CN110247809A - 双环网控制系统和通信控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双环网控制系统和通信控制方法，所述双环网控制系统包括：本地主控节点、至少一个远程通信节点，所述第一本地扩展模块、第一远程扩展模块通过环形网络形成第一环网，所述第二本地扩展模块、第二远程扩展模块通过环形网络形成第二环网，其中，所述第一本地扩展模块和第二本地扩展模块处于双工作状态，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块处于热备冗余状态。所述双环网控制系统当本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络的三个节点发生故障时，通过对第一远程扩展模块和第二远程扩展模块的主备状态进行切换，不会影响系统的正常运行，提高了系统的稳定性。

Description

双环网控制系统和通信控制方法
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种双环网控制系统和对应的通信控制方法。
背景技术
随着石油、化工、电力、医药、冶金等应用领域对现场控制设备可靠性越来越高，如果设备出现故障，会给生产带来巨大的经济损失，这就要求生产设备不停止地运行，同样要求设备的控制系统也需要长时间的无故障运行。因此，针对生产设备的控制精度和稳定性要求，不仅需要对生产设备本身进行冗余设计，而且需要对生产设备的控制系统进行冗余设计。
以太网作由于其高性能、易用性及标准化特点，在工业控制领域应用越来越广泛；常规的星型、单环网网络模型，抗干扰能力最多只能承受一级网络故障：即当网络中出现两处及以上网络故障时，该网络中部分网络及下挂的IO设备将完全与控制器失去联系，不再受控。因此，在工业控制领域需要更高规格的控制系统冗余设计。
发明内容
本发明提供一种双环网控制系统和通信控制方法，解决了现有上述的问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种双环网控制系统，包括：本地主控节点、至少一个远程通信节点，所述本地主控节点包括第一本地扩展模块和第二本地扩展模块，每一个远程通信节点都包括第一远程扩展模块和第二远程扩展模块，所述本地扩展模块和远程扩展模块各具备2个网口，所述第一本地扩展模块、第一远程扩展模块通过环形网络形成第一环网，所述第二本地扩展模块、第二远程扩展模块通过环形网络形成第二环网，其中，所述第一本地扩展模块和第二本地扩展模块处于双工作状态，所述第一远程扩展模块和第二远程扩展模块处于热备冗余状态。
可选的，所述本地主控节点包括主控卡和本地扩展模块，所述本地扩展模块包括第一本地扩展模块和第二本地扩展模块，所述主控卡与本地扩展模块串联连接。
可选的，所述远程通信节点包括远程扩展模块和IO卡，所述远程扩展模块包括第一远程扩展模块和第二远程扩展模块，所述远程扩展模块与IO卡通过底板总线串联连接。
可选的，所述IO卡的数量与远程扩展模块的数量一致。
可选的，所述环形网络为以太网。
可选的，当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行主备状态的切换。
可选的，所述第一远程扩展模块、第二远程扩展模块的主备状态的切换根据本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络故障状态进行切换。
本发明实施例还提供了一种双环网控制系统的通讯控制方法，包括：
当本地主控节点向远程通信节点通信时，同时向两个本地扩展模块各自发起一组数据；
两个本地扩展模块各自通过环形网络进行转发；
远程通信节点的两个远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的远程扩展模块接收和处理数据，处于备用状态的远程扩展模块接收但不处理数据；
当远程通信节点向本地主控节点通信时，同时向两个远程扩展模块各自发起一组数据；
远程通信节点的两个远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的远程扩展模块向环形网络转发数据，处于备用状态的远程扩展模块不向环形网络转发数据；
本地主控节点的一个本地扩展模块从环形网络接收到相应数据。
可选的，当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行主备状态的切换。
可选的，所述第一远程扩展模块、第二远程扩展模块的主备状态的切换根据本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络故障状态进行切换。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
