CN1811640A - 集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法及其系统。其方法是：卡件组态信息写入对应通讯服务器的外部数据存储器，对I/O卡件进行扫描，并为其建立状态信息，将上扫描信息和状态信息写入外部数据存储器，控制站与通讯服务器交换数据信息，通讯服务器查询所有I/O卡件的状态信息，并统计其通信不正常的数量，当小于设定值，进行下一轮通讯扫描，当大于设定值，执行现场控制单元的切换。其对应系统包括通讯服务器、控制站和若干I/O卡件，其中含有若干对互为冗余的由通讯服务器、控制站现场组成的控制单元。优点是：保证切换过程的快速无扰动，控制站通信量大大减轻，提高了通讯可靠性，满足了实时性的要求；且数据读写速度快。

Description

集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法及其系统

技术领域

本发明涉及对集散型控制系统的监测，更具体地说涉及一种集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法及其系统。

背景技术

在集散型(大、中型分散式)控制系统中如：变电站自动化系统、水电站自动化系统，往往涉及到大量设备状态的监测与控制。这些设备状态可能是模拟量信号输入、模拟量信号输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等。在现有技术中对上述集散型控制系统设备状态的监测与控制大部分采用DCS系统来实现，该系统的网络架构如图3所示，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制功能的网络节点。在DCS系统中要设置多个现场I/O控制站，用以分担整个系统的现场I/O模件和控制功能。每一个(或一对冗余)现场I/O控制站需要在200ms左右时间内完成所有的工作任务，包括自身的各种运算、控制、与冗余控制站之间的数据同步、和服务器之间的通讯以及实现和现场800到1000点的实时数据的获取与交换。

由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。对于实用的大中型分散式控制系统，每一个(或一对冗余)现场I/O控制站完成一个运算周期以及数据交换的时间要求保证在200ms以内。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数(bps)，而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断。另外为了满足系统扩充性的要求，系统网络上实际使用的节点数量只应该占可接入的最大节点数量的60～80％。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是各种I/O模件，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

在图3所示的DCS系统中，测控点在800点以上的现场I/O控制站，如果各种现场I/O模件数据采集采用现场I/O控制站直接连接到总线上，由控制站通过现场总线直接与现场I/O模件进行数据交换。在这种工作方式下，控制站在执行自身的各种运算、控制、数据同步以及和服务器通讯等任务的同时，还要实现和各种现场I/O模件通讯报文的协议解析。因为模件类型的多样性，使得报文协议种类增多的可能性大大增加，这样就在很大程度上增加了控制站的工作负荷，使监控系统的工作效率以及数据交换的实时性下降。

为了减轻控制站的工作负荷，在现有技术中还有一种使用通讯服务器作为中介的监控系统，其系统的网络构架如图4所示，通讯服务器与各自的I/O卡件之间通过并行总线进行数据交换，通讯服务器与控制站之间通过网络进行数据交换。这种监控系统存在的不足是：1、通讯服务器数量太多，成本高；2、通讯服务器与各自的I/O卡件之间通过并行总线进行数据交换，随着总线的延长，抗干扰能力下降，容易造成数据交换的失误，总线带负载能力有限，限制了所能驱动的卡件数量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一种现场数据的实时性好、通信可靠、异常状态下的无扰快速切换的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法及其系统。它通过以下技术方案来实现：

其方法是，控制站将包含I/O卡件状态信息和允许出现通信不正常I/O卡件数量N的卡件组态信息写入对应通讯服务器的外部数据存储器，所述通讯服务器对挂接在I/O层网络上的所有I/O卡件进行扫描，并为每一I/O卡件建立对应扫描结果的状态信息，将扫描的现场数据和建立的状态信息写入所述外部数据存储器，所述控制站通过总线扩展单元与所述通讯服务器交换数据信息，每一扫描周期结束后，所述通讯服务器查询所有I/O卡件的状态信息，并统计通信不正常的I/O卡件数量M，当M＜N，所述通讯服务器根据所述外部数据存储器的相关数据信息，进行下一轮通讯扫描，当M＞N，所述控制站执行现场控制单元的切换；

