CN117111438A - 一种工业控制器的冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业控制器的冗余控制方法，涉及工业控制器技术领域；基于控制系统实现，所述控制系统包括：主控制器：作为系统的正常操作中心，主控制器接收来自传感器网络的输入数据并进行处理；同时，主控制器还负责与其他设备进行通信；备份控制器：当主控制器发生故障时，备份控制器将自动接管主控制器的工作；备份控制器与主控制器之间通过高速通信接口相连，能够实时接收和处理主控制器发送的数据；传感器网络：由多个传感器组成，负责收集系统的运行状态信息。本发明的控制系统保障了数据传输的可靠性和安全性；通过使用循环冗余校验算法，可以检测和纠正数据传输过程中出现的错误，从而保证数据的完整性和准确性。

Description

一种工业控制器的冗余控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制器技术领域，尤其涉及一种工业控制器的冗余控制方法。

背景技术

在传统的工业控制系统中，单一的控制器负责整个系统的运行，一旦该控制器出现故障，将导致整个系统停止运行，因此，亟需一种工业控制器的冗余控制方法，来确保系统能够在某个控制器故障时仍能够处于正常运行状态。

经检索，中国专利申请号为CN201410724971.0的专利，公开了一种保障工业控制系统信息安全的方法及系统。所述方法包括如下步骤：步骤A：检测所述工业控制系统的输入数据及输出数据，并根据所述输入数据与输出数据的逻辑关系判断所述工业控制系统的输出数据的正确性；步骤B：检测所述工业控制系统的输出数据，并将其与预设的安全值范围比对，并根据比对结果判断所述输出数据的合法性；步骤C：检测所述工业控制系统的通讯协议，并据此建立通讯协议白名单，并据此判断所述工业控制系统中命令的正常性；步骤D：对上述三个步骤检测到的错误的输出数据、非法的输出数据、非正常命令进行上报。上述专利中的工业控制方法存在以下不足：未实现冗余控制，一旦控制器出现故障，对整个系统的影响较大，还有待改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种工业控制器的冗余控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种工业控制器的冗余控制方法，基于控制系统实现，所述控制系统包括：

主控制器：作为系统的正常操作中心，主控制器接收来自传感器网络的输入数据并进行处理；同时，主控制器还负责与其他设备进行通信；

备份控制器：当主控制器发生故障时，备份控制器将自动接管主控制器的工作；备份控制器与主控制器之间通过高速通信接口相连，能够实时接收和处理主控制器发送的数据；

传感器网络：由多个传感器组成，负责收集系统的运行状态信息；每个传感器都有自己的通信接口，可以独立于其他传感器工作。

优选的：所述冗余控制方法使用控制系统进行控制，其中，主控制器包括MC1、MC2，备份控制器包括BC1、BC2，传感器网络包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；具体控制方法包括如下步骤：

S1：在正常工作状态下，MC1接收来自传感器网络的输入数据；

S2：MC1根据预设的控制策略对生产线进行控制；

S3：当MC1发生故障时，MC2将自动接管MC1的工作；

S4：BC1也将自动接管MC1的部分工作，以保证生产线的连续运行。

优选的：所述控制系统的控制方法还包括：

动态冗余：根据系统的负载和故障概率，灵活地配置主/备份控制器的数量和类型；

静态冗余：在硬件层面上实现冗余；

软件冗余：基于分布式计算等算法，通过软件设计实现冗余。

优选的：所述动态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S11：根据系统的负载和故障概率，确定主/备份控制器的数量和类型；在高负载下，增加主控制器的数量以提高系统的处理能力；在故障率较高的环境下，增加备份控制器的数量以提高系统的可靠性；

S12：在主控制器发生故障时，备份控制器能够自动接管主控制器的工作；

S13：备份控制器还应能够接收和处理来自传感器网络的数据，并根据预设的控制策略对生产线进行控制。

优选的：所述静态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S21：在硬件层面上实现冗余，采用双电源、双控制器的设计方案；在每个控制器上安装独立的电源和通信接口，以确保在某个控制器发生故障时，另一个控制器仍能正常工作；