1、由于本发明的第一本地扩展模块和第二本地扩展模块处于双工作状态，所述第一远程扩展模块和第二远程扩展模块处于热备冗余状态，当本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络的三个节点发生故障时，通过对第一远程扩展模块和第二远程扩展模块的主备状态进行切换，不会影响系统的正常运行，提高了系统的稳定性。
2、当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行热备冗余，使得每一个远程通信节点针对故障处理都能独立进行主备状态的切换，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的双环网控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种通信控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例的另一种通信控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种双环网控制系统，包括：本地主控节点100、至少一个远程通信节点200，所述本地主控节点100包括主控卡110和本地扩展模块120，所述本地扩展模块120包括第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122，所述主控卡110与本地扩展模块120串联连接。所述远程通信节点200包括远程扩展模块210、IO卡220和底板总线230，所述远程扩展模块210包括第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212，所述远程扩展模块210与IO卡220通过底板总线230串联连接。
每一个第一本地扩展模块、第二本地扩展模块和每一个第一远程扩展模块、第二远程扩展模块各具备2个网口。所述第一本地扩展模块121、若干个第一远程扩展模块211通过环形网络形成第一环网。所述第二本地扩展模块122、若干个第二远程扩展模块212通过环形网络形成第二环网。其中，所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122处于双工作状态，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212处于热备冗余状态，主备状态的切换根据本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络的故障状态进行切换。所述故障包括：硬件故障、运行状态故障和通信故障，其中，硬件故障包括底板总线通信芯片故障、以太网通信芯片故障等；运行状态故障包括组态状态故障、网络连接状态故障等；通信故障包括底板总线通信状态故障、以太网通信状态故障等。
所述双工作状态即为所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122都处于工作状态，从主控卡获取数据后，将对应的数据发送给第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122，所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122分别向第一环网和第二环网转发数据，使得远程扩展模块210始终能获得实时的控制数据。
所述热备冗余状态即为所述第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212其中一个处于工作状态，另外一个处于备份状态。当所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122分别向第一环网和第二环网转发数据，处于工作状态的第一远程扩展模块211(或第二远程扩展模块212)接收数据并向IO卡转发数据，处于备用状态的第二远程扩展模块212(或第一远程扩展模块211)接收数据但并不进行数据转发。当发生第一环网和第二环网发生故障时，即本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络各个节点发生故障，可以对第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212的主备状态进行切换，使得原来处于工作状态的远程扩展模块变成备份状态，原来处于备份状态的远程扩展模块变成工作状态。
由于每一个本地扩展模块和远程扩展模块各具备2个网口，具备交换机的功能，因此当本地扩展模块向环形网络发送数据时，本地扩展模块的两个网口同时发送相同的数据，远程扩展模块的两个网口同时接收到相同的数据，且所述环形网络中的数据在一个生命周期内自动消亡。由于环形网络具有上述特征，因此在单环网网络模型，抗干扰能力最多只能承受一级网络故障，即当环形网络一个节点发生故障，还可以因为另一侧的连接，系统仍能正常运行，但如果两个节点发生故障，部分网络节点就会失去控制。
