CN114200853A - 一种分布式冗余控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式冗余控制系统，涉及计算机技术领域。该方法的一具体实施例包括：现场层、监控层、通信层和I/O层；其中：现场层包括多个现场控制系统，每个现场控制系统包括多个现场CPU模块、多个与现场CPU模块对应的现场电源模块，多个现场CPU模块、多个现场电源模块全同；监控层包括多个监控控制系统，多个监控控制系统全同，每个监控控制系统包括监控CPU模块，用于监控现场层，并与现场层通过通信层进行数据交互；在监控层确定现场控制系统的部分现场CPU模块故障时，切换其余的现场CPU模块运行；I/O层包括多个I/O模块，现场层接收I/O层的多个I/O模块采集的外设数据。该实施方式能够提高系统对硬件故障的容错能力，保证智能控制系统的安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种分布式冗余控制系统。
背景技术
智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式。随着装备信息化的不断发展与升级，智能控制系统的利用率不断提高，同时，智能控制系统的资源使用效率、软件故障、硬件故障问题对装备连续作业的影响变得日益突出。
现有的智能控制系统中，控制任务的执行过程涉及数据处理、数据存储、数据交互等多个环节，一旦控制系统发生硬件故障，导致停机和服务中断、重要信息丢失等，装备则无法正常运行，会带来巨大损失。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种，能够提高系统对硬件故障的容错能力，保证智能控制系统的安全可靠运行，避免停机、服务中断等故障的发生，保证信息安全，提高了智能控制系统的稳定性和可用性。
实现本发明的技术方案如下：
一种分布式冗余控制系统，其特征在于，包括：现场层、监控层、通信层和I/O层；其中：
所述现场层包括多个现场控制系统，每个所述现场控制系统包括多个现场CPU模块、多个与所述现场CPU模块对应的现场电源模块，多个所述现场CPU模块、多个所述现场电源模块全同；
所述监控层包括多个监控控制系统，多个所述监控控制系统全同，每个所述监控控制系统包括监控CPU模块，用于监控所述现场层，并与所述现场层通过所述通信层进行数据交互；
在所述监控层确定所述现场控制系统的部分现场CPU模块故障时，切换其余的现场CPU模块运行；
所述I/O层包括多个I/O模块，所述现场层接收所述I/O层的多个所述I/O模块采集的外设数据。
可选地，所述现场层包括现场控制系统A、现场控制系统B、现场控制系统C、现场控制系统D；其中：
现场控制系统A包括现场CPU模块A01、现场CPU模块A02、现场电源模块A1、现场电源模块A2；
所述I/O层包括I/O模块A1#、I/O模块A2#；其中：
所述I/O模块A1#与所述现场CPU模块A01对应，用于向所述现场CPU模块A01发送外设数据；所述I/O模块A2#与所述现场CPU模块A02对应，用于向所述现场CPU模块A02发送外设数据。
所述监控层包括监控控制系统A、监控控制系统B和监控控制系统C；其中：
所述监控控制系统A包括监控CPU模块A，所述监控控制系统B包括监控CPU模块B，所述监控控制系统C包括监控CPU模块C，所述监控CPU模块A与所述现场CPU模块A01对应，用于通过所述通信层接收所述现场CPU模块A01根据外设数据确定的处理结果A01；所述监控CPU模块B与所述现场CPU模块A02对应，用于通过所述通信层接收所述现场CPU模块A02根据外设数据确定的处理结果A02；所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B、所述监控CPU模块C通过CCDL进行互传，使得所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B和所述监控CPU模块C得到所述处理结果A01和处理结果A02。
可选地，还包括：
