CN111694271B - 基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法，涉及控制技术领域，解决了被控设备断路故障失控问题。本发明中冗余支路的电气控制模块的输出端并联连入k路被控制回路中所述控制支路的电气控制模块输出端的两端，选通支路用于控制所述冗余支路的电气控制模块的输出端k路并联支路的通断；当k路控制支路出现一条控制支路故障时，故障的控制支路为故障支路，冗余控制上位机主动发出数据通信导通故障支路对应的选通支路，所述冗余支路的电气控制模块输出端替换故障支路电气控制模块输出端的所在的故障支路回路位置。本发明以一条冗余控制支路可以对多条实际控制支路进行容错运行，灵活方便，节约了成本。

Description

基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，具体涉及基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法。

背景技术

被控设备作为控制阀在工业生产乃至一些军工应用中扮演者重要的角色。化工、核电等行业中，控制阀往往起着关键作用，例如在某些高温高压的安全阀试验中，就会用到常闭被控设备、常开被控设备、双稳态被控设备等；在安全阀强制释放、强制关闭的试验中，被控设备作为释放、关闭开关，其安全可靠的工作至关重要。因此，在特殊应用环境中(例如高温高压环境中)，针对多个控制阀，一旦发生了控制系统故障导致控制阀控制失灵，那么轻则造成设备损坏等经济损失，重则造成人员安全事故等。

目前来说针对被控设备控制系统多种故障、多条控制支路故障的研究成果少之又少。专利US006147498A提出了一种只检测被控设备本身故障的装置，而对其控制环节不能进行故障诊断与故障容错；同时专利US006147498A也仅仅针对电磁控制执行器故障提出了检测系统；论文《System Identification and Fault Diagnosis of an ElectromagneticActuator》研究的内容是电磁驱动器本身的故障诊断及定位，没有涉及到控制系统的故障诊断与容错；论文《Research on Fault Analysis and Fault-tolerant Control ofValve Electric》研究的内容是电动阀门执行机构的故障诊断与容错控制，非被控设备控制系统故障诊断容错，可以看出目前出现的较多的研究成果都是关于被控设备本身的故障诊断。

所以，针对特殊环境、特殊行业中多个被控设备的应用环境，提出冗余容错被控设备控制系统不仅提高了系统可靠性，也避免了因为被控设备突然失去控制带来的不必要的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在多个被控设备的特殊应用场合，被控设备控制系统中测控系统测量模块断路故障、测控系统到被控设备控制电路之间的线路断路故障或者电气控制模块(固态继电器等)断路故障的发生会导致被控设备失去控制，进而造成不可估量的损失，本发明提供了解决上述问题的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，包括一路冗余支路、k路控制支路和k路选通支路，其中k≥2且k为整数；

所述控制支路包括电气控制模块、被控设备，所述控制支路的电气控制模块的输出端与被控设备构成被控制回路；

所述冗余支路包括电气控制模块，所述冗余支路的电气控制模块的输出端并联连入k路被控制回路中所述控制支路的电气控制模块输出端的两端，形成k路并联支路；

k路选通支路为k个分别位于k路并联支路上，所述选通支路用于控制k路并联支路的通断。

进一步地，所述冗余容错被控设备控制系统包括控制室，在控制室中控制控制支路的电气控制模块输入端信号，在控制室中控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

进一步地，所述控制室包括分布式控制系统用上位机，所述分布式控制系统用上位机控制控制支路的电气控制模块输入端信号，所述分布式控制系统用上位机控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

进一步地，所述选通支路包括多个MCU驱动的小型电机驱动电路、小型电机驱动电路发出电机控制信号驱动的机械旋转连接单元，MCU发出选通模块驱动信号控制选通模块驱动电路，选通模块驱动电路连入机械旋转连接单元控制k个选通模块；

机械旋转单元包括小型电机、转轴信号端子、固定信号端子，转轴信号端子接收选通模块驱动电路输出的信号，k个固定信号端子上对应k个选通模块，MCU通过电机间接控制转轴信号端子旋转到特定固定信号端子位置，所述特定固定信号端子对应的选通模块上导通，此时，冗余支路的电气控制模块代替所述特定固定信号端子对应的被控制回路中的电气控制模块，选通模块与被控制回路一一对应。

