CN107533527B - 用于冗余过程控制器模块的主/从管理 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括：第一和第二冗余控制器模块（202a‑202b），每个控制器模块包括模式管理电路（400a‑400b），该模式管理电路被配置成识别对应的控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作。每个控制器模块中模式管理电路被配置成耦合到另一个控制器模块中的模式管理电路。控制器模块中的模式管理电路被配置成共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式。控制器模块中的模式管理电路中的至少一个被配置成在对应控制器模块中的模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号(510a)分配主模式给该对应的控制器模块。

Description

用于冗余过程控制器模块的主/从管理
技术领域
本公开一般地涉及工业过程控制以及自动化系统。更具体地，本公开涉及用于冗余过程控制器模块的主/从管理的装置和方法。
背景技术
远程终端单元（RTU）表示在远离监督控制和数据采集（SCADA）系统或其他自动化系统的地点处提供本地控制和数据访问的设备或系统。例如，多个RTU可以被用在不同的地点处并且出于不同目的用于石油和天然气领域。RTU可以使用不同地点（诸如井、管道以及压缩站）处的传感器和致动器收集数据、执行本地控制、记录历史值，以及提供现场和历史数据给自动化系统。自动化系统可以经由RTU在不同的地点处执行控制逻辑以及改变致动器的操作。RTU自身还可以包括用于数据分析的算法。
通常，RTU与二十世纪70年代的其早期设计相比具有增加的使用性和复杂性。现今，RTU常常需要可靠地支持大量组的专用网络能力和协议，以及支持许多控制执行模型并且提供智能设备集成。
发明内容
本公开提供用于冗余过程控制器模块的主/从管理的装置和方法。
在第一实施例中，系统包括第一和第二冗余控制器模块，每个控制器模块包括模式管理电路，该模式管理电路被配置成识别对应的控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作。每个控制器模块中模式管理电路被配置成耦合到其他控制器模块中的模式管理电路。控制器模块中的模式管理电路被配置成共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式。控制器模块中的模式管理电路中的至少一个被配置成在对应控制器模块中的模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号分配主模式给该对应的控制器模块。
在第二实施例中，装置包括第一控制器模块，该第一控制器模块包括第一模式管理电路，该第一模式管理电路被配置成识别该第一控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作。该第一控制器模块被配置成耦合到第二控制器模块中的第二模式管理电路。该第一控制器模块被配置成与第二模式管理电路共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式。第一控制器模块被配置成在第一模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号分配主模式给第一控制器模块。
在第三实施例中，方法包括操作被配置成将耦合到第二控制器模块的第一控制器模块。该方法包括通过第一控制器模块的第一模式管理电路识别该第一控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作。第一模式管理电路与第二控制器模块的第二模式管理电路共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式。第一模式管理电路在第一模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号分配主模式给第一控制器模块。
根据以下附图、说明书以及权利要求，对于本领域的技术人员而言其它技术特征可以是容易地显而易见的。
附图说明
为了对本公开及其特征的更彻底的理解，现与附图相结合地对以下描述进行参考，其中：
图1图示了根据本公开的具有远程终端单元（RTU）的示例工业控制和自动化系统；
图2至图4图示了根据本公开的示例RTU的细节；
图5图示了根据本公开的图4的RTU中的主/从管理设备的附加细节；
图6图示了根据本公开的示例低维护（low-assert）开关；以及
图7图示了根据本公开的示例高维护（high-assert）开关。
