CN104246629B - 冗余运算处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冗余运算处理系统，其可以利用第1、第2CPU(11、12)执行相同的运算处理，其具备：第1电源电路(51)，其经由第1开关(31)向第1CPU(11)供应电源；第2电源电路(52)，其经由第2开关(32)向第2CPU(12)供应电源；第1电压异常检测电路(21)，其检测电源电路(51)的电压在CPU(11)的容许电源电压范围外并输出电压异常检测信号；以及第2电压异常检测电路(22)，其检测电源电路(52)的电压在CPU(12)的容许电源电压范围外并输出电压异常检测信号。CPU(11)根据电压异常检测电路(22)输出的电压异常检测信号，切断第2开关(32)，CPU(12)根据电压异常检测电路(21)输出的电压异常检测信号，切断第1开关(31)。

Description

冗余运算处理系统
技术领域
本发明涉及一种监视运算处理装置的电源异常或过热等并执行规定处理的冗余运算处理系统，尤其涉及一种用于实现如下目的的冗余运算处理系统，即实现电动机驱动用逆变器、伺服放大器等功率转换器、PLC等控制对象设备的安全功能。
背景技术
图4所示为用于监视CPU的电源异常并保护CPU的监视保护装置的现有技术。在图4中，10为CPU，20为过电压检测电路，30为开关，50为电源电路(额定电压例如为直流5V)。
根据该现有技术，过电压检测电路20始终监视经由开关30从电源电路50供应给CPU10的电源电压。当电源电压超出CPU10的容许电源电压时，通过过电压检测电路20的输出信号，切断开关30，断开对CPU10的电源供应，保护CPU10。
另一方面，为了支持规定的功能安全标准，众所周知的有CPU冗余的运算处理系统。即便采用此种运算处理系统，为了保护包括CPU在内的电路元器件，仍要采取各种监视保护对策。
例如，图5是专利文献1中记载的运算处理系统的框图。
在图5中，控制装置100具备主CPU101及子CPU102。经由电源电路103，从直流电源108向这些CPU101、102供应电源电压。此外，主CPU101及子CPU102中，经由负载驱动元件106、107分别连接有负载201、202。另外，从直流电源108向负载驱动元件106、107供应电源电压。
再者，在电源电路103和接地之间，经由电阻连接有内部温度传感器104、105，相当于这些内部温度传感器104、105的温度检测值的电压分别输入到主CPU101及子CPU102中。此处，为了检测主CPU101、子CPU102的环境温度，内部温度传感器104、105分别配置在各CPU的附近。
根据该现有技术，当内部温度传感器104发生故障时，或者内部温度传感器104的温度检测值超出CPU的容许运行温度，主CPU101发生故障或失控时，子CPU102会根据内部温度传感器105的温度检测值执行规定的处理，控制负载驱动元件106、107，从而进行所谓的故障安全操作(fail-safeoperation)。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-146135号公报(段落[0010]、[0018]、[0019]、图1等)
发明概要
发明所要解决的技术问题
图4所示的现有技术只是单独使用CPU时的监视保护技术，并没有考虑到多个CPU冗余的运算处理系统及过热保护对策等。
此外，根据图5的现有技术，直流电源108或电源电路103的异常会直接波及主CPU101及子CPU102，因此，就存在极易受到电源异常影响的问题。
再者，此现有技术的前提是，故障安全操作时，子CPU102根据内部温度传感器105的温度检测值进行正常运行。但是，如果内部温度传感器105配置在子CPU102的附近，当其环境温度变成高温时，即使内部温度传感器105正常运行，但对子CPU102而言，环境温度仍有可能会超出容许运行温度，无法正常运行。
因此，本发明的目的在于提供一种冗余运算处理系统，其在电源异常时或温度异常时也能可靠地执行运算处理及保护操作、警报输出操作等。
此外，本发明的另一目的在于提供一种硬件或软件的负担小、可以低成本地实现的冗余运算处理系统。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述技术问题，如权利要求1所述，本发明适用于可以利用第1及第2运算处理装置执行相同的运算处理的冗余运算处理系统，具备：第1异常检测电路，其检测第1运算处理装置侧的异常；第2异常检测电路，其检测第2运算处理装置侧的异常；以及第1运算处理装置根据第2异常检测电路输出的异常信号，执行第2运算处理装置侧的异常保护处理，第2运算处理装置根据第1异常检测电路输出的异常信号，执行第1运算处理装置侧的异常保护处理。
