-对于这种情况而言，即在所述调度过程后的预设时间段内存在执行另一个程序（P3，P4）的另一个请求，为了请求所述另一个程序（P3，P4），则在另一个调度过程期间重复所述步骤a.和b.。
6.根据权利要求5所述的自动化系统，其特征在于，所述自动化系统（AS）此外设计用于，对于这种情况而言，即存在对所述子系统（A，B，C）中的一个子系统的要求，即所述一个子系统（A，B，C）向其它子系统（A，B，C）传送消息，所述消息向所述其它子系统（A，B，C）表明被请求的所述一个程序（P3，P4）在所述一个子系统（A，B，C）上的累积的所述本地运行时间，并且所述其它子系统（A，B，C）向所述一个子系统（A，B，C）传送所述其它子系统（A，B，C）的被请求的所述一个程序（P3，P4）的已累积的所述本地运行时间。
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