[发明专利]工业控制网络冗余容错系统

说明书

技术领域

本发明属于工业控制领域，提出了一种在需要高可靠性、高安全性的工业生产领域中，将设备同步、故障检测与自恢复、故障报告、设备热切换等功能集于一身的工业级冗余容错系统的设计方法。

背景技术

冗余技术是系统或设备获得高可靠性、高安全性和高生存能力的设计方法之一，是实现容错功能非常重要的手段。在重要的工业生产领域和中，采用冗余技术提高控制系统可靠性的做法越来越普遍。常规的冗余就是采用成倍增加元件的方式来参与控制，以期能够将因控制设备的意外而导致的停机降到最少。

一个冗余系统，不仅要求单纯的增加一倍元件、部件或者模块。而是需要具备可配置冗余系统参数、硬件结构支持冗余接线、网络结构支持冗余通讯、运行过程中能够动态备份与检测、对上级设备透明运行、可在线更换设备、发生故障时可以快速热切换等诸多能力。

目前大型工业生产中应用的冗余系统，均采用增加环网交换机的方式来实现控制网络通信线路的冗余。而，针对设备间的冗余，都是采用专用的组态软件来配合冗余设备实现资源的热备份与发生故障时进行的热切换。

现有的环网冗余方案仅能解决线路上的通信故障，并不能解决设备的故障；现有的设备冗余方案，又无法解决整个系统由于控制网络故障而产生的问题；

同时，现有的设备冗余方案需要专用的上位机软件配合才能使用。这种需要上位机配合的方式不仅操作复杂而且对上级结构不透明。对于那些对冗余技术并不太熟悉的工程师，这种方式极大地增加了部署应用时的复杂度。而且在系统应用过程中，整个冗余系统运行的细节都需要暴露给上层应用，不符合模块化、组件化的设计思想。

综上，当前没有一种完善的冗余系统，能够将网络冗余、设备冗余、自动管理与热切换等诸多特性结合到一起。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种集多种冗余结构以及自动化故障管理与切换管理为一体的工业控制网络冗余容错系统。本发明所述的系统可在控制网络运行中自动同步两个冗余的控制网络中的资源，也能同时自动判断是否发生故障。如果发现故障，系统可以在三百毫秒的时间内自动、平滑地切换到备份的控制网络中去，以确保整个系统能够在发生故障后仍然能够正常平稳地运行。同时，系统还会记录下发生过的所有故障的详细信息，为系统的维护和修复提供依据。

本发明所述的工业控制网络冗余容错系统包含四个部分：主控器冗余系统、从设备冗余系统、故障日志系统和上位机监控接口。

主控器冗余系统，由两个互为冗余的主控器以及它们所携带的控制网络组成。两个主控设备通过一块集线器与上级网络设备进行连接。两个主控器可以各自携带一片控制网络形成网络冗余，也可共享同一片控制网络，使得切换后仍然能够正常使用这片控制网络中的其他资源。

从设备冗余系统，由一个主控器和一对从设备组成。在这个系统中的主控器最多可以携带16对从设备，每对从设备互为冗余。在冗余的从设备与主控器所构成的网络中，由主控器监控当前线路通信情况，并从根据用户的配置，实时地选择最优的通讯路径进行通信。

故障日志系统：控制系统中的每个设备都运行有一套故障检测与日志系统，在设备发生故障时记录故障发生的类型、日期、次数等信息，并实时地更新当前设备所处的故障级别。

上位机监控接口，是一个为运行在监控计算机中的通信软件提供通信响应的报文服务程序。根据系统提供的访问接口，在系统运行过程中，上位机可以实时地读取系统的运行状态。在发生故障时，用户可以通过上位机查看相应设备的故障信息。并在需要时，用户能够通过相应的输入操作直接控制整个冗余系统的运行。

本发明的有益效果是：

本发明的主控器冗余系统通过集线器接入以太网，并通过传输特定的报文来进行资源的同步和组态程序运行的同步。通过将主控设备连接到集线器后再接入以太网络的这种方式成功地解决了互为冗余的两个主控器因IP、MAC完全相同而引发的网络冲突。

从设备冗余对连接到主控器上，与主控器一同构成了从设备冗余系统。主控器与从设备对之间的连接媒体可以是485总线、MB+总线或者是Zigbee。这种多种媒体统一管理的方式有效地解决了不同网络媒体之间的冗余问题，使得应用更加灵活。