具体实施方式
下文中所讨论的图1至7和用来描述本专利文件中的本发明的原理的各种示例是仅通过说明的方式而不应该被以任何方式解释成限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解的是，本发明的原理可以以任何适当的方式以及任何类型的适当地布置的设备或系统来加以实现。
如上所述，远程终端单元（RTU）与其早期设计相比增加了复杂度，并且当前的RTU常常需要可靠地支持许多更高级的特征。用来获得改进的可靠性的一种方式是通过提供冗余过程控制器模块。此外，主/从管理可以被用来控制哪个控制器模块在主模式下操作以及哪个控制器模块在从模式下操作。
图1图示了根据本公开的具有RTU 102 的示例工业控制和自动化系统100。注意的是，RTU 102还可以在本领域被称为远程遥测单元。还注意的是，这里虽然示出了单个RTU102，但系统100可以包括在一个或多个地理区域分布的任何数目的RTU 102。
RTU 102 表示在远离监督控制和数据采集（SCADA）系统或其他控制系统104的地点处提供本地控制和数据访问的设备或系统。例如，RTU 102 可以位于石油、天然气或水井或配电站处或附近。在这些或其他情况下，RTU 102可以被用来从本地传感器收集数据并且处理该数据来生成用于本地致动器的控制信号。RTU 102还可以根据需要与控制系统104交互。这样，可以在远离控制系统104的位置处提供过程控制和自动化功能。控制系统104被示出为与RTU 102通信，通过有线网络105以及使用无线连接，诸如经由微波、蜂窝或其他射频（RF）通信。然而，RTU 102可以通过（一个或多个）任何适合的有线或无线连接与控制系统104通信。在一些实施例中，部件102-104可以使用有线连接进行一般地通信，其中无线通信用作为备份。
RTU 102还与一个或多个工业现场设备106通信以及与一个或多个工业现场设备106交互。现场设备106可以包括测量过程的一个或多个特性的传感器，改变过程的一个或多个特性的致动器，或其他工业现场设备。在这个示例中，RTU 102使用有线连接108来与现场设备106通信。有线连接108可以包括串行连接（诸如RS232或RS485连接），以太网连接，工业协议连接或其他有线连接。然而，注意的是，RTU 102还与一个或多个现场设备106无线地通信。
在该示例中，RTU 102还与至少一个本地用户设备110通信并与其交互。用户设备110可以被人员使用与RTU 102交互或与同RTU 102通信的现场设备106或控制系统104交互。用户设备110包括任何支持用户与RTU交互的适合的结构。
各种其他部件可以可选地被与RTU 102一起使用。例如，RTU 102可以与一个或多个人机接口（HMI）112交互，诸如显示器屏幕或操作员控制台。HMI 112可以被用来从RTU102接收数据或将数据提供给RTU 102。一个或多个安全摄像机114（诸如互联网协议摄像机）可以被用来捕获静止或视频图像并且经由RTU 102将图像提供给远程位置（诸如安全中心）。无线电台116可以被用来支持RTU 102和远程访问点118之间的无线通信，其经由网络105与控制系统104或其他远程系统通信。其他远程系统可以包括现场设备管理器（FDM）120或其他资产管理器和/或RTU 构建器122。FDM 120可以被用来配置和管理资产，诸如现场设备（包括现场设备106），并且RTU 构建器122可以被用来配置和管理RTU（包括RTU 102）。
RTU 102具有支持输入/输出（I/O）通道类型的柔性混合的能力。例如，通道类型可以包括模拟输入（AI），模拟输出（AO），数字输入（DI），数字输出（DO），以及脉冲累加器输入（PI）。AI和AO可能或可能不支持数字通信，诸如通过符合高速可寻址远程传感器（HART）协议的4-20mA连接的数字通信。一些RTU 102可以使用具有固定数目的输入和输出的I/O卡实现I/O通道类型的期望混合，其中每个输入或输出被固定到特定类型。其他RTU 102可以使用具有可重新配置的输入或输出的I/O卡实现I/O通道类型的期望混合。此外，一些RTU 102可以是可扩展的使得一个或多个I/O模块（每个带有一个或多个I/O通道）可以与RTU 102一起使用。
在特定实施例中，RTU 102具有以下特征中的一个、一些或全部。第一，RTU 102可以支持低功耗操作，诸如从约1.8W到约4W，以及“太阳能供电的备用电池”操作。第二，RTU102可以支持在扩展温度范围中的操作，诸如从约-40°至约+75°。第三，RTU 102可以支持扩展使得可配置数目的I/O通道可以与RTU 102一起使用。第四，RTU 102可以支持各种控制执行方法，诸如功能块、梯形逻辑、用户结构化文本和编程、以及序列操作。第四，RTU 102可以支持用于现场供电发射机和设备供电发射机以及智能阀定位器的二、三、或四线模拟输入和输出。第五，RTU 102可以在混合方面没有限制的情况下支持其他I/O类型，包括AI，具有数字通信的AI，AO，具有数字通信的AO，DI（包括事件的数字输入序列或“DI-SOE”输入），DO和PI。第六，RTU 102可以支持RTU 控制模块冗余。第七，RTU 102可以支持RTU定价，该定价低于传统分布控制系统（DCS）设备。