所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B和所述监控CPU模块C分别对处理结果A01和处理结果A02进行表决，确定中间表决结果A、中间表决结果B和中间表决结果C，并发送给主监控CPU模块；
由所述主监控CPU模块对所述中间表决结果进行表决，确定监控表决结果，分别发送给剩余的监控CPU模块；其中，默认所述监控CPU模块A为主监控CPU模块；
所述监控CPU模块A、监控CPU模块B通过通信层分别将所述监控表决结果发送给所述现场CPU模块A01、现场CPU模块A02，由主现场CPU模块根据监控表决结果将对应的处理结果发送给所述I/O模块A1#、I/O模块A2#；其中，默认所述现场CPU模块A01为主现场CPU模块；
所述I/O模块A1#、I/O模块A2#根据接收到的处理结果向对应外设输出控制信号。
可选地，所述通信层的通信介质为光纤电缆，使用MIL-1394B协议。
可选地，所述现场控制系统和所述监控控制系统采用DeltaSVM操作系统。
有益效果：
能够提高系统对硬件故障的容错能力，保证智能控制系统的安全可靠运行，避免停机、服务中断等故障的发生，保证信息安全，提高了智能控制系统的稳定性和可用性。
附图说明
图1为本发明的分布式冗余控制系统的示意图一。
图2为为本发明的分布式冗余控制系统的示意图二。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种分布式冗余控制系统，采用多层冗余设计，具有可靠性高、稳定性强等优点。
本发明的分布式冗余控制系统用于单个终端设备，如图1所示，包括现场层、监控层、通信层和I/O层。现场层为冗余控制，包括多个现场控制系统，每个现场控制系统包括多个现场CPU模块、多个与现场CPU模块对应的现场电源模块，多个现场CPU模块、多个现场电源模块全同。监控层为冗余控制，包括多个监控控制系统，多个监控控制系统全同，用于监控现场层，并与现场层通过通信层进行数据交互，从而实现余度管理。通信层用于提供现场层和监控层的通信链路，可以采用光纤电缆作为通信介质，使用MIL-1394B协议。I/O层包括多个I/O模块，现场层接收I/O层的多个I/O模块采集的外设数据。
在本发明实施例中，现场层的硬件采用双余度计算机，软件采用“道”系列操作系统及业务软件，主要执行I/O层数据的接收/采集、转发及现场控制功能，并响应监控层设备下达的控制指令。监控层的硬件采用三余度计算机，软件采用“道”系列操作系统及业务软件，对内集中本发明的分布式冗余控制系统的监测数据、下发控制指令、实现系统自检，对外提供监测、管控及应急接口。I/O层用于采集各种外设设备的数据，外设设备属于本发明的分布式冗余控制系统监测和控制的对象，外设设备不属于本发明的分布式冗余控制系统，仅通过I/O层与系统进行数据交互。
在本发明实施例中，现场CPU模块、监控CPU模块是分布式冗余控制系统的执行控制任务和余度管理的核心，其基本工作过程是对I/O层采集的各种传感器等外设设备的信号(模拟量、离散量、数字量等)进行控制律计算，并对计算结果进行表决，从而进行余度管理，输出指令信号，使得I/O层完成相应的控制动作，达到对外设设备的智能控制。
如图2所示，本发明的分布式冗余控制系统的现场层包括4个现场控制系统：现场控制系统A、现场控制系统B、现场控制系统C、现场控制系统D，现场控制系统A包括现场CPU模块A01、现场CPU模块A02、现场电源模块A1、现场电源模块A2，现场控制系统B包括现场CPU模块B01、现场CPU模块B02、现场电源模块B1、现场电源模块B2，现场控制系统C包括现场CPU模块C01、现场CPU模块C02、现场电源模块C1、现场电源模块C2，现场控制系统D包括现场CPU模块D01、现场CPU模块D02、现场电源模块D1、现场电源模块D2。
