CN113341688B - 工业控制系统的冗余控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种工业控制系统的冗余控制电路，该电路包括第一板卡和第二板卡。第一板卡包括第一控制信号输出端，第一控制信号输出端与第一控制单元通过第一切换开关连接，第一控制信号输出端用于连接执行器的控制信号输入端；第二板卡包括第二控制信号输出端，第二控制信号输出端与第二控制单元通过第二切换开关连接，第二控制信号输出端用于连接执行器的控制信号输入端；第一切换开关与第二切换开关基于两个板卡交换的第一信号和/或第二信号实现互斥开关，以使第一控制单元或第二控制单元与执行器连接。由于两个切换开关能够实现互斥开关，因此能够在一个板卡出现故障时使正常的板卡与执行器连接，从而使现场生产设备能够保持正常工作状态。

Description

工业控制系统的冗余控制电路

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种工业控制系统的冗余控制电路。

背景技术

通常工业现场的工业控制系统，一般会通过冗余卡件保证系统的安全稳定运行，通过冗余卡件的设置使得部分卡件发生故障时保证工业现场的生产设备正常运行。在实际使用中，要求在当单块卡件故障发生情况下，现场生产设备能够保持正常工作状态。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种工业控制系统的冗余控制电路，用于在单块卡件发生故障时保证现场生产设备能够保持正常工作状态。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种工业控制系统的冗余控制电路，所述冗余控制电路里包括第一板卡和第二板卡，其中：

所述第一板卡包括第一控制单元、第一信号接收端、第一信号发送端和第一控制信号输出端，所述第一控制信号输出端与所述第一控制单元通过第一切换开关连接，所述第一控制信号输出端用于连接所述工业控制系统的执行器的控制信号输入端；

所述第二板卡包括第二控制单元、第二信号接收端、第二信号发送端和第二控制信号输出端，所述第二控制信号输出端与所述第二控制单元通过第二切换开关连接，所述第二控制信号输出端用于连接所述执行器的控制信号输入端；

所述第一信号接收端与所述第二信号发送端信号连接，用于交换第二信号，所述第一信号发送端与所述第二信号接收端信号连接，用于交换第一信号，所述第一切换开关与所述第二切换开关基于所述第一信号和/或所述第二信号实现互斥开关，以使所述第一控制单元或所述第二控制单元与所述执行器连接。

可选的，所述第一切换开关为继电器、接触器或开关管。

可选的，所述第二切换开关为继电器、接触器或开关管。

可选的，所述开关管为MOS管。

可选的，所述第一板卡包括第一开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第一触发器、第一二极管和第二二极管，其中：

所述第一信号接收端分别与所述第一控制单元的信号接收端、所述第一电阻的一端、所述第一二极管的负极连接，所述第一电阻的另一端用于接收驱动电压；

所述第一信号发送端与所述第一开关管的一端连接，所述第一开关管的另一端接地，所述第一开关管的控制端分别与所述第一触发器的输出端、所述第二二极管的负极连接；

所述第三电阻的一端用于接收驱动电压，所述第三电阻的另一端分别与所述第一二极管的正极、所述第二二极管的正极、所述第一切换开关的控制端连接，所述第一切换开关基于高电平信号实现闭合状态。

所述第一控制单元的第一接口分别与所述第一触发器的信号输入端、所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地；

所述第一控制单元的第二接口与所述第一触发器的使能端连接，并通过所述第四电阻接地，还通过所述第一电容接收驱动电压。

可选的，所述第一开关管为NMOS管。

可选的，所述第一触发器为D触发器。

可选的，所述第二板卡包括第二开关管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容、第二触发器、第三二极管和第四二极管，其中：

所述第二信号接收端分别与所述第二控制单元的信号接收端、所述第五电阻的一端、所述第三二极管的负极连接，所述第五电阻的另一端用于接收驱动电压；

所述第二信号发送端与所述第二开关管的一端连接，所述第二开关管的另一端接地，所述第二开关管的控制端分别与所述第二触发器的输出端、所述第四二极管的负极连接；

所述第七电阻的一端用于接收驱动电压，所述第七电阻的另一端分别与所述第三二极管的正极、所述第四二极管的正极、所述第二切换开关的控制端连接，所述第二切换开关基于高电平信号实现闭合状态。

所述第二控制单元的第一接口分别与所述第二触发器的信号输入端、所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地；