虽然图1图示了具有RTU 102 的工业控制和自动化系统100的一个示例，但是可以对图1做出各种改变。例如，系统100可以包括任何数目的每个部件。此外，图1中示出的功能划分仅用于说明。图1中的各种部件可以被组合、再分或省略，并且可以根据特定需要增加附加部件。此外，虽然被示出为与有线现场设备一起使用，但是RTU 102可以仅与无线现场设备一起使用或与有线和无线现场设备二者一起使用。此外，图1图示了其中可以使用RTU102的一个示例操作环境。可以在任何其他适合系统中使用一个或多个RTU。
图2至图4图示了根据本公开的示例RTU102的细节。为了便于说明，RTU 102被描绘为正被用在图1的系统100中。然而，可以在任何其他适合系统中使用RTU102。
图2图示了RTU 102的示例，该RTU 102具有冗余控制器模块202a-202b，第一组I/O模块204a-204n以及扩展板206。每个控制器模块202a-202b表示执行RTU 102的其他功能和控制逻辑的模块。例如，每个控制器模块202a-202b可以执行控制逻辑，该控制逻辑分析传感器数据并生成用于致动器的控制信号。每个控制器模块202a-202b还可以执行控制RTU102的整体操作的功能，诸如支持与外部设备或系统的通信的功能。每个控制器模块202a-202b包括任何适当的结构用于控制RTU的一个或多个操作。在一些实施例中，每个控制器模块202a-202b包括至少一个处理设备，该处理设备执行LINUX或其他操作系统。
I/O模块204a-204n经由I/O模块204a-204n的I/O通道支持控制器模块202a-202b以及外部设备或系统（诸如现场设备106）之间的通信。每个I/O模块204a-204n包括支持一个或多个I/O通道的使用的电路。如果I/O模块支持一个或多个可重新配置I/O通道的使用，则I/O模块204a-204n还包括根据需要配置至少一个I/O通道的电路。该电路可以根据期望被用来配置和重新配置每个I/O通道。例如，在美国专利No. 8,072,098，美国专利No.8,392,626，以及美国专利No. 8,656,065 （其全部内容均通过引用被整体并入本文中）中示出了可重新配置I/O通道的示例类型。另外，在RTU中的可重新配置I/O通道的使用在美国专利申请No.14/228,142中被描述（其通过引用被整体并入本文中）。RTU 102可以包括任何数目的I/O模块204a-204n。在一些实施例中，特定数目的I/O模块204a-204n（诸如八个模块）可以被构建到RTU 102中。
扩展板206允许RTU 102将被耦合到扩展板208，其被耦合到第二组I/O模块210a-210n。I/O模块210a-210n可以具有与I/O模块204a-204n相同或相似结构，并且任何数目的I/O模块210a-210n都可以被用在第二组中（诸如八个模块）。扩展板212可以被用来耦合到第三组I/O模块。可以采用类似的方式来增加额外的I/O模块。
每个扩展板206、208、212包括任何适合的结构以促进增加一个或多个I/O模块到RTU。在该示例中，通过RTU 102形成两个电气路径214a-214b，并且电气路径214a-214b在回路216相遇。可以采用任何适合的方式来形成电气路径214a-214b，诸如通过使用以太网连接和通过I/O模块和扩展板的电气路径。回路216可以被用来指示现在没有额外的I/O模块连接到RTU 102。然而，注意的是，回路216还可以被放置在扩展板206上用来指示当前没有额外组的I/O模块连接到RTU 102。
电源（PS）218提供操作功率给RTU 102的部件。电源218包括被配置成提供操作功率给RTU的（一个或多个）任何适合结构。例如，电源218可以包括一个或多个电池、太阳能板、燃料电池或（一个或多个）其他功率源。
在一些实施例中，使用单独电路板实现控制器模块202a-202b。冗余控制器模块202a-202b之间的通信可以经由电路板的各种通信接口发生。如果冗余控制器模块202a-202b在RTU 102中出现（这不需要一直这样），RTU 102就可以自动地管理哪个冗余控制器模块具有对每个I/O模块的控制并在控制器模块故障时提供无缝切换。