进一步地，所述选通模块驱动电路数目为一。

进一步地，所述控制室包括冗余控制上位机，冗余控制上位机控制k路选通支路，冗余控制上位机通过发出信号与多个MCU进行数据通信间接控制k个选通模块。

进一步地，所述电气控制模块包括固态继电器、接触器。

所述被控设备包括电磁阀、电源；

所述固态继电器包括输入侧、输出侧；

分布式控制系统用上位机发出信号至控制支路的固态继电器输入侧，响应固态继电器输出侧；

所述固态继电器的输出侧与电磁阀和电源构成被控制回路；

分布式控制系统用上位机控制所述被控制回路的通断；

通过选通支路通断选择将冗余支路的固态继电器替换控制支路的固态继电器；

主动控制选通支路用于将一条冗余支路中的固态继电器替换出现故障的控制支路中的固态继电器。

所述选通模块包括冗余容错单向晶闸管；

所述冗余容错单向晶闸管包括控制端和被控端；

MCU通过小型电机驱动电路发出电机控制信号运行小型电机用于操作机械旋转单元，主动旋转多个机械旋转单元变更k个冗余容错单向晶闸管中特定固定信号端子对应的选通模块的状态，机械旋转单元发出切换信号输入至所述冗余容错单向晶闸管的控制端，所述冗余容错单向晶闸管的被控端连入所述k路并联支路的路径上，冗余控制上位机与MCU进行数据通信。

进一步地，工程人员在控制室中操作分布式控制板卡实现对分布式控制系统用上位机和冗余控制上位机的控制。

基于分布式控制系统的冗余容错被控设备控制方法，基于上述所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，控制方法如下：

当k路控制支路出现一条控制支路故障时，故障的控制支路为故障支路，冗余控制上位机主动发出数据通信导通故障支路对应的选通支路，所述冗余支路的电气控制模块输出端替换故障支路电气控制模块输出端的所在的故障支路回路位置。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本被控设备冗余容错控制系统可以在多种故障情况下进行容错控制，包括有控制系统分布式控制板卡断路故障、测控系统到被控设备控制支路的线路断路故障或者电气控制模块(固态继电器等)断路故障。

本被控设备冗余容错控制系统以一条冗余支路可以对多条实际控制支路进行容错运行；无论哪一条被控设备控制支路发生控制环节的断路故障，都可以把控制支路切换到冗余支路，灵活方便；节约了昂贵的分布式控制板卡以及测控电缆，因此较低成本就可以实现冗余容错控制。

本被控设备冗余容错控制系统能提高关键用中的安全性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的模块示意图。

图2为本发明的机械旋转连接单元示意图。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。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改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例：

基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，包括一路冗余支路、k路控制支路和k路选通支路，其中k≥2且k为整数；

所述控制支路包括电气控制模块、被控设备，所述控制支路的电气控制模块的输出端与被控设备构成被控制回路；

所述冗余支路包括电气控制模块，所述冗余支路的电气控制模块的输出端并联连入k路被控制回路中所述控制支路的电气控制模块输出端的两端，形成k路并联支路；

k路选通支路为k个分别位于k路并联支路上，所述选通支路用于控制k路并联支路的通断。

进一步地，所述冗余容错被控设备控制系统包括控制室，在控制室中控制控制支路的电气控制模块输入端信号，在控制室中控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

进一步地，所述控制室包括分布式控制系统用上位机，所述分布式控制系统用上位机控制控制支路的电气控制模块输入端信号，所述分布式控制系统用上位机控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

进一步地，所述选通支路包括多个MCU驱动的小型电机驱动电路、小型电机驱动电路发出电机控制信号驱动的机械旋转连接单元，MCU发出选通模块驱动信号控制选通模块驱动电路，选通模块驱动电路连入机械旋转连接单元控制k个选通模块；

机械旋转单元包括小型电机、转轴信号端子、固定信号端子，转轴信号端子接收选通模块驱动电路输出的信号，k个固定信号端子上对应k个选通模块，MCU通过电机间接控制转轴信号端子旋转到特定固定信号端子位置，所述特定固定信号端子对应的选通模块上导通，此时，冗余支路的电气控制模块代替所述特定固定信号端子对应的被控制回路中的电气控制模块，选通模块与被控制回路一一对应。