所述通讯服务器的CPU在每一所述扫描周期向所述外部数据存储器增加一个累计数，如果该累计数值未有变化，所述控制站执行现场控制单元的切换；

所述控制站在每一扫描周期，通过数据同步线将存储在所述外部数据存储器上的所有数据信息同步传送到另一冗余现场控制单元的控制站，并通过对应总线扩展单元写入其对应的外部数据存储器中，当发生现场控制单元的切换，新切换的现场控制单元的通讯服务器根据其上外部数据存储器存储的相关数据信息建立通讯扫描。

通讯服务器和控制站在交换数据信息时，分别将各自的数据信息写入外部数据存储器对应三个不同存储区，控制站和通讯服务器在分别读出三个不同存储区的相关数据信息时，分别进行两两比较，选择至少两次完全重复的数据作为正确的通信数据。

通讯服务器根据I/O卡件的类型不同以及实时性要求不同为每一I/O卡件设置相应的通讯优先级。

通讯服务器在对I/O卡件扫描时，根据I/O卡件的类型不同提供不同的总线释放时间。

通讯服务器与控制站采用整段读写刷新的模式相互交换数据信息。

通讯服务器对I/O卡件的所述扫描采用冗余的双通信口和对应冗余的双通信I/O层网络进行两者间的数据信息交换，通讯服务器首先使用一通信口和所对应的I/O层网络对所有I/O卡件进行快速扫描，以确认每一I/O卡件的通信状态信息，然后使用冗余的另一通信口和所对应的另一I/O层网络对没有正确完成通信的I/O卡件进行再次扫描。

其系统包括通讯服务器、控制站和若干I/O卡件，其中含有若干对互为冗余的现场控制单元，每一现场控制单元由一通讯服务器和一控制站组成，两者间通过总线扩展单元进行通信连接，一对互为冗余的两现场控制单元的控制站通过数据同步线连接，所有通讯服务器和若干I/O卡件分别连接两相互独立且互为冗余的I/O层网络。

所述每一现场控制单元中的通讯服务器设有两个通信口，每一通信口通过通过屏蔽双绞线与对应一I/O层网络连接。

所述每一现场控制单元中的通讯服务器内设有一双口的外部数据存储器，其对应控制站通过总线扩展单元对该外部数据存储器进行读写操作。

本发明的有益效果是：1)异常状态下，通讯服务器能配合控制站的切换时序，保证切换过程的快速无扰动；2)控制站与现场I/O模件之间的数据交换通过通讯服务器这个中间介质在一个运算周期仅进行一次，从而大大减轻了现场I/O控制站的通信以及实现各种协议解析的负担，而且可以运行用户复杂的通信任务，提高了通讯的可靠性，满足了实时性的要求；3)为每一种I/O卡件设置不同的通讯优先级，对I/O卡件扫描时，根据卡件类型的不同提供了不同的总线释放时间，从而保证了各I/O卡件的通讯可靠性；4)通信服务器可以实现与现场数据的实时交换，主动建立与现场I/O模件的通讯，自动解析各种通信协议，从而得到现场的各种测量数据以及I/O模件工作状态等信息，并将从现场I/O控制站上获得的输出数据通过事先制订的通信协议下传到现场I/O模件5)采用整段读写刷新的模式相互交换数据信息，提高对数据读写是速度。

附图说明

图1是本发明系统的网络构架示意图。

图2是本发明系统的工作流程框图。

图3是现有大中型分散控制系统的一种网络构架示意图。

图4是现有大中型分散控制系统的另一种网络构架示意图。

具体实施方式

对照图1，本实施例是一集散型控制系统，它包含两个通讯服务器、两个控制站和若干I/O卡件。两控制站分别通过总线扩展单元与一通讯服务器进行通信连接，两控制站通过数据同步线连接，形成一对互为冗余的现场控制单元。每一通讯服务器内设有一双口的RAM(外部数据存储器)，其对应控制站通过总线扩展单元对该外部数据存储器进行读写操作。两通讯服务器和若干I/O卡件上分别设有两个通信口，每一通信口通过屏蔽双绞线连接到两个相互独立且相互冗余的I/O层网络。