具体为，如权利要求2所述，本发明具备：第1电源电路，其经由第1开关向第1运算处理装置供应电源；第2电源电路，其经由第2开关向第2运算处理装置供应电源。此外，本发明具备：第1电压异常检测电路，其检测第1电源电路的电源电压在第1运算处理装置的容许电源电压范围外并输出电压异常检测信号；以及第2电压异常检测电路，其检测第2电源电路的电源电压在第2运算处理装置的容许电源电压范围外并输出电压异常检测信号。
在上述结构中，第1运算处理装置根据第2电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第2开关，此外，第2运算处理装置根据第1电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第1开关。
另外，如权利要求5所述，本发明优选为在第1运算处理装置切断第2开关时，第1运算处理装置在输出警报的同时，代替第2运算处理装置执行之后的运算处理，在第2运算处理装置切断第1开关时，第2运算处理装置在输出警报的同时，代替第1运算处理装置执行之后的运算处理。
另外，如权利要求6所述，本发明具备：第1温度传感器，其配置在第1运算处理装置的附近，检测第1运算处理装置的环境温度，并将温度检测值发送给第2运算处理装置；以及第2温度传感器，其配置在第2运算处理装置的附近，检测第2运算处理装置的环境温度，并将温度检测值发送给第1运算处理装置。
然后，当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行，当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行。
如权利要求9所述，这种情况下优选为在第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行时，第1运算处理装置在输出警报的同时，代替第2运算处理装置执行之后的运算处理，在第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行时，第2运算处理装置在输出警报的同时，代替第1运算处理装置执行之后的运算处理。
再者，如权利要求10所述，本发明可以具备权利要求2中的第1及第2开关、第1及第2电源电路、第1及第2电压异常检测电路以及权利要求6中的第1及第2温度传感器。
这种情况下，第1运算处理装置根据第2电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第2开关，当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，使第2运算处理装置停止运行。第2运算处理装置根据第1电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第1开关，当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，使第1运算处理装置停止运行。
另外，如权利要求11所述，也可以设计成当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，第1运算处理装置切断第2开关，当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，第2运算处理装置切断第1开关。
发明效果
根据本发明，当一方运算处理装置发生异常时，具体为一方运算处理装置的电源电压变为过电压或低电压，在容许电源电压范围外时，或者环境温度变得过热或低温，在容许运行温度范围外时，另一方运算处理装置可以执行之后的运算处理、警报输出、一方运算处理装置的保护操作等异常保护处理。从而可以无阻碍地继续开展作为冗余运算处理系统的运算处理，并且可以防止因过电压或低电压等电压异常以及过热或低温等温度异常等各种异常造成电路元器件的损伤。
再者，本发明的电路结构及处理内容比较简单，因此硬件及软件的负担小，可以低成本地实现本发明。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式的框图。
图2是表示本发明第2实施方式的框图。
图3是表示本发明第3实施方式的框图。
图4是表示现有的监视保护装置的框图。
图5是表示专利文献1中记载的现有技术的框图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明第1实施方式的框图。在图1中，11、12分别为第1、第2CPU，经由图5所示的负载控制元件等，这些CPU11、12的运算输出被赋予给通用负载。这里，第1、第2CPU11、12可以执行相同的运算处理，构成了冗余运算处理系统。