图3A和3B图示了关于示例RTU 102的额外细节。图3A示出了包括两个控制器安装槽304的RTU 102的背板302，其中每个安装槽304包括被配置成将连接到控制器模块202a-202b的板对板连接器的连接器306。在图3B中，冗余控制器模块202a-202b经由它们的板对板连接器被插入到RTU 102的背板302，并且外壳构件308a-308b被用来覆盖并保护控制器模块202a-202b。外壳构件308a-308b可以具有任何适合的大小、形状以及尺寸并且可以用（一个或多个）任何适合的材料（诸如金属或强化塑料）来形成。可以使用（一个或多个）类似的材料来覆盖背板302。
RTU 102还包括各种端口310a-310b，其促进与其他设备和系统的通信。例如，端口310a可以表示上行链路/下行链路端口，并且端口310b可以表示RS232端口。其他或附加端口（诸如两个RS485端口）可以与RTU 102一起使用。端口310a可以被用来经由网络105将RTU102耦合到更高级或更低级设备，诸如控制系统104、FDM 120或RTU 构建器122。端口310a可以表示用于耦合到一个或多个通信链路的任何适合结构，诸如以太网端口。端口310b和RS485端口可以被用来将RTU 102耦合到一个或多个现场设备或使用RS 232或RS485串行协议的其他设备。
图4图示了示例RTU 102的附加细节，包括控制器模块202a-202b的细节。在许多工业控制设置中，使用两个冗余控制器，一个在主模式下操作，而另一个在次或备份模式下操作。在RTU 102中，控制器模块202a-202b作为监控彼此的冗余对来操作。在该示例中，控制器模块202a-202b分别包括板对板连接器410a-410b，其被配置成耦合到背板302上的连接器306。控制器模块202a-202b因此可以经由连接器306和背板302彼此通信。
控制器模块202a-202b的主/从管理设备400a-400b被配置成自动管理控制器模块202a-202b中哪个正作为用于I/O模块的主控制器模块操作。主/从管理设备400a-400b还提供在控制器模块202a-202b中的一个故障时的无缝切换。在控制器模块202a-202b中的一个出现问题时，其他控制器模块将接管主角色。在操作期间，控制器模块202a-202b中的一个将处于“主”状态，而另一个控制器模块处于“从”状态。
在所图示的示例中，使用逻辑设备402a-402b实现主/从管理设备400a-400b，逻辑设备诸如现场可编程门阵列（FPGA）逻辑电路或复杂可编程逻辑设备（CPLD）逻辑电路。在这些实施例中，在没有触发器（flip-flip）的情况下可以实现主/从管理设备400a-400b，对于它们的操作不需要时钟信号。
逻辑电路402a-402b经由连接器306、板对板连接器410a-410b以及两组总线开关404a-404b彼此耦合。下拉电阻器406a-406b耦合到非（NOT）门408a-408b的输入，其在逻辑电路402a-402b内实现。逻辑电路402a-402b包括相同的部件，因此以下逻辑电路402a的部件和特征的描述也适用于逻辑电路402b。
逻辑电路402a包括非门408a，其具有耦合到该组总线开关404a中第一开关的输入端子412a以及耦合到该组总线开关404a中的第二开关的输出端子414a。非门408a的输出信号表示控制器模块202a的当前主/从状态。例如，逻辑1（高）值可以指示控制器模块202a具有主状态并且实现主控制角色，而逻辑0（低）值可以指示控制器模块202a具有从状态。非门408a的输出端子414a经由总线开关404a-404b、连接器410a-410b以及背板302连接到其他逻辑电路402b的非门408b的输入端子412b。两个非门408a-408b因此有效地形成循环电路，其中每个非门408a-408b的输出被耦合到其他非门408a-408b的输入。这有助于确保仅有一个控制器模块能够获得主角色。
非门408a的输出端子414a还被连接到控制器模块202a中的至少一个处理设备416a。这使得逻辑电路402a能够使用状态信号418a通知对应处理设备416a其主/从状态。处理设备416a检索或检查状态信号418a的水平并且基于状态信号418a确定控制器模块202a的当前状态。在一些实施例中，状态信号418a能够实现对于处理设备416a的双边中断以便指示从主到从或从从到主的状态改变。逻辑电路402a还从处理设备416a接收复位信号420a，这允许逻辑电路420a来确定处理设备416a的操作状态并且使用该信息来控制是否控制器模块202a是可操作的。逻辑电路402a进一步包括寄存器，其通过寄存器访问端口连接422a由处理器设备416a访问。
