一种提高冗余主站可靠性的方法及系统

摘要

本发明提供一种提高冗余主站可靠性的方法，包括：两个或两个以上冗余主站上电后抢占工作权限，抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站；所述备用主站通过冗余通信通道把自身故障信息传递给所述工作主站，所述工作主站判断自身与所述备用主站的故障等级；如果所述工作主站的故障等级高，则让出工作权限，所述备用主站切换为工作主站。同时，本发明还提供一种提高冗余主站可靠性的系统。本发明在工作主站出现故障时，备用主站可切换为工作主站，极大提高了主站与从站之间通信的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及冗余主站领域，特别涉及一种提高冗余主站可靠性的方法及系统。

背景技术

Profibus包括三个兼容部分，即Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-DP(Decentralized Periphery)是一种经过优化的高速和廉价的通信连接，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信；Profibus-PA(Proces Automation)适用于工业生产的过程自动化；Profibus-FMS(Field Message Specification)用于面向对象的场合、在工业自动化系统中单元层与现场层的通用目的的数据通信。由于Profibus现场总线开放性能好，具有很强的互可操作性和替换性，只要是支持Profibus协议的现场总线设备，均可方便地集成在Profibus网络中。

Profibus是一种开放的现场总线标准，符合欧洲标准EN50170。以开放式系统互联网络(OSI，open system interconnection)作为参考模型。该模型共有七层，第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三到第六层未使用，第七层为应用层。

为实现自动控制的功能，其可靠性、安全性、稳定性要求甚高。目前，为提高通信可靠性，主要通过冗余网络，使单个主站可以与多个从站冗余通信。参见图1，所示的主从通信方式示意图。采用主从通信方式，主站101和多个分站103挂载于同一根串行总线102。此处的现场总线102可以是Profibus总线的任意一种形式。主站101和分站103之间通过现场总线102传递实时数据，但主站101一旦出现故障，将导致所有主站101与分站103的站点通信失败，数据无法传递。因此提高主站的可靠性对整个通信系统的稳定至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中一旦主站出现故障，主站与所有从站之间的通信将失败，提出了冗余主站的设计方法，在工作主站出现故障时，备用主站变成工作主站，极大提高了主站与从站之间通信的可靠性。

本发明提供了一种提高冗余主站的可靠性方法，包括：

两个或两个以上冗余主站上电后抢占工作权限，抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站；

所述备用主站通过冗余通信通道把自身故障信息传递给所述工作主站，所述工作主站判断自身与所述备用主站的故障等级；

如果所述工作主站的故障等级高，则让出工作权限，所述备用主站切换为工作主站。

优选的，所述冗余主站是Profibus冗余主站。

优选的，所述两个或两个以上冗余主站抢占工作权限具体为：

所述两个或两个以上冗余主站分别连接互斥电路的不同端口，上电瞬间互斥电路将一边信号拉高，与拉高信号相对应的端口相连的冗余主站抢到工作权限。

优选的，还包括所述备用主站利用所述冗余通信通道从所述工作主站上读取组态的唯一标识值，如果发现不一致，则备用主站更新自身组态，与工作主站的组态保持一致。

优选的，还包括所述备用主站利用所述冗余通信通道与工作主站实时交互数据。

优选的，还包括，

工作主站和备用主站之间通过总线传送轮询报文。

本发明还提供了一种提高冗余主站可靠性的系统，包括：

抢占模块，用于当两个或两个以上冗余主站上电后，抢占工作权限，抢到工作权限的是工作主站，否则为备用主站；

故障判断模块，用于当所述备用主站把自身故障信息传递给所述工作主站后，判断所述工作主站和所述备用主站的故障等级；

切换模块，用于当所述工作主站的故障等级比所述备用主站故障等级高时，切换所述工作主站和所述备用主站的工作权限。

优选的，所述冗余主站是Profibus冗余主站。

优选的，还包括互斥电路，所述两个或两个以上冗余主站分别连接互斥电路的不同端口，上电瞬间互斥电路将一边信号拉高，与拉高信号对应的端口相连的冗余主站抢到工作权限。

优选的，还包括冗余通信通道，用于所述备用主站和所述工作主站之间实时通信。

优选的，还包括自适应模块，

工作主站和备用主站之间通过总线传送轮询报文。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种设计冗余主站的方法及系统，两个或两个以上冗余主站上电后抢占工作权限，抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站；备用主站把自身故障信息传递给工作主站，工作主站判断自身与备用主站的故障等级；如果工作主站的故障等级高，则让出工作权限，备用主站切换为工作主站继续与分站通信，传递实时数据，避免了大量数据丢失，极大提高了工作主站与分站通信的可靠性。

