CN104407556B - 一种热备冗余的模块切换装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种热备冗余的模块切换装置，包括第一工作模块的第一控制电路和第二工作模块的第二控制电路；第一控制电路和第二控制电路均包括主控单元、切换触发单元、状态生成单元和自控单元；切换触发单元用于向对端控制电路发送使能电信号；状态生成单元用于根据反馈电信号更新其所属工作模块的当前状态电信号；自控单元用于生成控制状态生成单元的当前状态电信号的自控电信号。由于自控单元可以将自身工作模块的当前状态进行锁定，所以在对处于备用状态的工作模块进行插拔过程中，处于备用状态的工作模块不会自动进入工作状态，从而避免了两个工作模块同时进入工作模块的情况，进而保障了整个热备冗余系统的现场控制的稳定性。

Description

一种热备冗余的模块切换装置

技术领域

本发明涉及工业控制领域，特别是涉及一种热备冗余的模块切换装置。

背景技术

在工业控制系统中，为了提高系统的可靠性和可维护性，广泛应用了热备冗余技术；具体的，通过为系统中某些主工作模块配置备用工作模块，从而可以在主工作模块故障时可以通过使对应的备用工作模块进入工作状态来替代故障主工作模块的工作，进而减少或是消除由于主工作模块的故障而带来的负面影响。

为了实现备用工作模块可以在主工作模块故障时，备用工作模块可以自动的进入工作状态以替代故障的主工作模块，热备冗余技术中还需要设有热备冗余的模块切换装置，所述模块切换装置一般包括冗余通信电路和冗余切换控制单元；其中，冗余通信电路主要功能是完成主工作模块与备用工作模块之间的冗余数据信息的实时交互；冗余切换控制单元的主要功能是以主工作模块的运行状态为触发参数，来进行对应的电路切换动作，从而实现备用工作模块在主工作模块故障时自动进入工作状态。

现有技术中热备冗余的模块切换装置的工作方式包括，主工作模块发出固定频率信号作为冗余设备间的连接信号，这样，通过这个时变的频率信号表征主工作模块的工作状态，从而可以当根据这个频率信号判断主工作模块为故障时，通过进行主备工作模块间的切换控制，使备用工作模块进入工作状态。

发明人经过研究发现，现有技术中热备冗余的切换装置，存在可能出现双工作的问题，即，容易发生主工作模块和备用工作模块同时保持工作状态的情况，从而对现场控制造成影响。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种热备冗余的模块切换装置，以实现防止出现主工作模块和备用工作模块同时处于工作状态的问题，并且能实现主工作模块与备用模块的状态能同步变化。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种热备冗余的模块切换装置，包括：第一工作模块的第一控制电路，和，第二工作模块的第二控制电路；

互为对端的所述第一控制电路和所述第二控制电路均包括：主控单元、切换触发单元、状态生成单元和自控单元；

所述切换触发单元用于向对端控制电路发送使能电信号；所述使能电信号根据所述主控单元的切换指令和/或其所属工作模块的当前状态电信号生成；

所述状态生成单元用于根据反馈电信号更新其所属工作模块的当前状态电信号；所述反馈电信号为接收自对端控制电路的所述使能电信号；

所述自控单元用于生成控制所述状态生成单元的当前状态电信号的自控电信号；所述自控电信号根据所述状态生成单元的当前状态电信号和所述主控单元的解锁指令生成；所述自控电信号的优先级低于所述反馈电信号。

优选的，在本发明实施例中，所述切换触发单元包括触发链路和接收链路；

所述触发链路用于通过设于基座的工作模块插槽与对端控制电路的所述接收链路电路连接。

优选的，在本发明实施例中，所述接收链路分别连接至所述切换触发单元的输入端和所述状态生成单元的输入端。

优选的，在本发明实施例中，所述切换指令、所述解锁指令、所述使能电信号、所述反馈电信号、所述自控电信号和当前状态电信号均为高低电平信号。

优选的，在本发明实施例中，所述切换触发单元包括第一与非运算组件，用于将所述切换指令与其所属工作模块的当前状态电信号进行与非逻辑运算，以生成所述使能电信号。

优选的，在本发明实施例中，所述自控单元包括解锁指令接口、第二与非运算组件和抑制电阻；

所述第二与非运算组件分别以所述状态生成单元所输出的当前状态电信号，和，所述解锁指令接口所接收的解锁指令为输入，并在输出端串联所述抑制电阻，所述抑制电阻连接至所述接收链路。