经由第1开关31，从第1电源电路51向第1CPU11供应电源电压；经由第2开关32，从第2电源电路52向第2CPU12供应电源电压。这里，分别独立地从电源电路51、52向第1、第2CPU11、12供应电源，是为了支持规定的功能安全标准。
供应给第1CPU11的电源电压被输入到第1电压异常检测电路21中，从电压异常检测电路21输出的电压异常检测信号x1被输入到第2CPU12中。同样，供应给第2CPU12的电源电压被输入到第2电压异常检测电路22中，从电压异常检测电路22输出的电压异常检测信号x2被输入到第1CPU11中。
此外，可以通过从第2CPU12输出的切断信号y1切断第1开关31，通过从第1CPU11输出的切断信号y2切断第2开关32。另外，第1、第2CPU11、12可以通过信号a1、a2，互相收发自己的运行信息及对另一方的控制信息等。
接下来，对该第1实施方式的操作进行说明。
目前，分别经由开关31，从电源电路51向第1CPU11供应电源，经由开关32，从电源电路52向第2CPU12供应电源。这里，预先决定将第1、第2CPU11、12中的某一方(例如第1CPU11)设为主CPU，将另一方(例如第2CPU12)设为子CPU进行使用。
此刻，例如当主CPU即第1CPU11侧的电源电路51发生异常，超出CPU11预先决定的规定容许电源电压时，第1电压异常检测电路21对其进行检测，并将电压异常检测信号x1发送给第2CPU12。当子CPU即第2CPU12接收到电压异常检测信号x1时，输出切断信号y1，切断第1开关31，切断从电源电路51向第1CPU11的电源供应，使其停止运行。
由此，可以防止第1CPU11因过大的电源电压而发生故障或受到破坏，可以预防CPU11的保护或负载的误操作等。
之后，可以重新通过作为主CPU的第2CPU12的操作，对负载执行规定的运算处理。
通过第2CPU12的操作，将第1CPU11侧的电源异常或电源切断等事件作为警报输出进行显示或发送到外部即可，相关的显示技术及通信技术很容易就能实现。
此外，可以通过CPU11、12间的信号a1、a2的收发，互相识别主CPU和子CPU的互换及发生警报等事件。
实际上，第2CPU12侧的电源电路52发生异常时的操作和上述相同，很容易类推，因此省略说明。
另外，在上述实施方式中，作为电源异常，对超出预先决定的规定容许电源电压，成为过电压的情况进行了说明，如果低于预先决定的规定容许电源电压，成为低电压时，也可以实施相同的保护操作。低电压时，第1CPU11或第2CPU12发生破损的可能性较低，但变得无法运行(变得无运行保证)这一点是相同的。
因此，第1电压异常检测电路21检测第1电源电路51的电源电压低于第1CPU11预先决定的规定容许电源电压，并输出电压异常检测信号x1；第2电压异常检测电路22检测第2电源电路52的电源电压低于第2CPU12预先决定的规定容许电源电压，并输出电压异常检测信号x2。
继而，第1CPU11根据第2电压异常检测电路22输出的电压异常检测信号x2，并通过切断信号y2切断第2开关32；第2CPU12根据第1电压异常检测电路21输出的电压异常检测信号x1，并通过切断信号y1切断第1开关31。
由此，可以防止第1CPU11或第2CPU12因低电压变得无法运行，可以预防第1CPU11或第2CPU12的保护或负载的误操作等。
根据第1实施方式，当检测到冗余运算处理系统中一方CPU的电源异常，另一方CPU就会切断电源或输出警报等，从而可以在保护一方CPU或负载的同时，继续执行规定的运算处理。
继而，图2是表示本发明第2实施方式的框图。该第2实施方式涉及冗余运算处理系统中的过热保护功能。
在图2中，在第1CPU11的附近配置有第1温度传感器41，在第2CPU12的附近配置有第2温度传感器42。第1温度传感器41的温度检测信号z1输入到第2CPU12中，第2温度传感器42的温度检测信号z2输入到第1CPU11中。
这里，第1CPU11及第1温度传感器41和第2CPU12及第2温度传感器42相隔一定距离，配置在装置内部。再者，第1CPU11及第1温度传感器41和第2CPU12及第2温度传感器42也可以在两者之间设置隔热层，进行热分离。此外，和第1实施方式中的电源电路51、52一样，在第1、第2CPU11、12中分别独立地配置温度传感器41、42是为了支持规定的功能安全标准。
接着，对该实施方式的操作进行说明。
例如，假设由于主CPU即第1CPU11的内部故障或者周边电路故障等原因，第1CPU11及第1温度传感器41的环境温度上升。此时，第1温度传感器41的温度检测信号z1输入到第2CPU12中，因此第2CPU12可以识别出输入的温度检测值为高值，超出CPU11预先决定的规定容许运行温度，CPU11的环境温度处于过热状态。
