CN104714406A - 输入输出模块冗余切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种输入输出模块冗余切换方法，输入输出模块包括处于正常工作状态的主模块和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块，互为冗余的两个模块间采用电平方式传送心跳信号，当主模块工作异常时，将备用模块切换为工作状态；本发明实现了冗余模块的状态快速、准确和有效的判定；传输电路更为可靠和稳定的；可设定的切换时间，提高了模块冗余的适用性和灵活性；结合控制器进一步提高了模块冗余切换的准确性和有效性。满足了系统冗余应用需求，具使用方便、可靠性好、通用性高等优点。

Description

输入输出模块冗余切换方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种冗余切换电路的方法。

背景技术

分散控制系统(Distributed Control System,简称DCS)是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统,其中，可靠性是DCS系统的关键指标，而冗余技术是系统可靠性设计中常用的一种技术，可以有效地提高系统的可靠性。系统的冗余设计虽然可以极大地提高系统的可靠性，但是也会增加了系统的复杂度、设计的难度和系统成本。因此，如何合理并有效地实现控制系统冗余设计，是DCS系统设计的一项关键技术。

DCS系统的冗余技术通过增加多余的设备，保证系统更加可靠、安全地工作。DCS系统的冗余，按照在系统中所处的位置可分为元件级、部件级和系统级；按照冗余的程度可分为1:1冗余、1:2冗余、1:n冗余等多种。在当前元器件可靠性不断提高的情况下,1:1的部件级热冗余是一种有效而又相对简单、配置灵活的冗余技术实现方式。

输入输出模块是系统输入输出层的核心部件，输入输出模块冗余技术是提高系统可靠性和稳定型的有效手段之一。引入输入输出模冗余技术后，当某一模块发生故障，不会影响整个系统功能的实现，而且故障维护对整个系统的功能实现没有影响，可以实现在线维护，使故障模块得到及时的修复。输入输出模块采用1：1冗余方式，即为运行的输入输出模块配置1台相同的备用模块。其中，处于运行状态的模块称之为主，处于备用状态的模块称之为从。模块的冗余切换即当主模块发生故障或失效时，备用模块接管主模块工作且原主模块进入备用状态的过程。冗余控制器主从状态的确定即基于特定控制器的硬件平台通过一定的判定机制确定冗余控制器的主运行或备用状态，是控制器冗余的一项关键技术。冗余控制器需要准确、及时地确定主从状态，以确保控制功能的正确、顺畅的实现，既要避免无主状态，又要避免多主状态；既要保证出现故障时能快速切换，又不能因误动作而频繁切换。

不同的模块冗余的实现的级别不同，方法也不一样，使用的技术也有所不同。有的模块冗余采用器件冗余，有的采用通道冗余，但基于DCS系统特点，元器件冗余和通道冗余不光设计和应用难度大，并且难以实现在线维护。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种输入输出模块冗余切换方法，输入输出模块包括处于正常工作状态的主模块和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块，互为冗余的两个模块间通过心跳信号进行通信，当主模块工作异常时，将备用模块切换为工作状态；

所述心跳信号经过输出端口电路将脉冲信号转换为电平信号发送给备用模块。

进一步，所述主模块与备用模块之间连接有心跳线，主模块通过所述心跳线向备用模块发送心跳信号，当备用模块在预设的时间阈值内没有收到主模块发送的心跳信号，则触发冗余切换。

进一步，所述主模块和备用模块上分别设有输入端和输出端，所述主模块的输入端通过心跳线与备用模块的输出端连接，所述备用模块的输入端通过心跳线与主模块的输出端连接，所述输入端信号触发主模块输出端输出信号的总时间满足下式：

T＝T_W+T_PLH

其中，T_W是脉冲信号的高电平保持时间；T_PLH是经过图2所示电路，将脉冲信号高电平状态延迟的时间。

进一步，所述输入端信号脉冲信号周期不大于T_W。

进一步，实时监控备用模块的输入端的电平信号，若主模块正常工作，则所述输入端一直保持高电平状态，若主模块故障，则所述输入端变为低电平状态。

进一步，若备用模块的输入端低电平状态持续时间超过设定的阈值，则进行冗余切换，将备用模块切换为工作状态，接替主模块进行工作。

进一步，当主模块和备用模块同时处于工作状态时，

对于输入模块，控制器报警并选用低地址模块的数据；

对于输出模块，控制器报警并关断高地址模块的输出。

本发明的有益效果：

本发明实现了冗余模块的状态快速、准确和有效的判定；传输电路更为可靠和稳定的；可设定的切换时间，提高了模块冗余的适用性和灵活性；结合控制器进一步提高了模块冗余切换的准确性和有效性。满足了系统冗余应用需求，具使用方便、可靠性好、通用性高等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的心跳信号输出端口电路图。

图3是本发明的输入端和输出端对应关系图。

图4是本发明的心跳信号输入端口电路图。

图5是本发明的冗余切换判断逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的心跳信号输出端口电路图，图3是本发明的输入端和输出端对应关系图，图4是本发明的心跳信号输入端口电路图，图5是本发明的冗余切换判断逻辑图。

在本实施例中的输入输出模块冗余切换方法，其中输入输出模块包括处于正常工作状态的主模块和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块，互为冗余的两个模块间通过心跳信号进行通信，当主模块工作异常时，将备用模块切换为工作状态；所述心跳信号经过输出端口电路将脉冲信号转换为电平信号发送给备用模块。

