CN103809429B - 硬件仲裁混合冗余智能控制器及冗余备份方法 - Google Patents

Abstract

一种硬件仲裁混合冗余智能控制器及冗余备份方法，涉及冗余控制系统领域，其包括若干工作插件、若干热备份插件、仲裁切换装置、系统输出接口部分、报警提示人机部分；所述仲裁切换装置包括检测模块、切换模块、表决模块和报警提示模块。由于硬件仲裁混合冗余智能控制器设有检测模块和切换模块，利用检测模块检测工作插件和热备份插件的工作状态和输出结果，利用切换模块对工作插件和热备份插件进行快速切换，实现了检测故障和屏蔽故障的功能。

Description

硬件仲裁混合冗余智能控制器及冗余备份方法

技术领域

本发明涉及冗余控制系统领域，具体来讲是一种硬件仲裁混合冗余智能控制器及冗余备份方法。

背景技术

在安全可靠性要求较高的工业控制场合，控制器一般采用硬件冗余备份的方式提高安全可靠性，而常用的冗余方式有静态冗余、动态冗余和混合冗余方式。

静态冗余(多模表决冗余)以三模表决冗余为例，要求必须有两个及以上控制器插件输出相同才能产生正确输出(只能屏蔽一个故障插件)，并不能对故障进行检测。另外，如果两个控制器插件同时出现故障，系统就不能正常工作；如果两个故障控制器插件出现的故障相同，系统就认为两个故障控制器插件处于正常工作状态，则会产生危险输出。

动态冗余以双模热备份为例，一个控制器插件处于工作状态，另外一个处于热备份状态，热备份控制器插件监测工作控制器插件的状态，出现故障后及时切换，如果热备份控制器插件不能及时检测出工作插件故障或者热备份插件本身产生故障，都可能产生错误输出，安全性完全依赖热备份控制器插件。

混合冗余以(3，2)混合冗余系统为例，3个工作控制器插件和2个热备份控制器插件同时工作，检测工作控制器插件输出，如果输出不一致则用热备份控制器插件替换，然后对三个工作控制器插件进行三模表决输出，由于不能实时检测插件的故障，当出现3个或以上插件故障，系统不能正常工作，如果3个或以上插件的故障相同则会产生危险输出。

因此，目前的静态冗余、动态冗余和混合冗余方法均只有屏蔽故障或检测故障单一功能，且当屏蔽故障或检测故障功能失效时，系统会产生错误甚至危险输出，造成严重后果。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种硬件仲裁混合冗余智能控制器及冗余备份方法。不但具有检测故障和屏蔽故障的功能，而且能根据正常工作插件的数目进行逻辑判断，并且在逻辑判断失效时也能产生平稳输出，确保控制器正确输出，提高系统的安全可靠性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种硬件仲裁混合冗余智能控制器，包括至少一个工作插件、至少一个热备份插件、仲裁切换装置、系统输出接口部分、报警提示人机部分；所述仲裁切换装置包括检测模块、切换模块、表决模块和报警提示模块；

工作插件和热备份插件分别接收现场测量信号，进行控制运算处理，并分别将输出的结果信号和工作状态信号发送至检测模块；所述热备份插件处于热备份状态；

检测模块用于确定工作插件和热备份插件的数目，根据结果信号和工作状态信号，判断每个工作插件和热备份插件是否正常，并将结果发送至切换模块和报警提示模块；

切换模块根据所述结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件，形成新的正常工作插件，并将所有正常工作插件的输出信号发送至表决模块；

表决模块用于将正常工作插件的数目与表决预设值进行逻辑判断，若数目大于等于表决预设值，则将正常工作插件的输出信号作为表决输出；若数目小于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，直到正常工作插件的数目满足表决逻辑；

系统输出接口部分用于接收表决输出，并将其转换为驱动执行机构信号；

报警提示模块根据所述结果进行故障报警，并将报警提示信号发送至报警提示人机部分；

报警提示人机部分根据报警提示信号提示用户，并支持用户输入报警处理信号对报警进行处理。

在上述技术方案的基础上，还包括报警提示接口部分，所述报警提示模块将报警提示信号发送至报警提示接口部分；所述报警提示接口部分对报警提示信号进行转换，提供给其他设备进行报警提示。

在上述技术方案的基础上，所述切换模块根据所述结果产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块。

在上述技术方案的基础上，所述仲裁切换装置为FPGA。

在上述技术方案的基础上，所述报警提示人机部分包括显示装置、报警装置和输入装置，所述报警提示人机部分根据报警提示信号驱动报警装置报警，并通过显示装置显示；用户通过输入装置输入报警处理信号对报警进行处理。