附图说明

图1是现有技术中主站与分站通信示意图；

图2是本发明实施例一的冗余主站工作流程图；

图3是本发明实施例二的冗余主站工作流程图；

图4是本发明实施例三的冗余主站工作流程图；

图5是Profibus冗余主站自适应冗余模式结构图；

图6是本发明冗余主站系统实施例一结构图；

图7是本发明的冗余主站系统实施例二结构图

图8是本发明冗余主站系统结构示意图；

图9是为本发明冗余主站系统故障状态结构示意图

图10是本发明的冗余主站系统结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种提高冗余主站可靠性方法，设计了工作主站和备用主站，这两个主站采用相同的硬件和软件，两个主站的IP地址网络号分别为A，A+1，备用主站从工作主站拷贝并实时更新组态。给其中一个主站设置总线地址为n，与其冗余的主站的总线地址自动分配为n-1，n的范围是1-125。这两个主站采用热备份工作方式，都处于实时运行状态，当工作主站出现故障时，判断故障等级，当工作主站故障等级比备用主站故障等级高时，让出工作权限，备用主站切换为工作主站，继续与分站进行通信。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，本发明实施例一的冗余主站工作流程图，具体流程如下：

步骤201：两个或两个以上冗余主站上电后抢占工作权限，抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站。工作主站和备用主站可以均与分站通信，也可以其中一个与分站通信。

步骤202：备用主站通过冗余通信通道把自身的故障信息传递给工作主站，工作主站判断自身与备用主站谁的故障等级高。故障等级从高到低分为：组态错误、以太网通信故障、所有分站连接失败、部分分站连接失败。

步骤203：当工作主站的故障等级高时，让出工作权限，备用主站切换为工作主站。切换工作权限还包括当冗余主站处于运行状态后，每隔预定时间间隔自动检测冗余互斥电路被拉高的信号，查看冗余主站运行状态。当发现该信号与预期的不一致时，工作主站和备用主站切换工作权限。

切换工作权限还包括当程序跑飞时，用复位电路来强制切换冗余主站的工作权限。例如用看门狗来复位。

以下为冗余主站为两个主站时的具体实施例。

参见图3，本发明实施例二的冗余主站工作流程图，具体流程如下：

步骤301：上电后两个冗余主站抢占工作权限，先抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站。

抢占工作权限是通过逻辑门搭建冗余互斥电路模拟主站的上电情况，上电后互斥电路将一边信号拉高，与此信号相连的主站成为工作主站，否则成为备用主站。

步骤302：切换工作权限。备用主站把自身的故障等级传递给工作主站，工作主站判断自身与备用主站的故障等级。工作主站和备用主站实时更新自身的故障等级，当工作主站的故障等级比备用主站故障等级高时，工作主站让出工作权限，备用主站切换为工作主站。

切换工作权限还包括当冗余主站处于运行状态后，每隔预定时间间隔自动检测冗余互斥电路被拉高的信号，查看冗余主站运行状态。当发现该信号与预期的不一致时，工作主站和备用主站切换工作权限。

切换工作权限还包括当程序跑飞时，用复位电路来强制切换冗余主站的工作权限。例如用看门狗来复位。

步骤303：工作主站与备用主站通过冗余通道通信，该冗余通道是工作主站与备用主站之间用串口开辟的一条数据通信通道，由备用主站向工作主站发出通信请求，周期性与工作主站交互实时数据。备用主站从工作主站上拷贝组态，读取组态的唯一标识值，如发现组态不一致，则备用主站更新组态，时刻与工作主站保持一致。

备用主站通过冗余通道把自身故障信息实时传送给工作主站并获取对方故障信息。工作主站和备用主站实时更新自身的故障等级。

步骤304：工作主站判断自身和备用主站谁的故障等级高；故障等级从高到低分为：组态错误、以太网通信故障、所有分站连接失败、部分分站连接失败。当工作主站故障等级比备用主站故障等级高时，进入步骤302，否则进入步骤305。

组态错误定义为最高故障等级是为了防止下载非法组态到工作主站，引起现场事故。当非法组态下载到工作主站后，其工作权限立即切换为备用主站，从备用主站下载合法的组态。主站和分站通信数据需要经过以太网上传下达，所以以太网故障等级比主站从站通信故障等级高。