所述第二控制单元的第二接口与所述第二触发器的使能端连接，并通过所述第八电阻接地，还通过所述第二电容接收驱动电压。

可选的，所述第二开关管为NMOS管。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种工业控制系统的冗余控制电路，该电路包括第一板卡和第二板卡。第一板卡包括第一控制单元、第一信号接收端、第一信号发送端和第一控制信号输出端，第一控制信号输出端与第一控制单元通过第一切换开关连接，第一控制信号输出端用于连接工业控制系统的执行器的控制信号输入端；第二板卡包括第二控制单元、第二信号接收端、第二信号发送端和第二控制信号输出端，第二控制信号输出端与第二控制单元通过第二切换开关连接，第二控制信号输出端用于连接执行器的控制信号输入端；第一切换开关与第二切换开关基于两个板卡交换的第一信号和/或第二信号实现互斥开关，以使第一控制单元或第二控制单元与执行器连接。由于第一切换开关与第二切换开关互斥开关，因此能够在一个板卡出现故障时使正常的板卡与执行器连接，从而使现场生产设备能够保持正常工作状态。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种工业控制系统的冗余控制电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1为本申请实施例的一种工业控制系统的冗余控制电路的电路图。

如图1所示，本实施例提供的冗余控制电路包括第一板卡100和第二板卡200。两者分别与工业控制系统中的执行器信号连接，并择一向该执行器输出控制信号。

该第一板卡包括第一控制单元MCU1、第一信号接收端RX_L、第一信号发送端TX_L和第一控制信号输出端101，第一控制信号输出端与第一控制单元通过第一切换开关SWL连接，第一控制信号输出端用于连接工业控制系统的执行器的控制信号输入端。

第二板卡包括第二控制单元MCU2、第二信号接收端RX_R、第二信号发送端TX_R和第二控制信号输出端201，第二控制信号输出端与第二控制单元通过第二切换开关SWR连接，第二控制信号输出端用于连接该执行器的控制信号输入端。

第一信号接收端与第二信号发送端信号连接，用于交换第二信号，第一信号发送端与第二信号接收端信号连接，用于交换第一信号，第一切换开关与第二切换开关基于第一信号和/或第二信号实现互斥开关，以使第一控制单元或第二控制单元与执行器连接。

当工业控制系统正常对现场设备执行控制的过程中，一旦第一板卡或第二板卡出现故障停机或执行复位，因为第一切换开关和第二切换开关的互斥开关动作，即仅使第一控制单元和第二控制单元中的一个控制单元与该执行器实时连接，即让正常的板卡与执行器连接，从而实现了冗余控制。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种工业控制系统的冗余控制电路，该电路包括第一板卡和第二板卡。第一板卡包括第一控制单元、第一信号接收端、第一信号发送端和第一控制信号输出端，第一控制信号输出端与第一控制单元通过第一切换开关连接，第一控制信号输出端用于连接工业控制系统的执行器；第二板卡包括第二控制单元、第二信号接收端、第二信号发送端和第二控制信号输出端，第二控制信号输出端与第二控制单元通过第二切换开关连接，第二控制信号输出端用于连接执行器的控制信号输入端；第一切换开关与第二切换开关基于两个板卡交换的第一信号和/或第二信号实现互斥开关，以使第一控制单元或第二控制单元与执行器连接。由于第一切换开关与第二切换开关互斥开关，因此能够在一个板卡出现故障时使正常的板卡与执行器连接，从而使现场生产设备能够保持正常工作状态。

本实施例中的第一切换开关和第二切换开关为继电器、接触器或开关管，开关管具体可以为MOS管，如NMOS管或PMOS管。即能够根据相应控制信号实现开关动作的元件或电气设备。

本实施例中的第一板卡具体包括第一开关管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第一触发器U1、第一二极管D1和第二二极管D2。该第一开关管Q1优选NMOS管，第一触发器优选D触发器。

第一信号接收端分别与第一控制单元的信号接收端、第一电阻的一端、第一二极管的负极连接，第一电阻的另一端用于接收驱动电压；第一信号发送端与第一开关管的一端连接，第一开关管的另一端接地，第一开关管的控制端分别与第一触发器的输出端、第二二极管的负极连接；

第三电阻的一端用于接收驱动电压，第三电阻的另一端分别与第一二极管的正极、第二二极管的正极、第一切换开关的控制端连接，第一切换开关基于高电平信号实现闭合状态。

第一控制单元的第一接口分别与第一触发器的信号输入端、第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地；第一控制单元的第二接口与第一触发器的使能端连接，并通过第四电阻接地，还通过第一电容接收驱动电压。

第二板卡包括第二开关管Q2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2、第二触发器U2、第三二极管D3和第四二极管D4。该第二开关管优选NMOS管，第二触发器优选D触发器。

第二信号接收端分别与第二控制单元的信号接收端、第五电阻的一端、第三二极管的负极连接，第五电阻的另一端用于接收驱动电压；第二信号发送端与第二开关管的一端连接，第二开关管的另一端接地，第二开关管的控制端分别与第二触发器的输出端、第四二极管的负极连接；