优选的，在本发明实施例中，所述状态生成单元包括非逻辑处理组件，用于将所述反馈电信号或所述自控电信号进行非逻辑运算以生成所述当前状态电信号。

优选的，在本发明实施例中，还包括复位单元；

所述复位单元用于向所述切换触发单元或/和所述主控单元输入复位电信号。

优选的，在本发明实施例中，所述主控单元包括微控制器MCU。

从上述的技术方案可以看出，本申请中的模块切换装置使每个控制电路通过切换触发单元将自身的当前状态发送至对端的控制电路的状态生成单元，从而可以使两个工作模块随时处于不同的工作状态，同时，两个控制电路还都设有自控单元，由于自控单元可以将自身工作模块的当前状态以优先级较低的电信号进行锁定，所以在对处于备用状态的工作模块进行插拔过程中，处于备用状态的工作模块不会自动进入工作状态，从而避免了两个工作模块同时进入工作模块的情况，进而保障了整个热备冗余系统的现场控制的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中所述热备冗余的模块切换装置的结构示意图；

图2为本申请中所述热备冗余的模块切换装置的又一结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了实现防止出现主工作模块和备用工作模块同时处于工作状态的问题，本申请提供了一种热备冗余的模块切换装置，如图1和图2所示，包括：

第一工作模块的第一控制电路01，和，第二工作模块的第二控制电路02；互为对端的第一控制电路01和第二控制电路01均包括：主控单元、切换触发单元、状态生成单元和自控单元；其中，第一控制电路01中包括，第一主控单元10、第一切换触发单元11、第一状态生成单元12和第一自控单元13；第二控制电路02中包括，第二主控单元20、第二切换触发单元21、第二状态生成单元22和第二自控单元23。

切换触发单元(包括第一切换触发单元11和第二切换触发单元21)，用于向对端控制电路发送使能电信号；使能电信号根据其所属工作模块的主控单元的切换指令和/或当前状态电信号生成；

状态生成单元(包括第一状态生成单元12和第二状态生成单元22)，用于根据反馈电信号更新其所属工作模块的当前状态电信号；反馈电信号为接收自对端控制电路的使能电信号；

自控单元(包括第一自控单元13和第二自控单元23)，用于生成控制状态生成单元的当前状态电信号的自控电信号；自控电信号根据状态生成单元的当前状态电信号和主控单元的解锁指令生成；自控电信号的优先级低于反馈电信号。

发明人经过研究发现，现有技术中，之所以会容易发生主工作模块和备用工作模块同时保持工作状态的情况，其原因包括，由于现有技术中处于备用状态的工作模块进入工作状态的触发条件为检测不到预设的频率信号，所以，在处于备用状态的工作模块在插拔的过程中产生插接链路的不稳定时，或是传输频率信号的电路本身就接触不良时，就会很可能出现由于处于备用状态的工作模块由于没有接收到频率信号而进入工作状态的情况，由于此时原处于工作状态的工作模块也还在工作状态中，所以就会出现双工作的状态。

基于以上现有技术缺陷的形成原因，在本申请中，采用了互反馈且自控工作模块的当前状态的方式，实现在可以保障执行正当的切换指令的前提下，使互为备份的两个工作模块当前状态在同一时间互相不同，且可以在没有切换指令或解锁指令时保持工作模块当前状态不变。

具体的，在本申请中，模块切换装置既包括基于特定控制单元的指令控制部分，也包括双稳态的互反馈控制部分。

其中，指令控制部分可以由每个控制电路的主控单元来实现，热备冗余的模块切换装置中分属于两个控制电路的两个主控单元之间可以通过通讯链路来交互数据信息，主控单元可以根据其所属工作模块的监测数据或对端主控单元的交互数据来生成相应的控制指令或解锁指令；比如，当监测到处于工作状态的工作模块为故障时，该工作模块的主控单元就可以由此来生成用于指示进行模块切换的切换指令，或者，当监测到处于工作状态的工作模块为丢失时，主控单元就可以由此来生成用于指示处于备用状态的工作模块切换至工作状态的解锁指令。