本实施例中的控制站采用工控机，其操作系统为DOS6.0，也可以使用LINUX、WINCE等嵌入式操作系统之中的一种。通讯服务器为以太网通信口，也可是RS485、CAN、profibus等上下行的通信接口，采用CAN2.0或MODBUS协议等对应的通信协议。

本实施例的控制系统将按图2的流程框图进行冗余通信：

首先控制器将组态信息通过总线扩展单元写入到通讯服务器携带的双口RAM中。组态信息包括：数据结构中的公共头文件区和卡件头文件区，公共头文件区中包含有允许连续通讯出错的卡件数目；卡件头文件区为每一块I/O卡件分配了16个字节的特征属性区，其中包括有每一I/O卡件正确状态信息。

通讯服务器通过一通信口扫描下挂在对应I/O层网络上所有I/O卡件的类型并且与存储在双口RAM中的组态信息进行比较，通讯服务器扫描完所有的I/O卡件类型并完全匹配后等待控制站启动通讯服务器对I/O卡件的通信状态进行扫描。

通讯服务器启动延时，根据不同类型的I/O卡件提供不同的总线释放时间，并按对I/O卡件类型的通讯优先级对所有I/O卡件的进行一定时序扫描。对于变化节奏较慢的I/O卡件，通讯服务器在正常扫描时不扫描此类卡件，当卡件的数据发生变化时，采用主动上传的方式将数据传递给通讯服务器(比如低频脉冲计数，顺序事件记录SOE等)。在延时期间通讯服务器执行其他的操作并等待I/O卡件回复(报文)。对收到正确回复(报文)的卡件建立通讯正确状态信息。

上述通讯口将所有的I/O模件扫描一次，查询所有卡件通讯正确标志，对没有此标志的卡件通过另一通讯口再次扫描一次。在通讯服务器用两个通讯口全部扫描完所有的I/O卡件后，统计没有完成正常通讯的卡件的数量M，并在卡件特征属性区的相应位置设置卡件通讯状态信息，使得控制站得知每一块I/O卡件的通讯状况。

每轮扫描结束后，通讯服务器统计没有完成正常通讯的I/O卡件的数量M，并与存储在双口RAM外部数据存储器的组态信息中的允许出现通信不正常的I/O卡件数量N相比较，进行判断。当M＜N，通讯服务器根据相关组态信息，建立下一周通讯扫描；当M＞N，通讯服务器通知所述控制站执行现场控制单元的切换。

同时，通讯服务器的CPU在每一所述扫描周期向所述外部数据存储器增加一个累计数，如果该通讯服务器的CPU出现故障，不能进行累加，该累计数值未有变化，控制站执行现场控制单元的切换。

在正常工作时，正在运行的控制器与冗余的控制器通过专门的数据同步线保持数据的同步(将所有数据信息同步传送到另一冗余现场控制单元的控制站)。在执行切换时，冗余控制器将所有卡件的组态信息传递给冗余通讯服务器并建立组态完成标志，冗余通讯服务器快速扫描所有的卡件类型并且与组态信息比较完全匹配后，冗余控制器将通过数据同步得到的数据信息传递给冗余通讯服务器携带的双口RAM中，然后启动冗余通讯服务器对I/O卡件的扫描，并完成数据信息交换，在第一轮扫描结束后冗余通讯服务器在双口RAM的公共头文件区写入I/O卡件通信正常的状态信息，冗余控制器检测到此标志后开始执行正常的逻辑运算等任务。通过上述控制器与通讯服务器之间的时序配合从而保证了切换过程中的数据无扰动。

控制器将组态信息写入到通讯服务器携带的双口RAM中，这个写入过程只有在控制器刚上电或者是发生切换的过程中才执行，在随后不执行切换的很长时间内是不会重新执行此操作，这样，由于各种原因(比如干扰、误写等)会造成组态信息的变化，从而导致通讯服务器与各种现场I/O之间的通讯失败甚至数据错误。同样通讯服务器将对I/O卡件扫描得到的所述现场数据也会由于干扰等因素造成数据信息的变化，为了避免上述现象，通讯服务器和控制站与在交换的数据信息时，分别将各自的数据信息写入外部数据存储器对应三个不同存储区，控制站和通讯服务器在分别读出三个不同存储区的相关数据信息时，分别进行两两比较，选择至少两次完全重复的数据作为正确的通信数据。如果全部不一致就不执行扫描，并向控制器提供组态信息错误标志。从而保证传递信息正确可靠。