S22：在系统启动时，检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备；

S23：在系统运行过程中，定期检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备。

优选的：所述软件冗余的控制方法，包括如下步骤：

S31：在系统中引入多个独立的处理器或计算机节点，每个节点都具有相同的软件和数据存储结构，基于分布式计算、容错算法等，在软件层面上实现冗余；

S32：当某个处理器或计算机节点发生故障时，其他节点自动接管其工作，并继续执行任务；

S33：在系统运行过程中，定期检查各个处理器或计算机节点的状态和性能，如果发现异常，立即切换到备用节点。

优选的：所述软件冗余的控制方法中，基于Paxos算法在软件层面上实现冗余，所述Paxos算法的具体包括：

①提议阶段：

节点A向节点B发送提议C,其中C包含两个值x和y,分别表示节点A认为的候选主节点和候选副本节点；

假设节点A认为候选主节点为M,则提议C=(M,N/2+1)；

②投票阶段：

节点B收到提议C后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意C,则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

③选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为常数，c为当前的任期时间；

④接受阶段：

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作；否则，需要进行一些额外的操作来建立新主节点B。

优选的：所述软件冗余的控制方法中，基于Raft算法在软件层面上实现冗余，所述Raft算法的具体包括：

①选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为一个常数，c为当前的任期时间；

②投票阶段：

节点B收到选举请求后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

③接受阶段：

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作；否则，需要进行一些额外的操作来建立新主节点B；

④提交阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要先检查该请求是否已经被其他节点处理过；

如果该请求已经被其他节点处理过，则直接返回该请求的结果；否则，将该请求转发给其他节点进行处理；

⑤日志同步阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要将该请求写入日志中；

同时，新主节点B还需要将日志中的数据同步给其他副本节点，以保证数据的一致性和可靠性。

优选的：所述软件冗余的控制方法中，基于循环冗余校验在软件层面上实现冗余，所述循环冗余校验中，假设原始数据为x，多项式为P，初始值为crc=0，则计算过程如下：

①将多项式P左移i位，得到新的多项式Pi；

②将crc与Pi异或，得到一个新的值Ci；

③将Ci加到crc上，得到新的crc值；

④如果i等于P的长度n-1，则停止计算，返回crc值作为校验码；

使用一个循环来不断重复上述步骤，直到i等于P的长度n-1为止；在每次循环中，需要将多项式P左移i位，并将其赋值给Pi；然后，将当前的crc值与Pi异或，得到一个新的值Ci；最后，将Ci加到crc上，得到新的crc值；最终返回的crc值即为循环冗余校验的结果。

本发明的有益效果为：

本发明的控制系统保障了数据传输的可靠性和安全性；通过使用循环冗余校验算法，可以检测和纠正数据传输过程中出现的错误，从而保证数据的完整性和准确性。

本发明的控制系统简化了数据传输的实现过程；在数据传输过程中加入循环冗余校验，使得数据传输的实现更加简单、方便和灵活。

本发明的控制方法，采用CRC算法，由于CRC算法具有高效的计算能力和较低的计算复杂度，因此可以在较短的时间内完成数据的校验和处理，这对于需要高速数据传输和处理的应用场景非常重要，提高了系统的性能和效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种工业控制器的冗余控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种工业控制器的冗余控制方法，基于控制系统实现，所述控制系统包括：

主控制器：作为系统的正常操作中心，主控制器接收来自传感器网络的输入数据并进行处理；同时，主控制器还负责与其他设备进行通信；

备份控制器：当主控制器发生故障时，备份控制器将自动接管主控制器的工作；备份控制器与主控制器之间通过高速通信接口相连，能够实时接收和处理主控制器发送的数据；

传感器网络：由多个传感器组成，负责收集系统的运行状态信息；每个传感器都有自己的通信接口，可以独立于其他传感器工作。

其中，所述冗余控制方法使用主从控制器进行控制，其中，主控制器包括MC1、MC2，备份控制器包括BC1、BC2，传感器网络包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；