步骤305：工作主站与以太网通信，包括从以太网上下载组态，上传下达实时数据等；备用主站与以太网通信，只是从以太网接收数据，不发送数据。

参见图4，本发明实施例三的冗余主站工作流程图。具体流程如下：

步骤401：上电后两个冗余主站抢占工作权限，先抢到工作权限的为工作主站，否则为备用主站。

用逻辑门搭建冗余互斥电路模拟主站的上电情况，上电后互斥电路将一边信号拉高，与此信号相连的主站成为工作主站，否则成为备用主站。

步骤402：切换工作权限，当工作主站的故障等级比备用主站故障等级高时，切换工作权限，备用主站成为工作主站。

切换工作权限还包括当冗余主站处于运行状态后，每隔预定时间间隔自动检测冗余互斥电路被拉高的信号，查看工作/备用运行状态。当发现该信号与预期的不一致时，工作主站和备用主站切换工作权限。

切换工作权限还包括当程序跑飞时，用复位电路来强制切换冗余主站的工作权限。例如用看门狗来复位。

步骤403：工作主站与备用主站通过冗余通道通信，该冗余通道是工作主站与备用主站之间用串口开辟的一条数据通信通道，由备用主站向工作主站发出通信请求，周期性与工作主站交互实时数据和诊断信息。备用主站从工作主站上拷贝组态，读取组态的唯一标识值，如发现组态不一致，则备用主站更新组态，时刻与工作主站保持一致。

备用主站通过冗余通道把自身故障信息实时传送给工作主站并获取对方故障信息。工作主站和备用主站实时更新自身的故障等级。

步骤404：工作主站判断自身与备用主站故障的等级。当工作主站的故障等级比备用主站的故障等级高时，进入步骤402，否则进入步骤405。故障等级从高到低分为：组态错误、以太网通信故障、所有分站连接失败、部分分站连接失败。

组态错误定义为最高故障等级是为了防止下载非法组态到工作主站，引起现场事故。当非法组态下载到工作主站后，其工作权限立即切换为备用主站，从备用主站下载合法的组态。主站和分站通信数据需要经过以太网上传下达，所以以太网故障等级比主站从站通信故障等级高。

步骤405：工作主站与以太网通信，包括从以太网上下载组态，上传下达实时数据等；备用主站与以太网通信，只是从以太网接收数据，不发送数据。

步骤406：当冗余主站是Profibus冗余主站时，工作主站和备用主站周期性检测总线通信情况，判断并自适应冗余模式。工作主站和备用主站往总线上上传轮询报文，在总线上未建立连接的主站不断改变自身通信模式，与分站建立连接，当总线连接方式即冗余模式发生变化时通信状态也自适应其变化。当总线连接方式为系统冗余模式时，进入步骤407，为快速冗余模式时，进入步骤408。

步骤407：系统冗余模式：工作主站和备用主站均与分站通信。

步骤408：快速冗余模式：只有其中一个冗余主站与分站通信。

参见图5，Profibus冗余主站自适应冗余模式结构图。下面具体来描述冗余主站对系统冗余和快速冗余两种冗余模式的自适应过程。

501：系统以快速冗余模式正常运行，左侧处于工作状态，即与分站通信，右侧处于备用状态，即未与分站通信。

502：原来的工作侧主站通信仍旧正常，原来的备用侧主站将切换为工作状态，期望与分站通信，但无法实现，所以不断变换状态来和工作侧主站或分站建立通信。

503：原来的工作侧主站仍和分站2保持通信，原来的备用侧主站由于中断了与工作侧主站的通信，切换为工作状态，然后和分站1建立了通信关系。实际上此时网络结构变成了系统冗余模式。

504：原来的工作侧主站由于和分站失去了通信，立即切换为备用侧状态，试图和工作侧主站建立通信。原来的备用侧主站由于和工作侧主站失去了通信，立即切换为工作状态，和分站1和分站2建立了通信关系。

这里的工作侧和备用侧是指Profibus总线上的通信状态，并不代表工作主站和备用主站的关系。备用侧向工作侧周期性地发出req轮询报文，当工作侧运行正常且两个冗余主站连在同一Profibus总线上时，备用侧将收到工作侧响应报文ack。

参见图6，本发明的冗余主站系统实施例一结构图。包括抢占模块601、故障判断模块603、切换模块604。

抢占模块601，用于当两个或两个以上冗余主站上电后，抢占工作权限，先抢到工作权限的是工作主站，另一个是备用主站。用逻辑门搭建冗余互斥电路模拟主站的上电情况，上电后互斥电路将一边信号拉高，与此信号相连的主站成为工作主站，否则成为备用主站。

故障判断模块602，当备用主站把自身故障信息传递给工作主站后，判断工作主站和备用主站故障等级。故障等级从高到低分为：组态错误、以太网通信故障、所有分站连接失败、部分分站连接失败。