每个控制器模块202a-202b包括（一个或多个）其自身的处理设备416a-416b，看门狗电路424a-424b，以及电阻器426a-426b。以下控制器模块202a的部件和特征的描述也适用于控制器模块202b，除非另外说明。处理设备416a控制控制器模块202a的功能。处理设备416a包括用于接收信息的多个输入，包括时隙标识符输入428a、看门狗电路输入430a以及第一和第二心跳路径输入432a和434a。另外，处理设备416a从逻辑电路402a接收状态信号418a。处理设备416a还包括多个输出，诸如到寄存器访问端口连接422a的输出。在一些实施例中，处理设备416a被耦合到通信接口，诸如以太网或UART接口，用以与处理设备416b交换心跳信号或其他信号。
响应于建立到背板302的连接，处理设备416a生成复位信号420a并将其发送至逻辑电路402a。复位信号420a可以表示来自处理设备416a的低有效信号。复位信号420a将内部逻辑电路402a设置回默认条件。处理设备416在逻辑电路配置（诸如FPGA配置）期间将复位信号420a保持在特定水平处，并且可以在逻辑电路配置后维持该水平持续短时间。在准备好时，处理设备416a改变复位信号420a，诸如改变到高水平。因此，复位信号420控制逻辑电路402a何时准备好以供使用。
复位信号420a-420b的有效时间可以根据分配给控制器模块202-202b的时隙标识符而不同。例如，时隙1的复位有效时间可以比时隙0的复位有效时间长。从建立到背板302的连接到发送复位信号420a的开始的时间量因此短于从建立到背板302的连接到发送复位信号420b的开始的时间量。即使控制器模块202a-202b二者同时建立到背板302的连接，复位信号402a-402b的不同有效时间也有助于确保仅有一个控制器模块进入主角色。在系统加电时，处理设备416a-416b一起启动，但是时隙0的较短复位有效时间抢先占有主状态。作为另一示例，如果处理设备416a需要热重启，处理设备416a可以输出复位信号420a脉冲来释放主控制角色。
在系统启动期间，处理设备416a可以检索来自时隙标识的输入428a的值来确定控制器模块202a插入哪个时隙（时隙0或时隙1）。低电压可以指示控制器模块202a插入到时隙0中，因为时隙标识符的输入428a接地。高电压可以指示控制器模块202a插入到时隙1中，因为时隙标识符的输入428b被连接到电阻器426b以及板对板连接器410b。
看门狗电路424a-424b执行类似于心跳功能的功能。例如，看门狗电路424a接收来自其他控制器模块202b的处理设备416b的输入/输出端子的钟摆脉冲信号432a并且检测其他控制器模块202b的工作状态（诸如正常操作或故障）。作为特定示例，在处理设备416b经历故障或异常操作时，处理设备416b停止输出钟摆脉冲信号432a，并且看门狗电路424a输出超时报警信号430a到处理设备416a。这通知处理设备416a有关其他控制器模块202b的检测到的状态。处理设备416a可以基于报警信号430a的接收将接管请求写入到逻辑电路402a的寄存器，从而致使故障的控制器模块复原到从状态。
基于这个功能性，主/从管理设备400a-400b可以支持各种特征，包括以下特征中的任何一个或以下特征中的任何组合：
●快速移交——用于切换控制器模块的角色的时间可以非常快，诸如小于一毫秒；
●控制器模块热插拔——可以在不对RTU掉电的情况下，将控制器模块插入RTU或将其从RTU移除；以及
●默认主模块位置——特定时隙中的或RTU中的位置中的控制器模块默认可以变为主模块。
作为这些特征的示例，整个系统可以在控制器模块202a-202b二者已经被安装到RTU 102中之后开始加电。这里，主/从管理设备400a-400b的默认主模块位置特征致使无论哪一个控制器模块202a-202b被插入到特定时隙中（诸如时隙0）都将被默认设定为主模块。
作为这些特征的另一示例，在移除主控制器模块时，从控制器模块立刻接管主控制角色。如果仅有一个控制器模块被插入并且作为主模块运行而另一个控制器模块随后被插入，则新插入的模块可以被设定为从模块。主/从管理设备400a-400b的热插拔特征可以提供对应于移除的控制器模块的打开状态。打开状态（开路）被施加到下拉电阻器406a的非接地端子并将逻辑0提供到非门408a-408b的输入端子412a-412b，从而致使剩余控制器模块来承担主角色。
作为这些特征的第三示例，假设整个系统被加电，并且仅有控制器模块202a被插入到时隙0并且作为主模块操作。随后，增加其他控制器模块202b或以其他方式将其连接到时隙1。在这个情境中，主/从管理设备400a-400b的控制器模块热插拔特征阻止在热插入后续的控制器模块202b时出小故障。也就是，从建立背板302和后续的控制器模块202b之间的连接生成的任何信号不影响控制器模块202a的主/从状态。