如图2所示，本发明的分布式冗余控制系统的I/O层包括8个I/O模块，一个现场控制系统对应2个I/O模块；其中，I/O模块A1#、I/O模块A2#分别与现场控制系统A的现场CPU模块A01、现场CPU模块A02对应，I/O模块B1#、I/O模块B2#分别与现场控制系统B的现场CPU模块B01、现场CPU模块B02对应，I/O模块C1#、I/O模块C2#分别与现场控制系统C的现场CPU模块C01、现场CPU模块C02对应，、I/O模块D1#、I/O模块D2#分别与现场控制系统D的现场CPU模块D01、现场CPU模块D02对应，I/O模块和现场电源模块的对应关系与I/O模块与现场CPU模块的对应关系类似。
如图2所示，本发明的分布式冗余控制系统的监控层包括3个监控控制系统：监控控制系统A、监控控制系统B、监控控制系统C，监控控制系统A包括监控CPU模块A，监控控制系统B包括监控CPU模块B，监控控制系统C包括监控CPU模块C。
如图2所示，I/O模块A1#、I/O模块A2#分别采集各个外设设备的外设数据，获得外设数据1、外设数据2；I/O模块A1#将外设数据1通过底板总线发送给现场控制系统A的现场CPU模块A01，I/O模块A2#将外设数据2通过底板总线发送给现场控制系统A的现场CPU模块A02；现场CPU模块A01、现场CPU模块A02分别对外设数据1、外设数据2进行处理确定处理结果A01、处理结果A02；现场CPU模块A01通过通信层的1394通信接口将处理结果A01发送给监控CPU模块A，现场CPU模块A02通过通信层的1394通信接口将处理结果A02发送给监控CPU模块B；监控CPU模块A、监控CPU模块B和监控CPU模块C接收到处理结果之后通过CCDL进行互传，使得监控CPU模块A、监控CPU模块B和监控CPU模块C得到处理结果A01和处理结果A02；监控CPU模块A、监控CPU模块B、监控CPU模块C分别对处理结果A01和处理结果A02进行表决，确定中间表决结果A、中间表决结果B和中间表决结果C，并发送给主监控CPU模块，由主监控CPU模块进行最终表决，默认监控CPU模块A为主监控CPU模块，当系统检测到主监控CPU模块(假设为监控CPU模块A)故障时，则切换到备监控CPU模块(监控CPU模块B)运行；主监控CPU模块对中间表决结果A、中间表决结果B和中间表决结果C进行表决，确定最终的监控表决结果，分别发送给其余监控CPU模块；监控CPU模块A通过通信层的1394通信接口将监控表决结果发送给现场CPU模块A01、监控CPU模块B通过通信层的1394通信接口将监控表决结果发送给现场CPU模块A02，由主现场CPU模块将监控表决结果对应的处理结果发送给I/O模块A1#、I/O模块A2#，此时现场CPU模块A02不发出任何指令，当系统检测到主现场CPU模块(假设为现场CPU模块A)故障，则切换到备现场CPU模块(现场CPU模块B)发送处理结果；I/O模块A1#、I/O模块A2#根据接收到的处理结果输出相应信号给外设，默认现场CPU模块A01为主现场CPU模块。
进一步地，现场控制系统B、现场控制系统C、现场控制系统D与现场控制系统A的工作原理类似。
现场控制系统采用CPU模块主从备份双余度架构，双余度CPU模块分别通过1394接口与监控控制系统进行数据通信。其中，底板总线可以采用ieee1394总线。
在本发明实施例中，现场控制系统和监控控制系统的操作系统都采用DeltaSVM分区操作系统，并且在DeltaSVM的基础上运行了任务管理软件，用于I/O模块的应用软件的开发；其中，任务管理软件可以为分区内任务管理软件，可以提供分区内的多任务运行环境)。由于DeltaSVM操作系统是一种基于时间触发的分时分区嵌入式实时操作系统，可以提高控制系统的安全性和可靠性，为控制应用程序运行提供资源管理和任务调度能力。
本发明的分布式冗余控制系统的监控控制系统和现场控制系统的应用软件采用以下设计决策：(1)根据功能模块的划分将应用分区划分为四个分区，分别为输入分区、系统管理分区、控制律分区、输出分区；(2)输入分区、系统管理分区、控制律分区和输出分区四个分区都采用时间调度表进行分区调度，四个分区窗口组成一张时间调度表，时间调度表的长度则为主帧时间；(3)采用消息订阅/发布方式即消息通讯完成分区间通信。
在本发明实施例中，I/O模块应用软件的主要功能是完成现场各种I/O传感器数据与监控控制系统之间通过光纤进行互相传输。