切换模块603，当工作主站的故障等级比备用主站故障等级高时，切换工作主站和备用主站的工作权限。工作主站让出工作权限，备用主站切换为工作主站。

当冗余主站为Profibus冗余主站时，对应的系统实施例二具体如下。

参见图7，本发明的冗余主站系统实施例二结构图。包括互斥电路701、抢占模块702、冗余通信通道703、故障判断模块704、切换模块705、自适应模块706。

互斥电路701用逻辑门搭建的冗余互斥电路，模拟冗余主站的上电情况。

抢占模块702当系统上电以后，冗余主站抢占工作权限，先抢到工作权限的是工作主站，另一个是备用主站。所述的冗余主站分别连接互斥电路的不同端口，上电后互斥电路将一边信号拉高，与此信号对应端口相连的主站成为工作主站，否则成为备用主站。

冗余通信通道703，备用主站通过冗余通信通道给工作主站通信。该冗余通道是工作主站与备用主站之间用串口开辟的一条数据通信通道，由备用主站向工作主站发出通信请求，周期性与工作主站交互实时数据。

备用主站通过冗余通道把自身故障信息实时传送给工作主站。

故障判断模块704，工作主站把自身故障等级和备用主站故障等级比较，判断谁的故障等级高。故障等级从高到低分为：组态错误、以太网通信故障、所有分站连接失败、部分分站连接失败。

切换模块705当工作主站的故障等级比备用主站故障等级高时，切换工作主站和备用主站的工作权限，工作主站让出工作权限，备用主站切换为工作主站。

自适应模块706，当冗余主站是Profibus冗余主站时，工作主站和备用主站适应总线冗余模式，根据两主站之间的通信和主站与从站之间的通信情况可判断冗余模式。当两个主站均与分站通信时为系统冗余模式；当两个主站只有其中一个与分站通信时为快速冗余模式。

本发明为防止在工作主站切换，相应的总线也进行切换时，因不同总线上连接的设备没有同时与上述各总线保持通信，导致总线切换后，各设备不能通过各总线与相应的控制模块进行通信，发生数据通信故障。本发明通过各总线上的控制模块进行实时的数据整合，以避免数据通信故障。

本发明整合冗余总线数据，增加现场总线可靠性。通过数据整合，得到冗余总线上最完整的数据，并转发到相应的控制模块，使控制模块保存完整数据，最大限度的发挥冗余总线的可靠性优势。

本发明具有独立通讯管理功能，提升系统性能。将总线管理任务独立在控制模块中，对于其他需要与冗余总线上设备进行通讯的设备来说，只需保证与控制模块的通讯，就可以最大限度的保证总线数据的完整性。对于需要承担数据运算任务的控制模块来说，可提高控制模块运算效率，提高系统响应速度，提升系统性能。

本发明适用于多种现场总线协议，可移植性好。本发明不受通讯协议、通讯方式的限制，不局限于某一系统或某一类现场总线，适用于可下挂多个现场设备的各种总线。本发明通讯控制模块可以用于不同现场总线间的连接，例如控制现场使用串行现场总线，总线数据可以通过控制模块转发至CAN现场总线等。

参照图8，为本发明冗余主站系统结构示意图，包含DCS控制器，串行通讯控制单元A，串行通讯控制单元B、串行总线A、串行总线B、现场设备C、现场设备D、及现场设备D’。

DCS控制器负责采集现场设备C和现场设备D的数据，并参与控制运算。DCS控制器与两个互为冗余的串行通讯控制单元A、串行通讯控制单B通过冗余工业以太网实现通讯。DCS控制器及串行通讯控制单元A、串行通讯控制单B均通过两个网口与两个互为冗余的工业以太网相连。

串行通讯控制单元A、串行通讯控制单元B间设计有冗余切换电路，并通过USART(全双工通用同步/异步收发器)方式实现冗余通讯，每个通讯控制单元管理一条串行总线。现场设备C采集采样点C信号，具有两个冗余串口，分别与两条总线相连；两个相同配置的现场设备D、现场设D’采集采样点D信号，分别挂接于两条总线上。

正常工作中，所有设备及总线均正常通讯，互为冗余的串行通讯控制单元A、串行通讯控制单元B同时工作，分别处于主状态和次状态，处于主状态的串行通讯控制单元称为主通讯控制单元，处于次状态的串行通讯控制单元称为次通讯控制单元。主通讯控制单元向自身所带串行总线发送数据，同时通过冗余通讯通道向次通讯控制单元发送相同的数据，次通讯控制单元再将收到的数据转发至自身所带串行总线。如图8所示，串行通讯控制单元A处于主状态，，串行通讯控制单元B处于次状态。DCS控制器通过工业以太网直接与串行通讯控制单元A通讯，串行通讯控制单元B通过冗余通讯通道与串行通讯控制单元A交换数据以确保与串行通讯控制单元A同步。在与串行总线下挂的现场设备进行通讯的层面上，串行通讯控制单元A、串行通讯控制单元B地位平等，对各自总线下挂的现场设备进行信号采集及设备管理。