通讯服务器和控制站以及通讯服务器和I/O卡件之间进行的数据信息交换，采用整段读写刷新的模式。而这些交换的数据信息包括I/O卡件组态信息、现场I/O卡件测量数据、I/O卡件通信状态和控制站下发的控制命令。

Claims (9)

1、集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于

控制站将包含I/O卡件状态信息和允许出现通信不正常I/O卡件数量N的卡件组态信息写入对应通讯服务器的外部数据存储器，所述通讯服务器对挂接在I/O层网络上的所有I/O卡件进行扫描，并为每一I/O卡件建立对应扫描结果的状态信息，将扫描的现场数据和建立的状态信息写入所述外部数据存储器，所述控制站通过总线扩展单元与所述通讯服务器交换数据信息，每一扫描周期结束后，所述通讯服务器查询所有I/O卡件的状态信息，并统计通信不正常的I/O卡件数量M，当M＜N，所述通讯服务器根据所述外部数据存储器的相关数据信息，进行下一轮通讯扫描，当M＞N，所述控制站执行现场控制单元的切换；

所述通讯服务器的CPU在每一所述扫描周期向所述外部数据存储器增加一个累计数，如果该累计数值未有变化，所述控制站执行现场控制单元的切换；

所述控制站在每一扫描周期，通过数据同步线将存储在所述外部数据存储器上的所有数据信息同步传送到另一冗余现场控制单元的控制站，并通过对应总线扩展单元写入其对应的外部数据存储器中，当发生现场控制单元的切换，新切换的现场控制单元的通讯服务器根据其上外部数据存储器存储的相关数据信息建立通讯扫描。

2、根据权利要求1所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于通讯服务器和控制站在交换数据信息时，分别将各自的数据信息写入外部数据存储器对应三个不同存储区，控制站和通讯服务器在分别读出三个不同存储区的相关数据信息时，分别进行两两比较，选择至少两次完全重复的数据作为正确的通信数据。

3、根据权利要求2所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于通讯服务器根据I/O卡件的类型不同以及实时性要求不同为每一I/O卡件设置相应的通讯优先级。

4、根据权利要求2所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于通讯服务器在对I/O卡件扫描时，根据I/O卡件的类型不同提供不同的总线释放时间。

5、根据权利要求2所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于通讯服务器与控制站采用整段读写刷新的模式相互交换数据信息。

6、根据权利要求2所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信方法，其特征在于通讯服务器对I/O卡件的所述扫描采用冗余的双通信口和对应冗余的双通信I/O层网络进行两者间的数据信息交换，通讯服务器首先使用一通信口和所对应的I/O层网络对所有I/O卡件进行快速扫描，以确认每一I/O卡件的通信状态信息，然后使用冗余的另一通信口和所对应的另一I/O层网络对没有正确完成通信的I/O卡件进行再次扫描。

7、集散型大容量现场高速实时数据冗余通信系统，包括通讯服务器、控制站和若干I/O卡件，其特征在于含有若干对互为冗余的现场控制单元，每一现场控制单元由一通讯服务器和一控制站组成，两者间通过总线扩展单元进行通信连接，一对互为冗余的两现场控制单元的控制站通过数据同步线连接，所有通讯服务器和若干I/O卡件分别连接两相互独立且互为冗余的I/O层网络。

8、根据权利要求7所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信系统，其特征在于所述每一现场控制单元中的通讯服务器设有两个通信口，每一通信口通过通过屏蔽双绞线与对应一I/O层网络连接。

9、根据权利要求7所述的集散型大容量现场高速实时数据冗余通信系统，其特征在于所述每一现场控制单元中的通讯服务器内设有一双口的外部数据存储器，其对应控制站通过总线扩展单元对该外部数据存储器进行读写操作。

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