具体的，主控单元可以是一个MCU(微控制器，MicroControllerUnit)，之所以采用MCU是因为，MCU集成度高且成本低廉，此外，MCU还可以提供多种输入输出接口可以与工作模块的监测单元连接，或是来提供用户接口，而且，通过采用MCU还能通过编制相应的程序来满足不同的需要或是进行相应的运算处理。

另外，本申请中的双稳态的互反馈控制部分，包括对称分布的两个控制电路，即，第一工作模块的第一控制电路01，和，第二工作模块的第二控制电路02；这两个控制电路或工作模块互为对端，即，以其中一个控制电路或工作模块为描述主体时，另一个控制电路或工作模块均可以称之为对端控制电路或对端工作模块。

由于两个控制电路对称分布，所以电路结构基本相同，具体的，每个控制电路均包括切换触发单元、状态生成单元和自控单元；其中，切换触发单元用于生成使能电信号，使能电信号的作用为使对端控制电路更新自身的当前状态，作为使能电信号的接收端会将该电信号视为反馈电信号，即，切换触发单元所生成的使能电信号在经由连接电路传送至对端的控制电路后，被称为反馈电信号；也就是说，对于每个控制电路来说，由切换触发单元生成的电信号被称之为使能电信号，而接收自对端控制电路的电信号被称之为反馈电信号。

状态生成单元用于根据反馈电信号更新其所属工作模块的当前状态电信号；控制电路在接收到反馈电信号后，可以根据反馈电信号变化来更新其所属工作模块的当前状态。

在本申请中，为了使控制电路的状态生成单元不受与对端控制电路的连通性的影响，还设有了自控单元，自控单元在没有接收到解锁指令的情况下，向状态生成单元输入与当前状态电信号类似的电信号，使控制电路与对端控制电路断开连接时也能保持原有的当前状，同时，由于自控电信号的优先级低于反馈电信号，所以，在控制电路与对端控制电路连接时，还可以正常的根据反馈电信号执行相应的切换指令。同时，处于备用状态的工作模块中的自控单元还可以在接收到主控单元的解锁指令后，及时的进行解锁，使状态生成单元更新当前工作状态电信号为与进入工作状态对应，从而实现当原工作状态中的工作模块丢失时，处于备用状态的工作模块由备用状态到工作状态的状态切换。

通过上述记载可以得知，本申请中的模块切换装置使每个控制电路通过切换触发单元将自身的当前状态发送至对端的控制电路的状态生成单元，从而可以使两个工作模块随时处于不同的工作状态，同时，两个控制电路还都设有自控单元，由于自控单元可以将自身工作模块的当前状态以优先级较低的电信号进行锁定，所以在对处于备用状态的工作模块进行插拔过程中，处于备用状态的工作模块不会自动进入工作状态，从而避免了两个工作模块同时进入工作模块的情况，进而保障了整个热备冗余系统的现场控制的稳定性。

在实际应用中，两个控制电路可以通过触发链路和接收链路来连通，比如，两个工作模块都分别通过设于基座的工作模块插槽与基座连接，在每个工作模块的插接接口中都设有触发链路和接收链路，其中，触发链路与切换触发单元的输出端连接，用于发送使能电信号；接收链路分别与切换触发单元的输入端，以及状态生成单元的输入端连接，用于接收反馈电信号，这样，在两个工作模块插接于基座上后，通过基座上的交叉电路就可以将两个控制电路连接。

优选的，本申请中的切换指令、解锁指令、使能电信号、反馈电信号、自控电信号和当前状态值均可以通过高低电平信号来体现，即通过高低电平的变化来实现工作模块的状态控制。

参考图1和图2，图1示出的是第一工作模块处于工作状态时热备冗余的模块切换装置中各部件的电信号状态示意图，图2示出的将第二工作模块切换至工作状态时热备冗余的模块切换装置中各部件的电信号变化示意图；以第一工作模块处于工作状态为例，此时，第一控制电路01的第一切换触发单元11可以包括第一与非运算组件，主控单元10向第一切换触发单元11输入的常态电信号为高电平1，此外，向第一切换触发单元11输入的反馈电信号也为高电平信号1，第一与非运算组件经与非逻辑运算后，生成的使能电信号为低电平信号0。

对端的第二控制电路02接收到的电平信号为低电平信号0，即，其反馈电信号为低电平信号0，此时第二控制电路02的第二状态生成单元22的输入为低电平信号0，由于第二状态生成单元22为非逻辑处理组件，所以，经过非逻辑运算后，第二状态生成单元22的输出会为高电平信号1，即，表征第二控制电路02所属的工作模块的当前状态为备用状态。