如图1所示，具体控制方法包括如下步骤：

S1：在正常工作状态下，MC1接收来自传感器网络的输入数据；

S2：MC1根据预设的控制策略对生产线进行控制；

S3：当MC1发生故障时，MC2将自动接管MC1的工作；

S4：BC1也将自动接管MC1的部分工作，以保证生产线的连续运行。

所述控制系统的控制方法还包括：

动态冗余：根据系统的负载和故障概率，灵活地配置主/备份控制器的数量和类型；

静态冗余：在硬件层面上实现冗余；

软件冗余：基于分布式计算等算法，通过软件设计实现冗余。

其中，所述动态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S11：根据系统的负载和故障概率，确定主/备份控制器的数量和类型；例如，在高负载下，可以增加主控制器的数量以提高系统的处理能力；在故障率较高的环境下，可以增加备份控制器的数量以提高系统的可靠性；

S12：在主控制器发生故障时，备份控制器能够自动接管主控制器的工作；这需要备份控制器具有与主控制器相同的软件和硬件接口，以确保数据传输的连续性和完整性；

S13：备份控制器还应能够接收和处理来自传感器网络的数据，并根据预设的控制策略对生产线进行控制；这需要备份控制器具有与主控制器相同的软件接口和算法库。

其中，所述静态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S21：在硬件层面上实现冗余，采用双电源、双控制器的设计方案；在每个控制器上安装独立的电源和通信接口，以确保在某个控制器发生故障时，另一个控制器仍能正常工作；

S22：在系统启动时，检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备；

S23：在系统运行过程中，定期检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备。

其中，所述软件冗余的控制方法，包括如下步骤：

S31：在系统中引入多个独立的处理器或计算机节点，每个节点都具有相同的软件和数据存储结构，基于分布式计算、容错算法等，在软件层面上实现冗余；

S32：当某个处理器或计算机节点发生故障时，其他节点自动接管其工作，并继续执行任务；这需要在系统中实现有效的数据同步和通信机制，以确保数据的一致性和完整性；

S33：在系统运行过程中，定期检查各个处理器或计算机节点的状态和性能，如果发现异常，立即切换到备用节点；同时，还需要实施故障检测和容错机制，防止故障进一步扩大。

其中，所述软件冗余的控制方法中，基于Paxos算法在软件层面上实现冗余，所述Paxos算法的具体包括：

①提议阶段：

节点A向节点B发送提议C,其中C包含两个值x和y,分别表示节点A认为的候选主节点和候选副本节点；

假设节点A认为候选主节点为M,则提议C=(M,N/2+1)；

②投票阶段：

节点B收到提议C后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意C,则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

③选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为常数，c为当前的任期时间；

④接受阶段：

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作；否则，需要进行一些额外的操作来建立新主节点B。

实施例2

一种工业控制器的冗余控制方法，基于控制系统实现，所述控制系统包括：

主控制器：作为系统的正常操作中心，主控制器接收来自传感器网络的输入数据并进行处理；同时，主控制器还负责与其他设备进行通信；

备份控制器：当主控制器发生故障时，备份控制器将自动接管主控制器的工作；备份控制器与主控制器之间通过高速通信接口相连，能够实时接收和处理主控制器发送的数据；

传感器网络：由多个传感器组成，负责收集系统的运行状态信息；每个传感器都有自己的通信接口，可以独立于其他传感器工作。

其中，所述冗余控制方法使用主从控制器进行控制，其中，主控制器包括MC1、MC2，备份控制器包括BC1、BC2，传感器网络包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；具体控制方法包括如下步骤：

S1：在正常工作状态下，MC1接收来自传感器网络的输入数据；

S2：MC1根据预设的控制策略对生产线进行控制；

S3：当MC1发生故障时，MC2将自动接管MC1的工作；

S4：BC1也将自动接管MC1的部分工作，以保证生产线的连续运行。

所述控制系统的控制方法还包括：

动态冗余：根据系统的负载和故障概率，灵活地配置主/备份控制器的数量和类型；

静态冗余：在硬件层面上实现冗余；

软件冗余：基于分布式计算等算法，通过软件设计实现冗余。

其中，所述动态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S11：根据系统的负载和故障概率，确定主/备份控制器的数量和类型；例如，在高负载下，可以增加主控制器的数量以提高系统的处理能力；在故障率较高的环境下，可以增加备份控制器的数量以提高系统的可靠性；