而在本发明的双环网控制系统中，由于所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122处于双工作状态，所述第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212处于热备冗余状态。当第一环网的两个节点发生故障且第一远程扩展模块211处于工作状态时，通过远程扩展模块的主备切换，将第一远程扩展模块211切换成备用状态，将第二远程扩展模块212切换成工作状态，远程通信节点仍能获取主控卡的数据，系统仍能正常工作。
当第一环网的两个节点发生故障、第二环网也有一个节点发生故障，第一远程扩展模块211处于工作状态时，通过远程扩展模块的主备切换，将第一远程扩展模块211切换成备用状态，将第二远程扩展模块212切换成工作状态，远程通信节点仍能获取主控卡的数据，系统仍能正常工作，因此本发明实施例的双环网控制系统能保证至少三级的抗故障能力，系统稳定性大大提升。
现有的双环网控制系统的实现多是使用环网交换机，只是简单地对数据做转发，网络模块作为普通网络节点接入交换机，本身并不作为环网的一部分，所以，在网络模块和交换机之间，并不具备冗余的能力，需要应用程序在应用层做冗余处理。
而在本发明实施例中，网络模块本身具备环网功能，且利用冗余模块实现网络冗余的特性，实现了真正的双网冗余功能，在远程网络中，即满足环网冗余，也实现了双网冗余，因此具备多重冗余能力。
在本实施例中，所述远程通信节点的数量为两个，在其他实施例中，所述远程通信节点的数量为1个或多个。对应的，在本实施例中，所述远程扩展模块的数量为两个，在其他实施例中，所述远程扩展模块的数量为1个或多个。
当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行主备状态的切换，使得每一个远程通信节点针对故障处理都能独立进行主备状态的切换，提高了系统的稳定性。
在本实施例中，一个远程通信节点对应的IO卡的数量与远程扩展模块的数量一致，为两个，即一个IO卡对应第一远程扩展模块，一个IO卡对应第二远程扩展模块。在其他实施例中，每一个第二远程扩展模块也可以连接多个IO卡。
在本实施例中，所述环形网络为以太网。在其他实施例中，还可以为其他工业互联网，例如ControlNet。
在本实施例中，由主控卡(也称控制站主机卡)对第一环网和第二环网发送控制数据，并接收IO卡获取的各种工业控制与生产过程中的数字电平采集、测量分析以及逻辑控制等数据。
在其他实施例中，当所述双环网控制系统应用于其他数据通信领域时，所述主控卡也可以由其他控制单元所替代，所述IO卡也可以由其他数据获取单元所替代。
本发明实施例还提供了两种双环网控制系统的通讯控制方法，其中本地主控节点向远程通信节点通信的通讯控制方法，请参考图2，包括：
步骤S101，当本地主控节点向远程通信节点通信时，同时向两个本地扩展模块发起一组数据；
步骤S102，两个本地扩展模块各自通过环形网络进行转发；
步骤S103，远程通信节点的两个远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的远程扩展模块接收和处理数据，处于备用状态的远程扩展模块接收但不处理数据。
具体的，执行步骤S101，当本地主控节点向远程通信节点通信时，主控卡将对应的数据发送给第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122，所述数据一般为主控卡发送的各种工业控制数据。
执行步骤S102，所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122分别向第一环网和第二环网转发数据，使得若干个远程扩展模块210始终能获得实时的数据。
执行步骤S103，由于所述第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212其中一个处于工作状态，另外一个处于备份状态。当所述第一本地扩展模块121和第二本地扩展模块122分别向第一环网和第二环网转发数据，处于工作状态的第一远程扩展模块211(或第二远程扩展模块212)接收数据并向IO卡转发数据，处于备用状态的第二远程扩展模块212(或第一远程扩展模块211)接收数据但并不进行数据转发。对应的IO卡即可以发送对应的控制数据，使得本发明的工业控制系统可以进行各种工业控制与生产过程中的数字电平采集、测量分析以及逻辑控制等操作。
同时，当发生第一环网和第二环网发生故障时，即本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络等节点发生故障，造成可以对每一个远程通信节点的第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212的主备状态进行切换，使得原来处于工作状态的远程扩展模块变成备份状态，原来处于备份状态的远程扩展模块变成工作状态。
本发明实施例还提供了另一种双环网控制系统的通讯控制方法，远程通信节点向本地主控节点通信的通讯控制方法，请参考图3，包括：