第七电阻的一端用于接收驱动电压，第七电阻的另一端分别与第三二极管的正极、第四二极管的正极、第二切换开关的控制端连接，第二切换开关基于高电平信号实现闭合状态。

第二控制单元的第一接口分别与第二触发器的信号输入端、第六电阻的一端连接，第六电阻的另一端接地；第二控制单元的第二接口与第二触发器的使能端连接，并通过第八电阻接地，还通过第二电容接收驱动电压。

本实施例中MCU1和MCU2为互为冗余，通过各自对应的SWL和SWR来将控制信号输出到该执行器，以实现对执行器的控制，其中SWL和SWR在逻辑上是互斥的。

RX_L用于接收输入信号，当MCU1读取到RX_L上为高电平时，第一板卡认为自己为主卡、第二板卡为备卡；当MCU1读取到RX_L上为低电平时，认为第二板卡为主卡，自己所处的第一板卡为备卡。

根据D类触发器的控制逻辑，该第一触发器在LE_L为高电平时，其输出QL＝D_L；当LE_L为低电平时，其输出QL保持不变；

第一二极管D1、第二二极管D2和第三电阻R3组成与逻辑。当D1的控制信号RX_L和D2控制信号QL为高电平，D1和D2不导通，SWL状态为闭合；当D1的控制信号RX_L和D2控制信号QL任一为低电平时，D1和D2任一导通，SWL状态为断开。

当只有第一板卡在位时且无故障时，默认第一板卡为主卡，正常控制时D1的控制信号RX_L被R1拉到VCC，D2控制信号QL为高电平，此时SWL状态为闭合。当第一板卡发生热复位时，MCU1口处于高阻状态，LE_L被R4拉到GND，D_L被R2拉到GND，此时输出QL保持不变，RX_L为输入信号，不受本卡热复位影响被R1拉到VCC，SWL保持闭合。待热复位结束，MCU1读取到RX_L为高电平时，认为自己为主卡，MCU1控制LE_L和D_L到高电平，输出QL＝D_L为高电平，此时D1的控制信号RX_L为高电平，D2控制信号QL为高电平，SWL保持闭合。

当第二板卡同时在位时且无故障时，默认第一板卡为主卡，第二板卡为备卡。正常控制时SWL状态为闭合，SWR状态为断开。根据以上的控制逻辑，该电路可以在如下场景下工作，并实现其中的逻辑。

场景A：当第一板卡热复位时，第二板卡正常，第二板卡所有控制信号不会发生改变，SWR状态保持断开。当第一板卡发生热复位时，MCU1口处于高阻状态，LE_L被R4拉到GND，D_L被R2拉到GND，此时输出QL保持不变，RX_L受第二板卡控制，被R1拉到VCC，SWL保持闭合。待第一板卡热复位结束，当MCU1读取到RX_L为高电平时，认为自己为主卡，对方卡为备卡，MCU1控制LE_L和D_L到高电平，输出QL＝D_L为高电平，此时D1的控制信号RX_L和D2控制信号QL为高电平，SWL保持闭合。

场景B：当第二板卡热复位时，第一板卡正常工作，第一板卡所有控制信号不会发生改变，SWL保持闭合。当第二板卡发生热复位时，MCU2口处于高阻状态，LE_R被R8拉到GND，D_R被R6拉到GND，此时输出QR保持不变，RX_R受主卡控制，被Q1拉到GND，SWR保持断开。待热复位结束，当MCU2读取到RX_R为低电平时，认为自己为备卡，对方卡为主卡，MCU2控制LE_R到高电平,D_R到低电平，输出QR＝D_R为低电平，此时D3的控制信号RX_R和D4控制信号QR为低电平，SWR保持断开。

场景C：当拔除第一板卡时，D3的控制信号RX_R被R5拉到VCC，D4的控制信号QR保持不变，SWR保持断开。当拔除第一板卡后，MCU2读取到RX_R为高电平时，认为自己为主卡，MCU2控制LE_R和D_R到高电平，输出QR＝D_R为高电平，此时D3的控制信号RX_R和D4控制信号QR为高电平，SWR切换为闭合。

场景D：当拔除第二板卡时，D1的控制信号RX_L被R1拉到VCC，D3的控制信号QL保持不变，SWL保持闭合。当拔除第二板卡后，MCU1读取到RX_L为高电平时，认为自己为主卡，不做任何动作，保持控制。

场景E:当第一板卡突然失电瞬间，D3的控制信号RX_R被R5拉到VCC，D4的控制信号QR保持不变，SWR保持断开。MCU2读取到RX_R为高电平时，使得第二板卡认为自己为主卡，MCU2控制LE_R和D_R到高电平，输出QR＝D_R为高电平，此时D3的控制信号RX_R和D4控制信号QR为高电平，SWR切换为闭合。