第二控制电路02的第二自控单元23可以包括解锁指令接口231、第二与非运算组件和第二抑制电阻；第二与非运算组件分别以第二状态生成单元22所输出的当前状态电信号和解锁指令接口231所接收的解锁指令为输入，并在输出端串联抑制电阻，第二抑制电阻连接至所述接收链路。除非主控单元20向解锁指令接口231发送解锁指令，解锁指令接口231的常态输出为高电平信号1，此时，由于第二状态生成单元22输出的当前状态电信号为为高电平1，所以，在没有反馈电信号时，经过第二与非运算组件的逻辑运算后，第二自控单元23会输出与之相反的自控电信号低电平信号0。

同时，反馈电信号还作为第二控制电路02的第二接切换触发单元21的输入电信号，反馈电信号低电平信号0时，由于主控单元20向第二切换触发单元21输入的常态电信号为高电平1，所以第二切换触发单元21经与非逻辑运算后，生成的使能电信号为高电平信号1。

第一控制电路01接收到的电平信号为高电平信号1，即，其反馈电信号为高电平信号1，此时第一控制电路01的第一状态生成单元12的输入为高电平信号1，其输出会为低电平信号0，即，表征第一控制电路01所属的工作模块的当前状态为工作状态；第一控制电路01的第一自控单元13根据第一状态生成单元12的当前状态电信号低电平信号0生成自控电信号为高电平信号1。

同时，反馈电信号还作为第一控制电路01的第一接切换触发单元11的输入电信号，会经第一切换触发单元11与非逻辑运算后，生成的使能电信号为低电平信号0。

以第一控制电路01为处于工作状态工作模块的控制电路为例，当通过主控单元10的指令进行模块切换时，MCU可以向第一控制电路01中的第一切换触发单元11输入一个低电平信号0，第一接切换触发单元11的生成使能电信号为高电平信号1。

此时，第二控制电路02中的反馈电信号将会由低电平电信号0变化为高电平电信号1；在第二控制电路02中的反馈电信号变化前，第二自控单元23的输出自控电信号为低电平电信号0，由于自控电信号是串联了一个电阻后生成的，所以自控电信号的优先级会低于反馈电信号，因此当反馈电信号变化为高电平电信号1后，会使第二状态生成单元22的输出变化为0，从而使第二控制电路02所属的工作模块由备用状态切换为工作状态。

同时，由于第二控制电路02的反馈电信号还作为第二控制电路02的第二接切换触发单元21的输入电信号，此时第二控制电路02的第二接切换触发单元21的输入会全部为高电平信号1，因此，第二控制电路02的第二接切换触发单元21所生成的使能电信号为低电平信号0。

此时，第一控制电路01中的反馈电信号将会由高电平电信号1变化为低电平电信号0；在第一控制电路01中的反馈电信号变化前，第一自控单元13的输出自控电信号为高电平电信号1，由于自控电信号是串联了一个电阻后生成的，所以自控电信号的优先级会低于反馈电信号，因此当反馈电信号变化为低电平电信号0后，会使第一状态生成单元12的输出变化为1，从而使第一控制电路01所属的工作模块由工作状态切换为备用状态。

上述记载可以得知，本申请中的模块切换装置，可以根据MCU的指令来进行相应的切换。

在实际应用中，有时候需要对处于备用状态的工作模块进行插拔操作，还以第二控制电路所属的第二工作模块为处于备用状态为例，当第二模块拔出时，第二控制电路02的触发链路电路将会与第一控制电路01的接收链路断开，此时，将不会收到反馈电信号，由于第一控制电路01所包括的第一自控单元13可以输出自控电信号高电平电信号1，而所以第一状态生成单元12还会保持其输出为低电平信号0，即，可以保持第一工作模块的当前状态为工作状态。

当插入第二工作模块时，即使插入过程中出现了与插槽接触不稳定的状态，由于第二控制电路02中的第二自控单元23向第二状态生成单元22输出的自控电信号一直为低电平信号0，所以，第二状态生成单元22的输出会一直保持为高电平电信号1，即，会保持第二工作模块的备用状态，所以第二工作模块不会由于自身的插拔操作而进入工作状态，所以，通过本申请中的模块切换装置，可以有效地避免在工作模块的插拔过程中出现双工作的问题。