进一步地，所述控制室包括冗余控制上位机，冗余控制上位机控制k路选通支路，冗余控制上位机通过发出信号与多个MCU进行数据通信间接控制k个选通模块。

进一步地，所述选通模块驱动电路数目为一。

进一步地，所述电气控制模块包括固态继电器、接触器。

所述被控设备包括电磁阀、电源；

所述固态继电器包括输入侧、输出侧；

分布式控制系统用上位机发出信号至控制支路的固态继电器输入侧，响应固态继电器输出侧；

所述固态继电器的输出侧与电磁阀和电源构成被控制回路；

分布式控制系统用上位机控制所述被控制回路的通断；

通过选通支路通断选择将冗余支路的固态继电器替换控制支路的固态继电器；

主动控制选通支路用于将一条冗余支路中的固态继电器替换出现故障的控制支路中的固态继电器。

所述选通模块包括冗余容错单向晶闸管；

所述冗余容错单向晶闸管包括控制端和被控端；

MCU通过小型电机驱动电路发出电机控制信号运行小型电机用于操作机械旋转单元，主动旋转多个机械旋转单元变更k个冗余容错单向晶闸管中特定固定信号端子对应的选通模块的状态，机械旋转单元发出切换信号输入至所述冗余容错单向晶闸管的控制端，所述冗余容错单向晶闸管的被控端连入所述k路并联支路的路径上，冗余控制上位机与MCU进行数据通信。

进一步地，工程人员在控制室中操作分布式控制板卡实现对分布式控制系统用上位机和冗余控制上位机的控制。

参见图1；

第一部分为分布式控制系统，分布式控制系统由工程师站，操作员站，系统控制网，过程处理站。过程处理站包括I/O模块以及控制器等，每个I/O模块包含若干控制通道。工程师站以及操作员站作为上位机终端通过系统控制网利用过程处理站对工业现场进行状态监测及控制。

第二部分为电气控制部分，包括正常的控制器件、相应的选通模块D、选通模块控制器MCU以及驱动电路；

第三部分为电源。

第四部分为主动冗余容错控制部分，包括冗余控制上位机，n个MCU控制器，m路电机驱动电路，1路选通模块驱动电路，g个机械旋转连接单元，其中n、m、g的数量根据被控设备数量来确定。选通模块驱动电路发出的信号连接到机械旋转连接单元中转轴信号端子上，电机驱动电路连接到每一个电机上。机械旋转单元包括小型电机、转轴信号端子、固定信号端子。固定信号端子数量为q个，数量可以根据需求灵活设置，转轴信号端子1个，固定于电机转轴上，每个固定信号端子连接于对应的选通模块上，选通模块驱动电路发出的信号连接到机械旋转连接单元中转轴信号端子上；

如图2所示，小型电机控制机械旋转连接单元中的小型电机旋转轴旋转位置，而固定信号端子一对一与不同的选通模块对应匹配，转轴信号端子受数目为一的选通模块驱动电路信号控制连通或断开。

机械旋转连接单元可设置多个，但一个机械旋转连接单元上的转轴信号端子为1个，当机械旋转连接单元空间位置不足时，采用多个机械旋转连接单元，同时共有多个转轴信号端子，但同一时间内控制的转轴信号端子数目为一，而同一时间内控制转轴信号端子的电路为选通模块驱动电路，选通模块驱动电路数目也为一。

其中，SSR1～SSR4为固态继电器(也可以为接触器等其他电气控制器件)，D1-D3为选通模块(也可以用固态继电器等其他电气控制器件)。分布式控制系统发送开关命令到电气控制部分以控制被控设备开通或者关闭，冗余控制上位机PC发送控制信号控制故障支路切换。

控制支路分为k路、第一路为冗余支路，其余k-1路直接控制被控设备，其中k≥2，并且k为正整数。本电路图除冗余支路外，以3条直接控制被控设备的支路为例说明。

整个系统从功能分为两种：第一种为正常控制的k条被控设备控制支路；第二种为正常控制支路失效后的用来冗余容错的冗余支路及其相关部分。

冗余容错控制部分包含冗余容错控制支路、冗余控制上位机PC、冗余容错MCU、相应的驱动电路(小型电机驱动电路以及晶闸管驱动电路)、机械旋转连接单元。冗余容错控制支路包含控制器、电气控制器件；其余正常控制支路包含控制器、电气控制器件(固态继电器SSR1～SSRn等电气控制器件)、故障支路选通模块(冗余容错单向晶闸管D1～Dn等电气器件)。

在多个被控设备工作的重要现场，如果其中某一条支路发生了分布式控制系统控制模块断路故障、分布式控制系统到被控设备控制电路之间的线路断路故障或者电气控制器件开路故障，那么就可以利用故障支路的选通模块D进行相应的支路切换，使得故障支路的被控设备能够继续容错工作。