步骤S201，远程通信节点向本地主控节点通信时，同时向两个远程扩展模块发送一组数据；
步骤S202，远程通信节点的两个远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的远程扩展模块向环形网络转发数据，处于备用状态的远程扩展模块不向环形网络转发数据；
步骤S203，本地主控节点的一个本地扩展模块从环形网络接收到相应数据。
具体的，执行步骤S201，当远程通信节点向本地主控节点通信时，IO卡将获取的数据同时发送给属于同一远程通信节点的第一远程通信模块和第二远程通信模块，所述数据一般为IO卡获取的各种工业控制与生产过程中的数字电平采集、测量分析以及逻辑控制等数据。
执行步骤S202，由于所述第一远程扩展模块211和第二远程扩展模块212其中一个处于工作状态，另外一个处于备份状态。远程通信节点的两个远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的第一远程扩展模块(或第二远程扩展模块)向环形网络转发数据，处于备用状态的第二远程扩展模块(或第一远程扩展模块)不向环形网络转发数据。
执行步骤S203，与处于工作状态的远程扩展模块相对应的本地扩展模块从对应的环形网络中接收到相应数据，并发送到主控卡。当第一远程通信模块处于工作状态时，第一本地扩展模块从第一环网中接收到相应的数据，发送到主控卡。当第二远程通信模块处于工作状态时，第二本地扩展模块从第二环网中接收到相应的数据，发送到主控卡。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双环网控制系统，其特征在于，包括：本地主控节点、至少一个远程通信节点，所述本地主控节点包括第一本地扩展模块和第二本地扩展模块，每一个远程通信节点都包括第一远程扩展模块和第二远程扩展模块，每一个本地扩展模块和远程扩展模块各具备2个网口，所述第一本地扩展模块、第一远程扩展模块通过环形网络形成第一环网，所述第二本地扩展模块、第二远程扩展模块通过环形网络形成第二环网，其中，所述第一本地扩展模块和第二本地扩展模块处于双工作状态，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块处于热备冗余状态。
2.根据权利要求1所述的双环网控制系统，其特征在于，所述本地主控节点包括主控卡和本地扩展模块，所述本地扩展模块包括第一本地扩展模块和第二本地扩展模块，所述主控卡分别与第一本地扩展模块和第二本地扩展模块连接。
3.根据权利要求1所述的双环网控制系统，其特征在于，所述远程通信节点包括远程扩展模块和IO卡，所述远程扩展模块包括第一远程扩展模块和第二远程扩展模块，所述第一远程扩展模块和第二远程扩展模块与IO卡通过底板总线串联连接。
4.根据权利要求3所述的双环网控制系统，其特征在于，每一个远程通信节点对应的IO卡的数量为两个，且分别与第一远程扩展模块和第二远程扩展模块连接。
5.根据权利要求1所述的双环网控制系统，其特征在于，所述环形网络为以太网。
6.根据权利要求1所述的双环网控制系统，其特征在于，当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行主备状态的切换。
7.根据权利要求1所述的双环网控制系统，其特征在于，所述第一远程扩展模块、第二远程扩展模块的主备状态根据本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络故障状态进行切换。
8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的双环网控制系统的通讯控制方法，其特征在于，包括：
当本地主控节点向远程通信节点通信时，同时向本地主控节点的第一本地扩展模块和第二本地扩展模块发送数据；
所述第一本地扩展模块和第二本地扩展模块各自通过环形网络进行数据转发；
远程通信节点的第一远程扩展模块、第二远程扩展模块获取数据以后，其中，处于工作状态的远程扩展模块接收和处理数据，处于备用状态的远程扩展模块接收但不处理数据；
当远程通信节点向本地主控节点通信时，同时向对应的远程通信节点的第一远程扩展模块、第二远程扩展模块发送数据；
对应的远程通信节点的第一远程扩展模块、第二远程扩展模块获取数据以后，处于工作状态的远程扩展模块向环形网络转发数据，处于备用状态的远程扩展模块不向环形网络转发数据；
本地主控节点的其中一个本地扩展模块从环形网络接收到相应数据。
9.根据权利要求8所述的双环网控制系统的通讯控制方法，其特征在于，当所述远程通信节点的数量大于等于2时，每一个远程通信节点的第一远程扩展模块和第二远程扩展模块独立进行主备状态的切换。
10.根据权利要求8所述的双环网控制系统的通讯控制方法，其特征在于，所述第一远程扩展模块、第二远程扩展模块的主备状态根据本地扩展模块、远程扩展模块和环形网络故障状态进行切换。
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