一种基于所述硬件仲裁混合冗余智能控制器的冗余备份方法，包括以下步骤：

步骤1：将至少一个工作插件和至少一个热备份插件安装在仲裁切换装置相应的插槽中；

步骤2：上电工作后，检测模块检测工作插件和热备份插件的数目，判断每个工作插件和热备份插件是否正常，并将结果发送至切换模块和报警提示模块；

步骤3：切换模块根据所述结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件，形成新的正常工作插件，并将所有正常工作插件的输出信号发送至表决模块；

步骤4：表决模块将正常工作插件的数目与表决预设值进行逻辑判断，若数目大于等于表决预设值，则将正常工作插件的输出信号作为表决输出；若数目小于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，直到正常工作插件的数目满足表决逻辑；

步骤5：报警提示人机部分根据报警提示信号提示用户，并支持用户输入报警处理信号对报警进行处理；

步骤2中，检测模块对接收到的输出结果信号和工作状态信号进行检测，检测每个工作插件和热备份插件是否处于正常工作状态，

如果工作插件或热备份插件处于非正常工作状态，则判断该插件为非正常工作插件或非正常热备份插件；

如果工作状态正常，且工作插件或热备份插件的输出结果信号不一致，则判断该插件为非正常工作插件或非正常热备份插件；

如果工作状态正常，且工作插件或热备份插件的输出结果信号一致，则判断该插件为正常工作插件或正常热备份插件。

在上述技术方案的基础上，所述步骤4中，所述表决预设值设为至N中的任意整数，其中N表示原工作插件的数目。

在上述技术方案的基础上，所述步骤3中，所述切换模块根据检测结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件形成新的正常工作插件的过程中，产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块。

本发明的有益效果在于：

1、由于硬件仲裁混合冗余智能控制器设有检测模块和切换模块，利用检测模块检测工作插件和热备份插件的工作状态和输出结果，利用切换模块对工作插件和热备份插件进行快速切换，实现了检测故障和屏蔽故障的功能。

2、由于硬件仲裁混合冗余智能控制器设有表决模块，利用表决模块对正常工作插件的数目进行逻辑判断，若满足表决逻辑，则进行正常输出；若不满足表决逻辑，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，并保持不变，直到正常工作插件的数目满足表决逻辑后，再进行正常表决输出。确保了硬件仲裁混合冗余智能控制器的正确输出，提高了系统的安全可靠性。

3、由于硬件仲裁混合冗余智能控制器设有报警提示接口部分，报警提示接口部分对接收到的报警提示信号进行转换，提供给其他设备进行报警提示。提高了硬件仲裁混合冗余智能控制器的兼容性。

4、由于切换模块根据正常热备份插件切换替代非正常工作插件，产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块。用户可以根据切换提示信号快速准确的定位非正常工作插件和替代非正常工作插件的热备份插件所在位置。

5、由于硬件仲裁混合冗余智能控制器设有报警提示人机部分，用户可以通过报警提示人机部分了解硬件仲裁混合冗余智能控制器的工作状态，并对非正常工作插件或热备份插件进行实时处理，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明硬件仲裁混合冗余智能控制器的原理示意图；

图2为本发明冗余备份方法的流程示意图；

图3为本发明检测模块的逻辑判断图。

附图标记：

1－工作插件；2－热备份插件；3－仲裁切换装置；31－检测模块；32－切换模块；33－表决模块；34－报警提示模块；4－系统输出接口部分；5－报警提示接口部分；6－报警提示人机部分。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种硬件仲裁混合冗余智能控制器，包括至少一个工作插件1、至少一个热备份插件2、仲裁切换装置3、系统输出接口部分4、报警提示人机部分6；所述控制器3包括检测模块31、切换模块32、表决模块33和报警提示模块34。其中，检测模块31分别与工作插件1、热备份插件2、切换模块32和报警提示模块34连接，表决模块33分别与切换模块32和系统输出接口部分4连接，报警提示人机部分6和报警提示模块34连接。

优选的，所述仲裁切换装置3为FPGA。

所述工作插件1接收从其他设备传来的现场测量信号，进行控制运算处理，并将输出结果信号和工作状态信号发送至检测模块31；所述热备份插件2接收从其他设备传来的现场测量信号，进行控制运算处理，并将输出结果信号和工作状态信号发送至检测模块31；所述热备份插件2的软硬件系统与所述工作插件1完全相同，与工作插件1同时工作，状态一致，处于热备份状态；其中，工作插件1和热备份插件2均通过插槽方式与仲裁切换装置3物理连接，且工作插件1数目和热备份插件2数目，根据实际控制需求、可靠性等决定。

