CN112859578A - 一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，包括主控卡、功能卡、交换卡、以太网总线，所述主控卡、功能卡、交换卡各自数量≥2，每个交换卡分别连接一条以太网总线，所述交换卡通过以太网总线逐一连接到所有主控卡和功能卡；所述主控卡之间通过以太网总线进行数据更新，及时交换，一个主控卡发生故障，不会影响其他主控卡工作。本发明从电源、布线、交换网络、主控设备到各个功能卡设备实现了完全备份冗余的机制，且全系统采用以太网联网方式，基于本发明的工控机开发周期很短，开发成本很低，且任意一个单点设备或线路故障都不会终端系统的正常工作，是一款低成本方式设计的全冗余控工控机。
Description
技术领域
本发明涉及一种工控机，具体涉及一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机。
背景技术
现在工业控制中为了保证一些重要环节的不间断稳定工作，常常以硬件备份冗余的方式来实现目的。基于传统CPCI/CPCIE或VPX总线的欧卡工控机由于其开发难度大，想要实现备份冗余需要极高的开发成本和开发周期。无法在常规工业产品中大面积推广使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设置一种成本低、开发难度小的备份冗余工控机。本发明提供了解决上述问题的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，包括主控卡、功能卡、交换卡、以太网总线，所述主控卡、功能卡、交换卡各自数量≥2，每个交换卡分别连接一条以太网总线，所述交换卡通过以太网总线逐一连接到所有主控卡和功能卡；
所述主控卡之间通过以太网总线进行数据更新，及时交换。
该方案中：在所述工控机中使用以太网总线代替了传统的CPCI/CPCIE或VPX总线，即工控机背板上除了必要的管理信号线、电源和以太网信号线之外，没有其他的信号线。
除此之外，所述工控机所设的主控卡、功能卡、交换卡、以太网总线各自数量均不止一个，每个主控卡、功能卡均通过网卡与以太网总线连接，以太网总线连通交换卡，以此通过以太网进行通信。
由于以太网具有技术成熟，开发难度小，应用广泛，跨平台能力强等特点。基于本发明的工控机开发周期很短，开发成本很低；同时，所述主控卡、交换卡、以太网总线均为复数，形成冗余结构，其中某一硬件出现问题均可切换至对应备用硬件，确保工控机不会因为一个硬件出现问题而整个停止作业。
优选的，所述主控卡、交换卡各自数量为2。
优选的，所述主控卡包括第一主控卡、第二主控卡，所述主控卡之间相互通信，互发心跳包检验对方工作状态，确认是否正常工作，正常时由第一主控卡控制，当发现第一主控卡出现异常时第二主控卡自动拿到控制权。
该方案中：第一主控卡为平时日常使用的主控卡，当第一主控卡发生问题时，第二主控卡将无法得到第一主控卡定期发送过来的心跳包，第二主控卡以此判断第一主控卡发生故障，第二主控卡自动拿到控制权，并提示第一主控卡发生故障。
优选的，所述功能卡各自设有CPU或MCU完成各自的功能处理，然后通过以太网总线和主控卡相连，由主控卡实现所有功能的组合。
该方案中：通过对功能卡设置CPU或MCU，能够提高工控机的可靠性，在主控卡出现问题且备用主控卡获得控制权前时，功能卡不会因此停止工作，确保工控机的正常运作。同时，也能降低主控卡CPU的负载。
优选的，所述功能卡均包括主功能卡、备用功能卡，所述主功能卡和对应的备用功能卡功能相同，分别接入2组交换卡。
该方案中：将功能卡设计成备份冗余机制，由主控卡进行检测，当主控卡未能接收到正在运行中的主功能卡发送的信息时，判断该主控卡出现问题，由主控卡将备用功能卡开启，确保工控机正常运行，并提示该主功能板发生故障。
优选的，所述主控卡和功能卡各自设置的网卡数量≥2，分别连接2条以太网总线。。
更进一步优选的，所述主控卡的网卡数量为2个，每个网卡分别设有2个以太网接口以连接2条以太网总线。
该方案中：为了能同时连接2条以太网接口，每个主控卡和功能卡均设置多个网卡，这既使网卡也有了备份冗余机制，也增加了主控卡与功能卡的带宽，提高了工控机的工作效率。
优选的，所述交换卡采用不少于20个接口的千兆或万兆交换机。
优选的，包括2组备份冗余设计方式的电源卡。
优选的，所述交换卡具有防环路功能。
该方案中：为了防止目的路径不明确导致混乱而造成网络环路，所安装的交换卡需具备防环路功能。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明从电源、布线、交换网络、主控设备到各个功能卡设备实现了完全备份冗余的机制，任意一个单点设备或线路故障都不会终止系统的正常工作，是一款低成本方式设计的全冗余控工控机。
2、全系统采用以太网联网方式，由于以太网具有技术成熟，开发难度小，应用广泛，跨平台能力强等特点，基于本发明的工控机开发周期很短，开发成本很低。