本发明的分布式冗余控制系统能够满足冗余的I/O及通信输入接口、冗余的I/O及通信信号输出，极大地提升了系统的可靠性，监控控制系统采用DeltaSVM操作系统，一方面保证了系统运行的安全性和数据的安全性，另一方面保证了系统的高速响应。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种分布式冗余控制系统，其特征在于，包括：现场层、监控层、通信层和I/O层；其中：
所述现场层包括多个现场控制系统，每个所述现场控制系统包括多个现场CPU模块、多个与所述现场CPU模块对应的现场电源模块，多个所述现场CPU模块、多个所述现场电源模块全同；
所述监控层包括多个监控控制系统，多个所述监控控制系统全同，每个所述监控控制系统包括监控CPU模块，用于监控所述现场层，并与所述现场层通过所述通信层进行数据交互；
在所述监控层确定所述现场控制系统的部分现场CPU模块故障时，切换其余的现场CPU模块运行；
所述I/O层包括多个I/O模块，所述现场层接收所述I/O层的多个所述I/O模块采集的外设数据。
2.如权利要求1所述的分布式冗余控制系统，其特征在于，所述现场层包括现场控制系统A、现场控制系统B、现场控制系统C、现场控制系统D；其中：
现场控制系统A包括现场CPU模块A01、现场CPU模块A02、现场电源模块A1、现场电源模块A2；
所述I/O层包括I/O模块A1#、I/O模块A2#；其中：
所述I/O模块A1#与所述现场CPU模块A01对应，用于向所述现场CPU模块A01发送外设数据；所述I/O模块A2#与所述现场CPU模块A02对应，用于向所述现场CPU模块A02发送外设数据。
所述监控层包括监控控制系统A、监控控制系统B和监控控制系统C；其中：
所述监控控制系统A包括监控CPU模块A，所述监控控制系统B包括监控CPU模块B，所述监控控制系统C包括监控CPU模块C，所述监控CPU模块A与所述现场CPU模块A01对应，用于通过所述通信层接收所述现场CPU模块A01根据外设数据确定的处理结果A01；所述监控CPU模块B与所述现场CPU模块A02对应，用于通过所述通信层接收所述现场CPU模块A02根据外设数据确定的处理结果A02；所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B、所述监控CPU模块C通过CCDL进行互传，使得所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B和所述监控CPU模块C得到所述处理结果A01和处理结果A02。
3.如权利要求2所述的分布式冗余控制系统，其特征在于，还包括：
所述监控CPU模块A、所述监控CPU模块B和所述监控CPU模块C分别对处理结果A01和处理结果A02进行表决，确定中间表决结果A、中间表决结果B和中间表决结果C，并发送给主监控CPU模块；
由所述主监控CPU模块对所述中间表决结果进行表决，确定监控表决结果，分别发送给剩余的监控CPU模块；其中，默认所述监控CPU模块A为主监控CPU模块；
所述监控CPU模块A、监控CPU模块B通过通信层分别将所述监控表决结果发送给所述现场CPU模块A01、现场CPU模块A02，由主现场CPU模块根据监控表决结果将对应的处理结果发送给所述I/O模块A1#、I/O模块A2#；其中，默认所述现场CPU模块A01为主现场CPU模块；
所述I/O模块A1#、I/O模块A2#根据接收到的处理结果向对应外设输出控制信号。
4.如权利要求1至3中任一所述的分布式冗余控制系统，其特征在于，所述通信层的通信介质为光纤电缆，使用MIL-1394B协议。
5.如权利要求1所述的分布式冗余控制系统，其特征在于，所述现场控制系统和所述监控控制系统采用DeltaSVM操作系统。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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