另外，即使第1CPU11的环境温度超出容许运行温度，由于第2CPU12与第1CPU11隔开一定距离地配置，因此第2CPU12并不会受到过热的影响，可以正常地运行。
因此，第2CPU12将信号a2发送给第1CPU11，使CPU11停止运行，之后，自己作为主CPU对负载执行规定的运算处理。
通过第2CPU12的操作，将第1CPU11侧的过热异常作为警报输出进行显示或发送到外部即可。此外，和第1实施方式一样，可以通过CPU11、12间的信号a1、a2的收发，互相识别主CPU和子CPU的互换及发生警报等事件。
第2CPU12侧发生过热异常时的操作很容易类推，因此此处省略说明。
根据第2实施方式，当检测到冗余运算处理系统中一方CPU侧的过热异常，另一方CPU就会执行代替处理或输出警报等，从而可以在保护一方CPU或负载的同时，继续执行规定的运算处理。
另外，在上述第2实施方式中，作为温度异常，对超出预先决定的规定容许运行温度，成为过热状态的情况进行了说明，如果低于预先决定的规定容许运行温度，成为低温状态(例如，低于负10°的状态等)时，也可以实施相同的保护操作。在低温状态下，第1CPU11或第2CPU12发生破损的可能性较低，但变得无法运行(变得无运行保证)这一点是相同的，并且，低温后还可能发生结露，CPU可能会产生问题。
因此，当第2温度传感器42的温度检测值低于第2CPU12预先决定的规定容许运行温度时，第1CPU11根据温度检测信号z2，使第2CPU12停止运行；当第1温度传感器41的温度检测值低于第1CPU11预先决定的规定容许运行温度时，第2CPU12根据温度检测信号z1，使第1CPU11停止运行。
由此，可以防止第1CPU11或第2CPU12因低温状态变得无法运行，可以预防第1CPU11或第2CPU12的保护或负载的误操作等。
图3是表示本发明第3实施方式的框图。
该第3实施方式相当于图1的第1实施方式和图2的第2实施方式的组合。在图3中，对于和图1、图2相同的元器件、电路、信号，标注相同的参考标号。
在该第3实施方式中，第2CPU12侧的电压异常检测信号x2及温度检测信号z2输入到第1CPU11中，与此同时，第1CPU11侧的电压异常检测信号x1及温度检测信号z1输入到第2CPU12中。
继而，和第1实施方式一样，从第1CPU11向第2开关32输出切断信号y2，从第2CPU12向第1开关31输出切断信号y1。另外，切断信号y1、y2可以只在检测到另一方CPU侧的电压异常检测信号x1、x2时产生，并切断电源，除此之外，也可以在根据另一方CPU侧的温度检测信号z1、z2检测到过热或低温等温度异常时产生，并切断电源。
根据该第3实施方式，可以提供一种冗余运算处理系统，其能够应对另一方CPU侧的过电压或低电压等电源异常以及过热或低温等温度异常这两者。
第1～第3实施方式对双重的由CPU11、12组成的冗余运算处理系统进行了说明，本发明可以适用于对包括MPU、DSP等在内的各种运算处理装置进行双重化的冗余运算处理系统。
工业上的实用性
本发明可以用作各种控制装置、测量装置等的冗余运算处理系统。
符号说明
11、12：CPU
21、22：电压异常检测电路
31、32：开关
41、42：温度传感器
51、52：电源电路

Claims (10)

1.一种冗余运算处理系统，其可以利用第1运算处理装置及第2运算处理装置执行相同的运算处理，其特征在于，具备：
第1电源电路，其经由第1开关向第1运算处理装置供应电源；
第2电源电路，其经由第2开关向第2运算处理装置供应电源；
第1电压异常检测电路，其检测出第1电源电路的电源电压在第1运算处理装置的容许电源电压范围外的情况，并输出电压异常检测信号；以及
第2电压异常检测电路，其检测出第2电源电路的电源电压在第2运算处理装置的容许电源电压范围外的情况，并输出电压异常检测信号，
第1运算处理装置根据第2电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第2开关，
第2运算处理装置根据第1电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第1开关。
2.如权利要求1所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
所述第1电压异常检测电路检测出第1电源电路的电源电压超出了第1运算处理装置的容许电源电压的情况，并输出电压异常检测信号，
所述第2电压异常检测电路检测出第2电源电路的电源电压超出了第2运算处理装置的容许电源电压的情况，并输出电压异常检测信号。
3.如权利要求1所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
所述第1电压异常检测电路检测第1电源电路的电源电压低于第1运算处理装置的容许电源电压的情况，并输出电压异常检测信号，