所述检测模块31对接收到的输出结果信号和工作状态信号进行检测，检测工作插件1和热备份插件2的数目，判断工作插件1和热备份插件2是否正常，并将检测结果发送至切换模块32和报警提示模块34。

如图2所示，检测模块31对比工作插件1和热备份插件2的工作状态和输出结果，若所有工作插件1和热备份插件2的工作状态正常且输出结果一致，则发送正常信号至切换模块32和报警提示模块34；若工作插件1的工作状态正常，但是输出结果不一致，则判断该插件故障，发送故障信号至切换模块32和报警提示模块34；若热备份插件2的工作状态正常，但是输出结果不一致，则判断该插件故障，发送故障信号至切换模块32和报警提示模块34；若工作插件1或热备份插件2的工作状态不正常，则判断该插件故障，发送故障信号至切换模块32和报警提示模块34。

所述切换模块32根据接收到的检测结果，用正常热备份插件2切换替代故障工作插件1形成新的正常工作插件1，并将正常工作插件1的输出结果发送至表决模块33；其中，若工作插件1正常或热备份插件2发生故障，切换模块32直接将工作插件1的输出结果发送至表决模块33；若工作插件1发生故障，切换模块32用正常的热备份插件2切换替代故障工作插件1，形成新的工作插件1；若工作插件1和热备份插件2都发生故障，切换模块32将余下正常工作的热备份插件2切换取代故障工作插件1，形成新的工作插件1；如果新的工作插件1数目小于原工作插件1数目，则应保持在最大数目，并将此结果发送至表决模块33。

优选的，所述切换模块32根据正常热备份插件2切换替代故障工作插件1，产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块34。用户可以根据切换提示信号快速准确的定位非正常工作插件和替代非正常工作插件1的热备份插件2所在位置。

表决模块33将正常工作插件1的数目与表决预设值进行逻辑判断，若正常工作插件1的数目大于等于表决预设值，则根据接收到的正常工作插件1的输出结果作为表决输出，并将表决输出结果发送至系统输出接口部分4；若正常工作插件1的数目小于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，并保持不变，直到正常工作插件1的数目满足表决逻辑后，再进行正常表决输出，并将表决输出结果发送至系统输出接口部分4。

优选的，所述表决预设值设为至N中的任意整数，其中N表示原工作插件的数目。

所述系统输出接口部分4用于将接收到的表决输出结果转换为驱动执行机构信号。

所述报警提示模块34根据接收到的检测结果进行故障报警，并将报警提示信号发送至报警提示人机部分6；同时根据报警提示人机部分6的用户输入报警处理信号对报警进行处理；

所述报警提示人机部分6包括显示界面、报警装置和输入设备，所述报警提示人机部分6根据接收到的报警提示信号驱动报警装置报警，并通过显示界面显示；用户通过输入设备输入报警处理信号对报警进行处理。

优选的，所述硬件仲裁混合冗余智能控制器还包括报警提示接口部分5，所述报警提示模块34将报警提示信号发送至报警提示接口部分5；所述报警提示接口部分5对接收到的报警提示信号转发给其他设备进行报警提示。

如图3所示，一种冗余备份方法，包括以下步骤：

步骤1：将至少一个工作插件1和至少一个热备份插件2安装在仲裁切换装置3相应的插槽中，且工作中支持工作插件1和热备份插件2的热插拔；

步骤2：上电工作后，工作插件1和热备份插件2同时处于工作状态，检测模块31对接收到的输出结果信号和工作状态信号进行检测，检测工作插件1和热备份插件2的数目，判断工作插件1和热备份插件2是否正常，并将检测结果发送至切换模块32和报警提示模块34。

其中，检测模块31根据接收到的工作状态信号检测工作插件1和热备份插件2是否处于正常工作状态：

如果工作插件1或热备份插件2的处于非正常工作状态，则判断该插件为故障工作插件1或故障热备份插件2；如果工作状态正常，则进一步判断工作插件1或热备份插件2的输出结果是否一致。

若工作插件1或热备份插件2的输出结果信号不一致，则判断该插件为非正常工作插件1或非正常热备份插件2；

若工作插件1或热备份插件2的输出结果信号一致，则判断该插件为正常工作插件1或正常热备份插件2；

步骤3：切换模块32根据接收到的检测结果，用正常热备份插件2切换替代非正常工作插件1形成新的正常工作插件1，并将正常工作插件1的输出结果发送至表决模块33。

所述切换模块32根据正常热备份插件2切换替代故障工作插件1，切换模块32产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块34。