3、冗余的板卡不仅可以实现热备功能，也可以实现负载均衡功能。相对于CPCI-E或VPX扩展方案，以以太网为基础对热备软件的开发难度大幅度降低，扩展性极强。
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为本发明结构示意图；
图2为本发明组网示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示，交换卡1和交换卡2通过以太网总线1和以太网总线2逐一连接到所有主控卡和功能卡，所述交换卡具有防环路功能；
所述功能卡设计成备份冗余机制，分别接入到交换卡1和交换卡2，各自设有CPU或MCU。
除此之外设有电源卡，电源卡1和电源卡2是备份冗余设计方式，具有防电流倒流机制，分为正负两根线，各电源输出加有过载保护电路。只要任意一个电源有正常电源输出，整个系统设备均可正常供电；
本案例采用欧卡结构方式，从电源、布线、交换网络、主控设备到各个功能卡设备实现了完全备份冗余的机制。任意一个单点设备或线路故障都不会终端系统的正常工作。是一款低成本方式设计的全冗余控工控机。
在本发明运行时：主控卡1和主控卡2之间通过以太网实现数据更新，及时交换，并互发心跳包，检验对方是否正常工作，正常情况由主控卡1工作，当发现主控卡1出现异常时主控卡2自动夺权拿到控制权；
由主控卡决定主功能卡、备用功能卡，由各功能卡上CPU、MCU自行完成完成各自的功能处理，并由主控卡实现所有功能的组合。
当所述工控机在运行过程中任一硬件出现问题时，均设有对应备用硬件进行承担，实现了硬件完全冗余，无单点故障点，实现了热备功能，也可以实现负载均衡功能。相对于CPCI-E或VPX扩展方案，以以太网为基础对热备软件的开发难度大幅度降低，扩展性极强。
实施例2
在实施例1的基础上，所述主控卡和功能卡网卡数量均为2个，所述主控卡上的网卡各自设有2个以太网接口以连接2条以太网总线。
为了能同时连接2条以太网总线，每个主控卡和功能卡均设置2个网卡来连接交换卡，这既使网卡也有了备份冗余机制，增加了工控机的可靠性，也增加了主控卡与功能卡的带宽，提高了工控机的工作效率。同时，主控卡的2个网卡各自设有2个以太网接口以连接2条以太网总线，能够确保即使某一个交换机出现问题，主控卡还是同时有两个网卡接入以太网，人具有足够的带宽以进行作业。
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 (10)
1.一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：包括主控卡、功能卡、交换卡、以太网总线，所述主控卡、功能卡、交换卡各自数量≥2，每个交换卡分别连接一条以太网总线，所述交换卡通过以太网总线逐一连接到所有主控卡和功能卡；
所述主控卡之间通过以太网总线进行数据更新，及时交换。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述主控卡、交换卡各自数量为2。
3.根据权利要求2所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述主控卡包括第一主控卡、第二主控卡，所述主控卡之间相互通信，互发心跳包检验对方工作状态，确认是否正常工作，正常由第一主控卡控制，当第二主控卡发现第一主控卡出现异常时自动拿到控制权。
4.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述功能卡各自设有CPU或MCU完成各自的功能处理，通过以太网总线和主控卡相连，由主控卡实现所有功能的组合。
5.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述功能卡均包括主功能卡、备用功能卡，所述主功能卡和对应的备用功能卡功能相同，分别接入2个交换卡。
6.根据权利要求2所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述主控卡和功能卡各自设置的网卡数量≥2，分别连接2条以太网总线。
7.根据权利要求6所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述主控卡的网卡数量为2个，每个网卡分别设有2个以太网接口以连接2条以太网总线。
8.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述交换卡采用不少于20个接口的千兆或万兆交换机。
9.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：包括2组备份冗余设计方式的电源卡。
10.根据权利要求1所述的一种基于以太网总线方案的备份冗余工控机，其特征在于：所述交换卡具有防环路功能。
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