所述第2电压异常检测电路检测第2电源电路的电源电压低于第2运算处理装置的容许电源电压的情况，并输出电压异常检测信号。
4.如权利要求1至3中任一项所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
在第1运算处理装置切断了第2开关时，第1运算处理装置在输出警报的同时，代替第2运算处理装置执行之后的运算处理，
在第2运算处理装置切断了第1开关时，第2运算处理装置在输出警报的同时，代替第1运算处理装置执行之后的运算处理。
5.一种冗余运算处理系统，其可以利用第1运算处理装置及第2运算处理装置执行相同的运算处理，其特征在于，具备：
第1温度传感器，其配置在第1运算处理装置的附近，检测第1运算处理装置的环境温度，并将其温度检测值发送给第2运算处理装置；以及
第2温度传感器，其配置在第2运算处理装置的附近，检测第2运算处理装置的环境温度，并将其温度检测值发送给第1运算处理装置，
当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行，
当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行。
6.如权利要求5所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
当第2温度传感器的温度检测值超出了第2运算处理装置的容许运行温度时，所述第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行，
当第1温度传感器的温度检测值超出了第1运算处理装置的容许运行温度时，所述第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行。
7.如权利要求5所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
当第2温度传感器的温度检测值低于第2运算处理装置的容许运行温度时，所述第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行，
当第1温度传感器的温度检测值低于第1运算处理装置的容许运行温度时，所述第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行。
8.如权利要求5至7中任一项所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
在第1运算处理装置使第2运算处理装置停止运行时，第1运算处理装置在输出警报的同时，代替第2运算处理装置执行之后的运算处理，
在第2运算处理装置使第1运算处理装置停止运行时，第2运算处理装置在输出警报的同时，代替第1运算处理装置执行之后的运算处理。
9.一种冗余运算处理系统，其可以利用第1运算处理装置及第2运算处理装置执行相同的运算处理，其特征在于，具备：
第1电源电路，其经由第1开关向第1运算处理装置供应电源；
第2电源电路，其经由第2开关向第2运算处理装置供应电源；
第1电压异常检测电路，其检测出第1电源电路的电源电压在第1运算处理装置的容许电源电压范围外的情况，并输出电压异常检测信号；
第2电压异常检测电路，其检测出第2电源电路的电源电压在第2运算处理装置的容许电源电压范围外的情况，并输出电压异常检测信号；
第1温度传感器，其配置在第1运算处理装置的附近，检测第1运算处理装置的环境温度，并将温度检测值发送给第2运算处理装置；以及
第2温度传感器，其配置在第2运算处理装置的附近，检测第2运算处理装置的环境温度，并将温度检测值发送给第1运算处理装置，
第1运算处理装置根据第2电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第2开关，当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，使第2运算处理装置停止运行，
第2运算处理装置根据第1电压异常检测电路输出的电压异常检测信号，切断第1开关，当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，使第1运算处理装置停止运行。
10.如权利要求9所述的冗余运算处理系统，其特征在于，
当第2温度传感器的温度检测值在第2运算处理装置的容许运行温度范围外时，第1运算处理装置切断第2开关，
当第1温度传感器的温度检测值在第1运算处理装置的容许运行温度范围外时，第2运算处理装置切断第1开关。
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