作为这些特征的第四示例，假设控制器模块202a-202b二者都已被安装，并且整个系统已完全加电。随后，控制器模块202b中一个经历问题或故障。在这个情境中，主/从管理设备400a-400b的快速移交特征致使故障的控制器模块202b从主状态快速地切换到从状态。如下所述，故障控制器模块202b的处理设备416b可以发送移交中断信号给未故障控制器模块202a，其将（i）未故障控制器模块202a从从状态改变成主状态或（ii）通知未故障控制器模块202a关于控制器模块202b的故障工作状态。如下所述，未故障控制器可以生成
Figure 122448DEST_PATH_IMAGE001
信号。
虽然图2至图4图示了示例RTU 102的细节，但是可以对图2至图4作出各种改变。例如，在图2至4中示出的端口和接口的（一个或多个）数目和（一个或多个）类型仅用于说明。同样，在图2至4中示出的RTU 102的功能划分仅用于说明。图2至图4中的各种部件可以被省略、组合、或进一步再分，并且可以根据特定需要增加附加部件。
图5图示了根据本公开的图4的RTU102中的主/从管理设备400a-400b的附加细节。主/从管理设备400a的部件和特征的描述以下适用于主/从管理设备400b的对应部件和特征。
如图5中所示，主/从管理设备400a中的逻辑电路402a包括非门408a，耦合到非 门408a的输入端子412a的第一多路复用器502a，以及耦合到非 门408a的输出端子414a的第二多路复用器504a。更特别地，第一多路复用器502a的输出端子被连接到非门408a的输入端子412a，第一多路复用器502a的逻辑0输入接地，并且第一多路复用器502a的逻辑1输入被连接到该组总线开关404a的第一开关506a。第一多路复用器502a的数据选择器端子（S）通过
Figure 475807DEST_PATH_IMAGE001
信号510a控制。第二多路复用器504a的输出端子被连接该组总线开关404a的第二开关508a，第二多路复用器504a的逻辑0输入接地，并且第二多路复用器504a的逻辑1输入被连接到非门408a的输出端子414a。第二多路复用器504a的数据选择器端子（S）通过
Figure 255544DEST_PATH_IMAGE002
信号520a（其是复位信号420a的逆版本）控制。
逻辑电路402a可以生成控制第一多路复用器502a的
Figure 588436DEST_PATH_IMAGE001
信号510a。在其他实施例中，逻辑电路402a可以内在地生成TAKEOVER(接管)信号，并且逻辑电路402a包括第一多路复用器502a的数据选择器端子（S）处的非门，反转多路复用器502a的输入，或以其他方式补偿其中生成
Figure 402809DEST_PATH_IMAGE001
信号510a的方式。在
Figure 225271DEST_PATH_IMAGE001
信号510a低时，第一多路复用器502a输出致使主/从状态信号418a为高的逻辑0。在
Figure 429987DEST_PATH_IMAGE001
信号510a高时，第一多路复用器502a输出其他非门408b的状态。
在控制器模块202a在次控制角色中作为从模块时，有效低脉冲可以致使控制器模块202a从从模块改变成主模块并且致使其他控制器模块202b从主模块改变成从模块。可能不推荐使用处理设备416a的I/O来直接控制
Figure 628888DEST_PATH_IMAGE001
信号510a，因为如果处理设备416a挂起，则处理设备416a的I/O可以下拉
Figure 297766DEST_PATH_IMAGE001
信号510a并且继续根据错误或误差维持主状态。为了阻止这样的潜在误差，逻辑电路402a包括处理设备416a可以访问的寄存器（如上所述）。在控制器模块202a需要接管主控制角色时，处理设备416a可以将接管请求写入逻辑电路402a的寄存器。响应于读取通过处理设备416a写入的接管请求时，逻辑电路402a可以生成
Figure 228813DEST_PATH_IMAGE001
信号510a。
在一些实施例中，在控制器模块202a-202b中任何一个都没有存在故障时，用户选择可以生成主/从状态接管请求。例如，上位系统管理软件或本地按钮可以强加主/从布置的接管或改变，诸如在需要系统维护或固件升级时。
Figure 983143DEST_PATH_IMAGE002
信号520a控制第二多路复用器504a的输出选择。逻辑电路402a可以包括用于接收来自对应控制器模块202a的复位信号420a的输入和第二多路复用器504a的数据选择器端子之间的非门。在
Figure 720155DEST_PATH_IMAGE002
信号520a低时，第二多路复用器504a输出释放对应控制器模块202a的主状态的逻辑0。在
Figure 700266DEST_PATH_IMAGE002