S12：在主控制器发生故障时，备份控制器能够自动接管主控制器的工作；这需要备份控制器具有与主控制器相同的软件和硬件接口，以确保数据传输的连续性和完整性；

S13：备份控制器还应能够接收和处理来自传感器网络的数据，并根据预设的控制策略对生产线进行控制；这需要备份控制器具有与主控制器相同的软件接口和算法库。

其中，所述静态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S21：在硬件层面上实现冗余，采用双电源、双控制器的设计方案；在每个控制器上安装独立的电源和通信接口，以确保在某个控制器发生故障时，另一个控制器仍能正常工作；

S22：在系统启动时，检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备；

S23：在系统运行过程中，定期检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备。

其中，所述软件冗余的控制方法，包括如下步骤：

S31：在系统中引入多个独立的处理器或计算机节点，每个节点都具有相同的软件和数据存储结构，基于分布式计算、容错算法等，在软件层面上实现冗余；

S32：当某个处理器或计算机节点发生故障时，其他节点自动接管其工作，并继续执行任务；这需要在系统中实现有效的数据同步和通信机制，以确保数据的一致性和完整性；

S33：在系统运行过程中，定期检查各个处理器或计算机节点的状态和性能，如果发现异常，立即切换到备用节点；同时，还需要实施故障检测和容错机制，防止故障进一步扩大。

其中，所述软件冗余的控制方法中，基于Raft算法在软件层面上实现冗余，所述Raft算法的具体包括：

①选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为一个常数，c为当前的任期时间；

②投票阶段：

节点B收到选举请求后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

③接受阶段：

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作；否则，需要进行一些额外的操作来建立新主节点B；

④提交阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要先检查该请求是否已经被其他节点处理过；

如果该请求已经被其他节点处理过，则直接返回该请求的结果；否则，将该请求转发给其他节点进行处理；

⑤日志同步阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要将该请求写入日志中；

同时，新主节点B还需要将日志中的数据同步给其他副本节点，以保证数据的一致性和可靠性。

所述软件冗余的控制方法中，基于循环冗余校验在软件层面上实现冗余，所述循环冗余校验中，假设原始数据为x，多项式为P，初始值为crc=0，则计算过程如下：

①将多项式P左移i位，得到新的多项式Pi；

②将crc与Pi异或，得到一个新的值Ci；

③将Ci加到crc上，得到新的crc值；

④如果i等于P的长度n-1，则停止计算，返回crc值作为校验码；

使用一个循环来不断重复上述步骤，直到i等于P的长度n-1为止；在每次循环中，需要将多项式P左移i位，并将其赋值给Pi；然后，将当前的crc值与Pi异或，得到一个新的值Ci；最后，将Ci加到crc上，得到新的crc值；最终返回的crc值即为循环冗余校验的结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，基于控制系统实现，所述控制系统包括：

主控制器：作为系统的正常操作中心，主控制器接收来自传感器网络的输入数据并进行处理；同时，主控制器还负责与其他设备进行通信；

备份控制器：当主控制器发生故障时，备份控制器将自动接管主控制器的工作；备份控制器与主控制器之间通过高速通信接口相连，实时接收和处理主控制器发送的数据；

传感器网络：由多个传感器组成，负责收集系统的运行状态信息；每个传感器都有自己的通信接口，独立于其他传感器工作。

2.根据权利要求1所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述冗余控制方法使用控制系统进行控制，其中，主控制器包括MC1、MC2，备份控制器包括BC1、BC2，传感器网络包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；具体控制方法包括如下步骤：

S1：在正常工作状态下，MC1接收来自传感器网络的输入数据；

S2：MC1根据预设的控制策略对生产线进行控制；

S3：当MC1发生故障时，MC2将自动接管MC1的工作；

S4：BC1也将自动接管MC1的部分工作，以保证生产线的连续运行。

3.根据权利要求2所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述控制系统的控制方法还包括：

动态冗余：根据系统的负载和故障概率，灵活地配置主/备份控制器的数量和类型；

静态冗余：在硬件层面上实现冗余；

软件冗余：基于分布式计算算法，通过软件设计实现冗余。

4.根据权利要求3所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述动态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S11：根据系统的负载和故障概率，确定主/备份控制器的数量和类型；在高负载下，增加主控制器的数量以提高系统的处理能力；在高故障率的环境下，增加备份控制器的数量以提高系统的可靠性；