在工作过程中，假设控制支路1发生了分布式控制板卡故障，那么支路1中的被控设备将不能被控制。在故障容错时，首先利用冗余控制上位机PC发送控制信号到冗余容错MCU，冗余容错MCU经过计算，通过电机驱动电路控制电机旋转到相应位置，同时通过选通模块驱动电路发出驱动信号，从而使冗余容错单向晶闸管D1导通，同时D2～Dk保持关断状态；

接着操作员站主动发送开通信号到冗余支路上，从而导通相应的固态继电器，此时冗余支路完全代替故障支路，使得故障支路的被控设备在分布式控制板卡故障下仍能继续工作，提高了可靠性。

对于分布式控制系统到被控设备控制电路之间的线路断路故障或者电气控制器件开路故障的发生，采用同样的冗余容错过程。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (8)

1.基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，包括一路冗余支路、k路控制支路和k路选通支路，其中k≥2且k为整数；

所述控制支路包括电气控制模块、被控设备，所述控制支路的电气控制模块的输出端与被控设备构成被控制回路；

所述冗余支路包括电气控制模块，所述冗余支路的电气控制模块，并联连入k路被控制回路中的所述控制支路的电气控制模块的两端，形成k路并联支路；

所述冗余支路用于替代出现故障的控制支路；

k路选通支路为k个分别位于k路并联支路上，所述选通支路用于控制k路并联支路的通断；

所述选通支路包括多个MCU驱动的选通支路驱动电路、选通支路驱动电路发出电机控制信号驱动的机械旋转连接单元，MCU发出选通支路驱动信号控制选通支路驱动电路，选通支路驱动电路连入机械旋转连接单元控制k个选通支路；

机械旋转单元包括小型电机、转轴信号端子、固定信号端子，转轴信号端子接收选通支路驱动电路输出的信号，k个固定信号端子上对应k个选通支路，MCU通过电机间接控制转轴信号端子旋转到特定固定信号端子位置，所述特定固定信号端子对应的选通支路上导通，此时，冗余支路的电气控制模块代替所述特定固定信号端子对应的被控制回路中的电气控制模块，选通支路与被控制回路一一对应。

2.根据权利要求1所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述冗余容错被控设备控制系统包括控制室，在控制室中控制控制支路的电气控制模块输入端信号，在控制室中控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

3.根据权利要求2所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述控制室包括分布式控制系统用上位机，所述分布式控制系统用上位机控制控制支路的电气控制模块输入端信号，所述分布式控制系统用上位机控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。

4.根据权利要求2所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述控制室包括冗余控制上位机，冗余控制上位机控制k路选通支路，冗余控制上位机通过发出信号与多个MCU进行数据通信间接控制k个选通支路。

5.根据权利要求1所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述选通支路驱动电路数目为一。

6.根据权利要求1-5任意一条所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于：

所述电气控制模块包括固态继电器；

所述被控设备包括电磁阀、电源；

所述固态继电器包括输入侧、输出侧；

分布式控制系统用上位机发出信号至控制支路的固态继电器输入侧，响应固态继电器输出侧；

所述固态继电器的输出侧与电磁阀和电源构成被控制回路；

分布式控制系统用上位机控制所述被控制回路的通断；

通过选通支路通断选择将冗余支路的固态继电器替换控制支路的固态继电器；

主动控制选通支路用于将一条冗余支路中的固态继电器替换出现故障的控制支路中的固态继电器。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述选通支路包括冗余容错单向晶闸管；

所述冗余容错单向晶闸管包括控制端和被控端；

MCU通过小型电机驱动电路发出电机控制信号运行小型电机用于操作机械旋转单元，主动旋转多个机械旋转单元变更k个冗余容错单向晶闸管中特定固定信号端子对应的选通支路的状态，机械旋转单元发出切换信号输入至所述冗余容错单向晶闸管的控制端，所述冗余容错单向晶闸管的被控端连入所述k路并联支路的路径上，冗余控制上位机与MCU进行数据通信。

8.基于分布式控制系统的冗余容错控制系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，控制方法如下：

当k路控制支路出现一条控制支路故障时，故障的控制支路为故障支路，冗余控制上位机主动发出数据通信导通故障支路对应的选通支路，所述冗余支路的电气控制模块输出端替换故障支路电气控制模块输出端的所在的故障支路回路位置。

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