信号520a高时，第二多路复用器504a输出对应非门408a的状态（主/从状态信号418a）。
该组总线开关404a选择性地占用或切断非门循环。在一些实施例中，总线开关可以是场效应晶体管（FET）开关，诸如图6中所示出的低维护开关或图7中所示出的高维护开关。作为特定示例，每个总线开关可以表示来自德州仪器的SN74CB3Q3306低有效开关或SN74CB3Q3305高有效开关。总线开关404a保持打开直到逻辑电路402a被配置并且输出“配置完成”信号512a到该组总线开关404a的输出使能（OE）端子。信号512a控制打开还是闭合开关506a-508a。在逻辑电路402a的部件在逻辑电路配置过程中或以其他方式未准备好以供使用时，信号512a可以为低以打开总线开关506a、508a。在逻辑电路402a的部件准备好以供使用时，主/从状态信号418a也准备好以供使用，并且信号512a可以为高以闭合总线开关506a、508a。
该组总线开关404a有助于阻止在热插拔期间的信号小故障，诸如在对RTU 102加电同时建立控制器模块202a和背板302之间的连接期间。例如，假设仅有第一控制器模块202a被插入并且作为主模块操作，并且第二控制器模块202b被插入。第一控制器模块202a未受到热插拔第二模块202b影响，因为总线开关404b保持打开直到逻辑电路402b被配置并且输出“配置完成”信号512b。在那时，第二模块202b变成从模块。
在其中使用CPLD实现逻辑电路402a的实施例中，主/从管理设备400a-400b可以包括开关404a-404b的OE端子之间的非门514a-514b。类似地，在其中总线开关404a-404b是低维护的实施例中，主/从管理设备400a-400b包括非门514a-514b。
下拉电阻器406a通过第一多路复用器502a被间接地耦合到非门408a的输入端子412a。在仅有一个控制器模块被插入时，下拉电阻器406a默认将主状态设定给该单个插入的控制器模块。在两个控制器模块202a-202b被插入逻辑电路中的仅仅一个（诸如逻辑电路402a），在未良好配置侧上的该组总线开关404a通过打开其开关506a-508b打破非门循环。其他侧的下拉电阻器406b有助于抢先占有主状态以防止在未良好配置侧中建立。
虽然图5至图7图示了RTU 102中的示例主/从管理设备400a-400b的附加细节，但是可以对图5至图7作出各种改变。例如，图5中示出的功能划分仅用于说明。图5中的各种部件可以被组合、进一步再分或省略，并且可以根据特定需要增加附加部件。同样，图6和7中示出的开关仅仅是示例，并且任何其他适合的开关可以被用在RTU 102中。
阐述遍及该专利文件使用的特定单词和短语的定义是有利的。术语“应用”和“程序”指的是一个或多个计算机程序、软件部件、指令集、例程、函数、对象、类、实例、相关数据或适配成采用适当的计算机代码实现的其的一部分（包括源代码、目标代码或可执行代码）。术语“包括”和“包含”以及其派生词，意指包括不限制。术语“或”是包含的，意指和/或。短语“与……相关联”以及其派生词可以意指包括、包括在内、与其互连、包含、包含在内、连接到或与其连接、耦合到或与其耦合、与其通信、与其协作、交错、并置、接近、绑定到或与其绑定、具有、具有其属性、具有到或与其的关系等等。术语“至少一个”，在与项的列表一起使用时，意指可以使用列举的项中的一个或多个的不同组合，以及可能需要列表中的仅一项。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任何：A，B，C，A和B，A和C，B和C，以及A和B和C。
虽然本公开已经描述了特定实施例以及通常相关的方法，但是这些实施例和方法的修改和置换对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，示例实施例的以上描述不限定或约束本公开。在不偏离如由以下权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和修改也是可能的。

Claims (14)

1.一种用于冗余过程控制器模块的主/从管理的系统，包括：
第一和第二冗余控制器模块 （202a-202b），每个控制器模块包括模式管理电路（400a-400b），该模式管理电路被配置成识别对应的控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作；
其中每个控制器模块中模式管理电路被配置成耦合到另一个控制器模块中的模式管理电路；
其中控制器模块中的模式管理电路被配置成共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式；以及