S12：在主控制器发生故障时，备份控制器自动接管主控制器的工作；

S13：备份控制器还应接收和处理来自传感器网络的数据，并根据预设的控制策略对生产线进行控制。

5.根据权利要求4所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述静态冗余的控制方法，包括如下步骤：

S21：在硬件层面上实现冗余，采用双电源、双控制器的设计方案；在每个控制器上安装独立的电源和通信接口，以确保在某个控制器发生故障时，另一个控制器仍能正常工作；

S22：在系统启动时，检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备；

S23：在系统运行过程中，定期检查各个控制器的电源和通信接口是否正常，如果发现异常，立即切换到备用设备。

6.根据权利要求5所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述软件冗余的控制方法，包括如下步骤：

S31：在系统中引入多个独立的处理器或计算机节点，每个节点都具有相同的软件和数据存储结构，基于分布式计算、容错算法，在软件层面上实现冗余；

S32：当某个处理器或计算机节点发生故障时，其他节点自动接管其工作，并继续执行任务；

S33：在系统运行过程中，定期检查各个处理器或计算机节点的状态和性能，如果发现异常，立即切换到备用节点。

7.根据权利要求6所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述软件冗余的控制方法中，基于Paxos算法在软件层面上实现冗余，所述Paxos算法的具体包括：

a、提议阶段：

节点A向节点B发送提议C,其中C包含两个值x和y,分别表示节点A认为的候选主节点和候选副本节点；

假设节点A认为候选主节点为M,则提议C=(M,N/2+1)，N为节点总数；

b、投票阶段：

节点B收到提议C后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意C,则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

c、选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)；

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为常数，c为当前的任期时间；

d、接受阶段：

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点；否则，节点B成为新的副本节点；

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作。

8.根据权利要求6所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述软件冗余的控制方法中，基于Raft算法在软件层面上实现冗余，所述Raft算法的具体包括：

A、选举阶段：

节点A向节点B发送选举请求，其中包含当前的主节点ID和任期时间T；

假设当前的主节点ID为M,则选举请求=(M,T)；

假设当前的任期时间为t,则T=t+k*c,其中k为一个常数，c为当前的任期时间；

B、投票阶段：

节点B收到选举请求后，将其广播给其他节点；

如果有N/2+1个节点同意选举请求，则节点B成为新的主节点，N为节点总数；否则，节点B成为新的副本节点；

C、接受阶段：

如果新主节点B已经存在，则直接进行数据复制操作；

D、提交阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要先检查该请求是否已经被其他节点处理过；

如果该请求已经被其他节点处理过，则直接返回该请求的结果；否则，将该请求转发给其他节点进行处理。

9.根据权利要求8所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述Raft算法还包括：

E、日志同步阶段：

当新主节点B接收到来自客户端的数据提交请求时，需要将该请求写入日志中；

同时，新主节点B还需要将日志中的数据同步给其他副本节点，以保证数据的一致性和可靠性。

10.根据权利要求6所述的一种工业控制器的冗余控制方法，其特征在于，所述软件冗余的控制方法中，基于循环冗余校验在软件层面上实现冗余，所述循环冗余校验中，假设原始数据为x，多项式为P，初始值为crc=0，则计算过程如下：

α、将多项式P左移i位，得到新的多项式Pi；

β、将crc与Pi异或，得到一个新的值Ci；

γ、将Ci加到crc上，得到新的crc值；

δ、如果i等于P的长度n-1，则停止计算，返回crc值作为校验码；

使用一个循环来不断重复上述步骤，直到i等于P的长度n-1为止；在每次循环中，需要将多项式P左移i位，并将其赋值给Pi；然后，将当前的crc值与Pi异或，得到一个新的值Ci；最后，将Ci加到crc上，得到新的crc值；最终返回的crc值即为循环冗余校验的结果。