系统中所有设备及总线均能正常工作的情况下，DCS控制器将通过串行通讯控制单元A获得从A总线上发送到现场设备C、现场设备D的数据，B总线上的现场设备C、现场设备D的数据将被上送至串行通讯控制单元B，做丢弃处理。

假设现场设备C与A总线的通讯出现故障，同时与B总线通讯正常，现场设备D与B总线通讯故障，同时与A总线通讯正常，如图9所示。此时，串行通讯控制单元B获知串行通讯控制单元A与C设备通讯故障，且自身与C设备的通讯正常，串行通讯控制单元B通过冗余通讯通道传送B总线上设备C的数据至串行通讯控制单元A，由串行通讯控制单元A整合数据，将现场设备C、现场设备D的数据转发至DCS控制器。

本发明还提供一种通讯控制单元，同时管理一条或多条现场总线，具备故障诊断、冗余切换、冗余通讯，数据转发功能。下面以该串行通讯控制单元为例，进行具体说明。

如图10所示，该串行通讯控制单元可提供四路相互独立的串行总线1～4，两条互为冗余的以太网通讯接口a、b，冗余切换通道和冗余通讯通道。从功能上可以将串行通讯控制单元分为三个部分：串行总线通讯部分、以太网通讯部分、冗余管理部分。串行总线通讯部分较为独立，不论该串行通讯控制单元处于何种状态(主、次状态)，该部分都正常工作。以太网通讯部分功能取决于串行通讯控制单元处于何种状态(主、次状态)，只与处于主状态的通串行通讯控制单元进行以太网通讯。冗余管理部分与其他两部分的工作状态密切相关，包括故障诊断、冗余切换及冗余通讯。

串行通讯控制单元同时管理四对相互独立的冗余串行总线，每对总线最多可下挂32个现场设备，串行通讯控制单元可通过Modbus等串行通讯协议与这些现场设备进行通讯。为保证串行通讯控制单元与以太网通讯的可靠性，该串行通讯单元采用冗余以太网接口。

串行通讯控制单元的故障诊断、冗余切换及冗余通讯功能紧密结合。冗余通讯内容分为两类，一类为两互为冗余的串行通讯控制单元的故障诊断信息，另一类是需要与以太网交换的实时数据。

串行通讯控制单元可以对以太网通讯状态，总线通讯状态，设备通讯状态，自身运行状态进行自检，填写故障诊断信息，由处于次状态的串行通讯控制单元周期性发起冗余通讯，向处于主状态的串行通讯控制单元请求诊断信息，并发送自身诊断信息至处于主状态的串行通讯控制单元。

如图10，假设串行通讯控制单元A处于主状态，串行通讯控制单元B处于次状态。串行通讯控制单元B周期性发起冗余通讯，串行通讯控制单元A获得串行通讯控制单元B的诊断信息后，根据故障对通讯的影响比较自身与串行通讯控制单元B的故障等级，如果串行通讯控制单元A故障不高于串行通讯控制单元B，将保持现有主次状态。当串行通讯控制单元A发现自身故障等级高于串行通讯控制单元B时，串行通讯控制单元A将主动发起冗余切换动作，改变主次状态。当处于主状态的串行通讯控制单元无法获得次状态单元的诊断信息时，不进行切换。

两个互为冗余的串行通讯控制单元间除需要交换诊断信息以确定工作状态外，更重要的是要相互交换实时数据，以整合两条总线的数据。串行通讯控制单元B周期性发起冗余通讯，串行通讯控制单元B获得串行通讯控制单元A的诊断信息，假设得知设备10、设备20、设备31与串行通讯控制单元A通讯发生故障，串行通讯控制单元B根据自身诊断信息判断，这三个设备是否与自身通讯正常，若该三个设备与自身的通讯也处于故障状态，则串行通讯控制单元B不做操作，假设设备10、设备31与串行通讯控制单元B通讯正常，串行通讯控制单元B将发送设备10、设备31的实时输入数据到串行通讯控制单元A，并由串行通讯控制单元A将设备10、设备31的数据与自身设备数据整合，并发送至以太网；同样，此时以太网下发对设备10或设备31的实时写操作数据，串行通讯控制单元A将通过冗余通讯通道将其发送至串行通讯控制单元B，再由串行通讯控制单元B向设备10或设备31进行转发。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。