场景F:当第二板卡突然失电瞬间，D1的控制信号RX_L被R1拉到VCC，D3的控制信号QL保持不变，SWL保持闭合。MCU1读取到RX_L为高电平时，使得第一板卡认为自己为主卡，不做任何动作，保持控制。

当单卡在位且无故障时，默认在位卡为主卡，此处假设第一板卡在位，正常控制时SWL为闭合。此时插上第二板卡，上电瞬间MCU2口处于高阻状态，LE_R被C2瞬间拉到VCC，D_R被R6拉到GND，此时输出QR＝D_R状态为低电平，RX_L被主卡R1拉到高电平VCC，RX_R受主卡控制，被Q1拉到GND，主卡控制信号未受备卡影响，SWL保持闭合，SWR断开。MCU1读取到RX_L为高电平，MCU2读取到RX_R为低电平时，选择第一板卡为主卡，MCU2控制LE_R到高电平,D_R到低电平，输出Q＝D_R为低电平，此时D3的控制信号RX_R和D4控制信号QR为低电平，SWR保持断开。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种工业控制系统的冗余控制电路，其特征在于，所述冗余控制电路里包括第一板卡和第二板卡，其中：

所述第一板卡包括第一控制单元、第一信号接收端、第一信号发送端和第一控制信号输出端，所述第一控制信号输出端与所述第一控制单元通过第一切换开关连接，所述第一控制信号输出端用于连接所述工业控制系统的执行器的控制信号输入端；

所述第二板卡包括第二控制单元、第二信号接收端、第二信号发送端和第二控制信号输出端，所述第二控制信号输出端与所述第二控制单元通过第二切换开关连接，所述第二控制信号输出端用于连接所述执行器的控制信号输入端；

所述第一信号接收端与所述第二信号发送端信号连接，用于交换第二信号，所述第一信号发送端与所述第二信号接收端信号连接，用于交换第一信号，所述第一切换开关与所述第二切换开关基于所述第一信号和/或所述第二信号实现互斥开关，以使所述第一控制单元或所述第二控制单元与所述执行器连接；

其中，所述第一板卡包括第一开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第一触发器、第一二极管和第二二极管，其中：

所述第一信号接收端分别与所述第一控制单元的信号接收端、所述第一电阻的一端、所述第一二极管的负极连接，所述第一电阻的另一端用于接收驱动电压；

所述第一信号发送端与所述第一开关管的一端连接，所述第一开关管的另一端接地，所述第一开关管的控制端分别与所述第一触发器的输出端、所述第二二极管的负极连接；

所述第三电阻的一端用于接收驱动电压，所述第三电阻的另一端分别与所述第一二极管的正极、所述第二二极管的正极、所述第一切换开关的控制端连接，所述第一切换开关基于高电平信号实现闭合状态；

所述第一控制单元的第一接口分别与所述第一触发器的信号输入端、所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地；

所述第一控制单元的第二接口与所述第一触发器的使能端连接，并通过所述第四电阻接地，还通过所述第一电容接收驱动电压；

其中，所述第二板卡包括第二开关管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容、第二触发器、第三二极管和第四二极管，其中：

所述第二信号接收端分别与所述第二控制单元的信号接收端、所述第五电阻的一端、所述第三二极管的负极连接，所述第五电阻的另一端用于接收驱动电压；

所述第二信号发送端与所述第二开关管的一端连接，所述第二开关管的另一端接地，所述第二开关管的控制端分别与所述第二触发器的输出端、所述第四二极管的负极连接；

所述第七电阻的一端用于接收驱动电压，所述第七电阻的另一端分别与所述第三二极管的正极、所述第四二极管的正极、所述第二切换开关的控制端连接，所述第二切换开关基于高电平信号实现闭合状态；

所述第二控制单元的第一接口分别与所述第二触发器的信号输入端、所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地；

所述第二控制单元的第二接口与所述第二触发器的使能端连接，并通过所述第八电阻接地，还通过所述第二电容接收驱动电压。

2.如权利要求1所述的冗余控制电路，其特征在于，所述第一切换开关为继电器、接触器或开关管。

3.如权利要求1所述的冗余控制电路，其特征在于，所述第二切换开关为继电器、接触器或开关管。

4.如权利要求2或3所述的冗余控制电路，其特征在于，所述开关管为MOS管。

5.如权利要求1所述的冗余控制电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS管。

6.如权利要求1所述的冗余控制电路，其特征在于，所述第一触发器为D触发器。

7.如权利要求1所述的冗余控制电路，其特征在于，所述第二开关管为NMOS管。

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