步骤4：表决模块33将正常工作插件1的数目与表决预设值进行逻辑判断，所述表决预设值设为至N中的任意整数，其中N表示原工作插件的数目。若正常工作插件1的数目大于表决预设值，则根据接收到的正常工作插件1的输出结果作为表决输出，并将表决输出结果发送至系统输出接口部分4；若正常工作插件1的数目小于等于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，并保持不变，直到正常工作插件1的数目满足表决逻辑后，再进行正常表决输出，并将表决输出结果发送至系统输出接口部分4。

步骤5：报警提示人机部分6根据接收到的报警提示信号提示用户进行报警处理，并支持用户输入报警处理信号，并发送至报警提示模块对报警进行处理。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。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 (8)

1.一种硬件仲裁混合冗余智能控制器，其特征在于：包括至少一个工作插件、至少一个热备份插件、仲裁切换装置、系统输出接口部分、报警提示人机部分；所述仲裁切换装置包括检测模块、切换模块、表决模块和报警提示模块；

工作插件和热备份插件分别接收现场测量信号，进行控制运算处理，并分别将输出的结果信号和工作状态信号发送至检测模块；所述热备份插件处于热备份状态；

检测模块用于确定工作插件和热备份插件的数目，根据结果信号和工作状态信号，判断每个工作插件和热备份插件是否正常，并将结果发送至切换模块和报警提示模块；

切换模块根据所述结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件，形成新的正常工作插件，并将所有正常工作插件的输出信号发送至表决模块；

表决模块用于将正常工作插件的数目与表决预设值进行逻辑判断，若数目大于等于表决预设值，则将正常工作插件的输出信号作为表决输出；若数目小于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，直到正常工作插件的数目满足表决逻辑；

系统输出接口部分用于接收表决输出，并将其转换为驱动执行机构信号；

报警提示模块根据所述结果进行故障报警，并将报警提示信号发送至报警提示人机部分；

报警提示人机部分根据报警提示信号提示用户，并支持用户输入报警处理信号对报警进行处理。

2.如权利要求1所述的硬件仲裁混合冗余智能控制器，其特征在于：还包括报警提示接口部分，所述报警提示模块将报警提示信号发送至报警提示接口部分；所述报警提示接口部分对报警提示信号进行转换，提供给其他设备进行报警提示。

3.如权利要求1所述的硬件仲裁混合冗余智能控制器，其特征在于：所述切换模块根据所述结果产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块。

4.如权利要求1所述的硬件仲裁混合冗余智能控制器，其特征在于：所述仲裁切换装置为FPGA。

5.如权利要求1所述的硬件仲裁混合冗余智能控制器，其特征在于：所述报警提示人机部分包括显示装置、报警装置和输入装置，所述报警提示人机部分根据报警提示信号驱动报警装置报警，并通过显示装置显示；用户通过输入装置输入报警处理信号对报警进行处理。

6.一种基于权利要求1所述的硬件仲裁混合冗余智能控制器的冗余备份方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将至少一个工作插件和至少一个热备份插件安装在仲裁切换装置相应的插槽中；

步骤2：上电工作后，检测模块检测工作插件和热备份插件的数目，判断每个工作插件和热备份插件是否正常，并将结果发送至切换模块和报警提示模块；

步骤3：切换模块根据所述结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件，形成新的正常工作插件，并将所有正常工作插件的输出信号发送至表决模块；

步骤4：表决模块将正常工作插件的数目与表决预设值进行逻辑判断，若数目大于等于表决预设值，则将正常工作插件的输出信号作为表决输出；若数目小于表决预设值，则取上一个满足表决逻辑的输出作为表决输出，直到正常工作插件的数目满足表决逻辑；

步骤5：报警提示人机部分根据报警提示信号提示用户，并支持用户输入报警处理信号对报警进行处理；

步骤2中，检测模块对接收到的输出结果信号和工作状态信号进行检测，检测每个工作插件和热备份插件是否处于正常工作状态，

如果工作插件或热备份插件处于非正常工作状态，则判断该插件为非正常工作插件或非正常热备份插件；

如果工作状态正常，且工作插件或热备份插件的输出结果信号不一致，则判断该插件为非正常工作插件或非正常热备份插件；

如果工作状态正常，且工作插件或热备份插件的输出结果信号一致，则判断该插件为正常工作插件或正常热备份插件。

7.如权利要求6所述的冗余备份方法，其特征在于：所述步骤4中，所述表决预设值设为至N中的任意整数，其中N表示原工作插件的数目。

8.如权利要求6所述的冗余备份方法，其特征在于：所述步骤3中，所述切换模块根据检测结果，用正常热备份插件切换替代非正常工作插件形成新的正常工作插件的过程中，产生切换提示信号，并将切换提示信号发送至报警提示模块。