[实用新型]基于工业以太网的DCS三重容错控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及计算机控制系统，特别是一种基于工业以太网的DCS三重容错控制器装置，属于自动控制技术领域。

背景技术

目前，计算机分散控制系统DCS已经在电力、石油、化工和冶金等流程工业领域获得了广泛的应用。为保证DCS的可靠性和安全性，目前DCS的控制器一般都采用了双模冗余结构，即采用两个相同的计算机(中央处理单元)构成一对冗余的控制器。正常工作时，一个控制器将作为主控单元，另一个控制器作为副控单元。主控单元负责完成实时处理功能和对控制器(站)间通讯总线和输入输出IO总线的控制和访问，副控单元则实时拷贝主控单元的计算结果，处于备用状态。当主控单元故障时，副控单元将在拷贝的数据基础上接替主控单元继续完成处理功能和对站间通讯总线和输入输出IO总线的控制。尽管这种双模冗余结构与单模控制器相比已具有较高的可靠性，但在某些情况下，如控制器自启周期内，两个控制器同时重启，将会出现交替地误切换或死锁等故障情况，使得冗余控制器短时间内丧失控制功能或宕机。同时，由于在同一时间内，实际上仍然只有一个控制器在执行实时处理任务，仍然可能因为各种干扰而发生输出漂移或出错。

在一些更为重要的应用场合，三模容错系统已经成为一种常用的容错技术。在三模容错系统中，三个完全相同并且独立的功能模块同时执行同样的处理任务，以多数相同的输出作为系统的正确输出。从结构上看，通常的三模容错系统只要不出现两个性质完全相同的故障，就能保证系统输出是正确的。也就是说，三模容错系统的核心思想是基于两台设备同时出错的概率几乎趋于0。如单一故障出现时，这种容错系统会逐级降至双模、单模工作状态。因此，一般需要设计一套特殊的同步、表决和故障甄别机制和专用硬件结构，造成三模容错系统价格昂贵，系统规模和应用场合受限，一般只使用在诸如紧急停车装置等故障安全系统，也多囿于开关量应用。

发明内容

为克服现有DCS系统双模冗余控制器的缺点和三模容错系统设计复杂、应用受局限的现状，满足更广泛的高可靠性应用的需要，本实用新型公开了一种采用通用计算机和工业以太网硬件设备构成的DCS三重容错控制器装置。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：每个控制器由三个独立并行工作的计算机(中央处理单元)装置(1)(2)(3)组成，其中第一计算机装置(1)通过其内部的第一工业以太网通讯模块(4)和第二工业以太网通讯模块(5)分别与第一以太网交换装置(10)和第二以太网交换装置(11)中的各一个端口相连，第二计算机装置(2)通过其内部的第三工业以太网通讯模块(6)和第四工业以太网通讯模块(7)分别与第一以太网交换装置(10)和第三以太网交换装置(12)中的各一个端口相连，第三计算机装置(3)通过其内部的第五工业以太网通讯模块(8)和第六以太网通讯模块(9)分别与第二以太网交换装置(11)和第三以太网交换装置(12)中的各一个端口相连，同时，每个以太网交换装置(10)、(11)、(12)的另外两个端口分别与多控制器站间三重容错通讯总线(13)和三重容错控制器输入输出总线相连.

本实用新型的技术方案采用了核心为“三模最大化”的三重容错设计，即通过结构优化设计确保控制器在不同故障状态下可以最大限度保持三模运行状态，尽可能不发生向双模和单模等降低冗余度的状态切换。能够在任何单一故障时仍不失去三模冗余特性，即使是在任何两个不相同硬件同时故障时也能继续实现三模处理机制，实现了三重容错。

“三模最大化”在结构上是通过控制器采用具有精确时钟网络同步功能的工业以太网通讯模块、双模块结构(即每个控制器包括两个冗余的同步时钟和网络接口的设计)以及与网络交换设备的交错连接来实现的。

本实用新型实现的DCS三重容错控制器结构具有更高的可靠性，不需要增加特殊的容错硬件，装置结构简单；同时，由于采用通用的计算机硬件和网络设备使得装置具有更高的性价比。

附图说明

附图是基于工业以太网的DCS三重容错控制器的框图。

具体实施方式