此外，本申请中的自控单元还可以根据主控单元的解锁指令来使处于备用状态的第二工作模块进入工作状态；具体的，当原处于工作状态的工作模块丢失时，主控单元20会向第二控制电路02发送解锁指令，从而使解锁指令接口231的输出由常态的高电平信号1变为低电平信号0，此时由于第二自控单元23的第二与非运算组件有低电平信号0输入时就会输出高电平电信号1，所以会使第二控制电路02的第二状态生成单元22的输出由高电平信号1变为低电平信号0，从而实现当原工作状态中的工作模块丢失时，备用工作模块由备用状态到工作状态的状态切换。

进一步的，在本申请中，每个控制电路中，还可以包括有复位单元(即，第一复位单元14和第二复位单元24)，复位单元可以监测工作模块的实时电压或是监测主控单元的实时状态，进而可以在工作模块的实时电压异常，或是主控单元处于异常状态时生成复位电信号，通过使对应的切换触发单元输出相应的使能电信号，从而可以使各工作模块可以及时的恢复至正常工作状态。综上所述，本申请中的模块切换装置，使得插拔过程中的处于备用状态的工作模块可以保持其自身的备用状态，从而避免了在对处于备用状态的工作模块插拔时因冗余切换的信号传输电路与基座接触状态不稳定而导致的抢权现象，进而避免了对现场控制的干扰。

此外，由于主控单元的主动切换指令的优先级高于自控电信号，因此，处于备用状态的工作模块又能够正常响应主控单元的的切换指令，从而又可以通过两个控制电路间的互反馈电路做到状态的同步转换。

此外，由于本申请中的模块切换装置，冗余交互接口简单，只需要两根切换控制信号线交叉连接，无需配合其它装置(如弹跳基座等)即可完成，对所使用的电路元器件不但数量少，其均为普通规格电子元器件，所以具有成本低、适宜大规模生产的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的装置而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种热备冗余的模块切换装置，其特征在于，包括：

第一工作模块的第一控制电路，和，第二工作模块的第二控制电路；

互为对端的所述第一控制电路和所述第二控制电路均包括：主控单元、切换触发单元、状态生成单元和自控单元；

所述切换触发单元用于向对端控制电路发送使能电信号；所述使能电信号根据所述主控单元的切换指令和/或其所属工作模块的当前状态电信号生成；

所述状态生成单元用于根据反馈电信号更新其所属工作模块的当前状态电信号；所述反馈电信号为接收自对端控制电路的所述使能电信号；

所述自控单元用于生成控制所述状态生成单元的当前状态电信号的自控电信号；所述自控电信号根据所述状态生成单元的当前状态电信号和所述主控单元的解锁指令生成；所述自控电信号的优先级低于所述反馈电信号。

2.根据权利要求1所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，所述切换触发单元包括触发链路和接收链路；

所述触发链路用于通过设于基座的工作模块插槽与对端控制电路的所述接收链路电路连接。

3.根据权利要求2所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，所述接收链路分别连接至所述切换触发单元的输入端和所述状态生成单元的输入端。

4.根据权利要求3所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，所述切换指令、所述解锁指令、所述使能电信号、所述反馈电信号、所述自控电信号和当前状态电信号均为高低电平信号。

5.根据权利要求4所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，

所述切换触发单元包括第一与非运算组件，用于将所述切换指令与其所属工作模块的当前状态电信号进行与非逻辑运算，以生成所述使能电信号。

6.根据权利要求5所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，

所述自控单元包括解锁指令接口、第二与非运算组件和抑制电阻；

所述第二与非运算组件分别以所述状态生成单元所输出的当前状态电信号，和，所述解锁指令接口所接收的解锁指令为输入，并在输出端串联所述抑制电阻，所述抑制电阻连接至所述接收链路。

7.根据权利要求6所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，

所述状态生成单元包括非逻辑处理组件，用于将所述反馈电信号或所述自控电信号进行非逻辑运算以生成所述当前状态电信号。

8.根据权利要求7所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，还包括复位单元；

所述复位单元用于向所述切换触发单元或/和所述主控单元输入复位电信号。

9.根据权利要求8所述热备冗余的模块切换装置，其特征在于，所述主控单元包括：

微控制器MCU。