其中控制器模块中的模式管理电路中的至少一个被配置成在对应控制器模块中的模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号(510a)分配主模式给该对应的控制器模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每个控制器模块进一步包括：
至少一个处理设备（416a-416b），其被配置致使对应控制器模块中的模式管理电路改变分配给对应控制器模块的模式。
3.根据权利要求1所述的系统，其中控制器模块中的模式管理电路被配置形成多个非门（408a-408b）的回路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中：
控制器模块具有不同的复位有效时间，用于复位控制器模块中的模式管理电路；以及
模式管理电路被配置用于将主模式分配给具有较短复位有效时间的控制器模块。
5.根据权利要求1所述的系统，其中在每个控制器模块中的模式管理电路包括：
非门（408a-408b），其被配置用于输出识别对应的控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作的状态信号；以及
总线开关（404a-404b），其耦合到非门的输入和输出端子（412a-412b, 414a-414b）并且被配置保持打开直到模式管理电路准备好以供使用。
6.一种用于冗余过程控制器模块的主/从管理的装置，包括：
第一控制器模块(202a) ，该第一控制器模块包括第一模式管理电路(400a)，该第一模式管理电路被配置成：
识别该第一控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作；
耦合到第二控制器模块(202b)中的第二模式管理电路（400b）；
与第二模式管理电路共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式；以及
在第一模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号（510a）分配主模式给第一控制器模块。
7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：
至少一个处理设备（416a），其被配置致使第一控制器模块中的第一模式管理电路改变分配给第一控制器模块的模式。
8.根据权利要求6所述的装置，其中第一模式管理电路被配置耦合到第二模式管理电路以形成多个非门（408a-408b）的回路。
9.根据权利要求6所述的装置，其中：
第一控制器模块具有复位有效时间，用于复位第一模式管理电路；以及
当第一控制器模块具有比第二控制器模块短的复位有效时间时，第一模式管理电路被配置用于将主模式分配给第一控制器模块。
10.根据权利要求6所述的装置，其中第一模式管理电路包括：
非门（408a），其被配置用于输出识别第一控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作的状态信号；以及
总线开关（404a，404b），其耦合到非门的输入和输出端子（412a, 414a）并且被配置保持打开直到第一模式管理电路准备好以供使用。
11.一种用于冗余过程控制器模块的主/从管理的方法，包括：
操作被配置成将耦合到第二控制器模块（202b）的第一控制器模块（202a）；以及
通过第一控制器模块的第一模式管理电路（400a）识别该第一控制器模块是在主模式中操作还是在从模式中操作；
其中第一模式管理电路与第二控制器模块的第二模式管理电路（400b）共同地操作以便控制器模块中的一个被分配主模式而控制器模块中的另一个被分配从模式；以及
其中第一模式管理电路在第一模式管理电路准备好以供使用时基于接管信号（510a）分配主模式给第一控制器模块。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
通过至少一个处理设备（416a）致使第一控制器模块中的第一模式管理电路改变分配给第一控制器模块的模式。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将第一模式管理电路耦合到第二模式管理电路以形成多个非门（408a-408b）的回路。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
第一控制器模块具有复位有效时间，用于复位第一模式管理电路；以及
当第一控制器模块具有比第二控制器模块短的复位有效时间时，第一模式管理电路将主模式分配给第一控制器模块。
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