如图1所示，输入输出模块冗余主从切换的基本原则是只有备用模块检测到主模块发生故障，备用模块切换为主运行状态。在实施例中，互为冗余的两个模块插在底部连有心跳信号线的底座上。

在本实施例中，主模块运行时，通过本端O端口发送心跳信号给备用模块，以表征自己当前的主运行状态。备用模块若检测到主模块的心跳信号，则认为主运行正常；若超过设定时间T_max未检测到主模块的心跳信号，则认为主模块死机。

如图1所示，主模块和备用模块都有一个用于心跳信号输出的O端口和用于心跳信号输入的I端口，底板上的连线将模块1的O端口连接到模块2的I端口，模块2的O端口连接到模块1的I端口。

如图2所示，本实施例中采用的是单稳态触发器74LS123，基于图2所示的电路方案，该芯片端口Q的输出的OUTPUT信号与端口A输入的INPUT信号的对应关系如图3所示。图3中时间T_W为74LS123对INPUT有效信号的延迟时间，即脉冲信号保持高电平的时间，其大小由图2中R₁和C₁₃决定，且满足如下关系式：

T_W＝K·R₁·C₁₃·(1+0.7/R₁)              (式1)

式(1)中，K≈0.28,R1的单位为KΩ,C13的单位是PF，T_W的单位是ns。图2中R₁＝120KΩ,C₁₃＝100000PF,那么T_W＝3379600ns。

INPUT有效信号触发OUTPUT输出的总时间T满足下式：

T＝T_W+T_PLH        (式2)

其中，T_W是脉冲信号的高电平保持时间；T_PLH是经过图2所示电路，将脉冲信号高电平状态延迟的时间。

由式(1)和式(2)可知，若INPUT信号是一个周期不大于T_W的脉冲信号，则OUTPUT信号会一直保持在高电平状态。因此，只要相邻两个脉冲的发送间隔小于T_PLH，则图2所示电路的输出将一直保持在高电平状态，将这个高电平输入到备用模块的输入端。

在本实施例中，图2中电路的作用就是将表征模块自身正确运行的心态脉冲信号转换为电平信号发送给备用模块。脉冲心跳信号能有效表征模块的运行状态。在互为冗余的两个模块间采用电平方式传送心跳信号比脉冲方式有更高的可靠性和稳定性。

本实施例中，主模块正常运行时，每2ms触发一个脉冲信号到74LS123的端口A；如图2所示，脉冲信号的上升沿触发74LS123的延迟作用，则脉冲信号经过电路转换为高电平信号到DO；DO通过底板连线与令一个模块的I端口连接，如图3所示，备用模块实时监测I端口的信号，若主模块正常运行，则I端口会保持高电平状态；若主模块不存在或者发生故障，则I端口是低电平状态，若低电平状态保持时间超过T_max，则备用模块认为主模块死机并执行主从切换的动作，备用模块执行的切换逻辑流程如图4所示。

在本实施例中，T_max可根据系统运行周期、冗余切换时间等具体实际情况进行设定，以便适应不同应用的需求。对于输入模块，备用模块会实时采集输入信号，保持与主模块的数据同步；对于输出模块，控制器会将控制输出信号同时发送给互为冗余的两个模块，以保证他们之间的数据同步性，但是主运行模块执行输出动作，备用模块不执行输出。

在本实施例中，冗余切换电路出现故障可能会导致出现模块的双主状态。虽然这一故障出现的几率很小，但是为了避免这一故障引起的风险，控制器会对互为冗余的两个模块的状态进行诊断。若诊断到模块出现双主状态，对于输入模块来说，控制器会给出报警并选用低地址模块的数据；对于输出模块来说，控制器会给出报警并关断高地址模块的输出。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：输入输出模块包括处于正常工作状态的主模块和处于非工作状态并与主模块互为冗余的备用模块，互为冗余的两个模块间通过心跳信号进行通信，当主模块工作异常时，将备用模块切换为工作状态；

所述心跳信号经过输出端口电路将脉冲信号转换为电平信号发送给备用模块。

2.根据权利要求1所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：所述主模块与备用模块之间连接有心跳线，主模块通过所述心跳线向备用模块发送心跳信号，当备用模块在预设的时间阈值内没有收到主模块发送的心跳信号，则触发冗余切换。

3.根据权利要求2所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：所述主模块和备用模块上分别设有输入端和输出端，所述主模块的输入端通过心跳线与备用模块的输出端连接，所述备用模块的输入端通过心跳线与主模块的输出端连接，所述输入端信号触发主模块输出端输出信号的总时间满足下式：

T＝T_W+T_PLH

其中，T为输入端信号触发主模块输出端输出的总时间，T_W是脉冲信号的高电平状态保持时间；T_PLH是经过心跳信号输出端口电路处理，将脉冲信号高电平状态延迟的时间。

4.根据权利要求3所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：所述输入端信号脉冲信号周期不大于T_W。

5.根据权利要求4所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：实时监控备用模块的输入端的电平信号，若主模块正常工作，则所述输入端一直保持高电平状态，若主模块故障，则所述输入端变为低电平状态。

6.根据权利要求5所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：若备用模块的输入端低电平状态持续时间超过设定的阈值，则进行冗余切换，将备用模块切换为工作状态，接替主模块进行工作。

7.根据权利要求6所述的输入输出模块冗余切换方法，其特征在于：当主模块和备用模块同时处于工作状态时，对于输入模块，控制器报警并选用低地址模块的数据；对于输出模块，控制器报警并关断高地址模块的输出。