专利名称：一种安全智能i/o组合系统的控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统及其控制方法，具体地说，是涉及一种 运用于机车股道控制领域的安全智能I/O组合系统的控制系统及其
控制方法。
背景技术：
在机车股道控制领域，站场设备(主要包括信号机、轨道电路、 道岔等信号设备)的状态正常与否直接关系着整个运营系统的运行效 率和安全性，如果不能对其进行可靠控制和及时发现其异常情况，就 会给机车行车埋下安全隐患，甚至可能造成安全事故，因此站场设备 的信息监测及控制是一个十分重要的工作。
目前，站场设备的信息检测与控制由执行联锁运算的工控机通过 相应的接口电路控制实现的。由于工控机既要运行联锁控制程序，又 要控制接口电路，因此所能控制的接口电路数量有限，这就导致了现 有的站场设备信息检测与控制系统的扩展性不好，不能应用于较大型 的站场。其次，现有技术的系统结构层次不够清晰，使故障排査和检 测工作的开展十分困难，进而也造成了系统的可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全智能I/O组合系统的控制系统
及其控制方法，应用于站场设备的自动检测和控制，保证信息采集的 准确性，提高信息传输的安全性和系统的可靠性。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下 一种安全智能I/0组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全 智能I/O组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路
1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、 第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设 备驱动与状态采集电路1，第二 MCU还与设备驱动与状态采集电路2 连接，且第一 MCU与第二 MCU还通过UART端口相互连接。
基于上述安全智能I/O组合系统的控制系统，本发明还提出了一 种安全智能I/0组合系统的控制方法，该控制方法包括在非执行命 令状态下，站场设备的状态实时采集过程；以及在执行命令状态下， 系统进行的命令交互过程。
所述站场设备的状态实时采集过程包括以下步骤-
(1) 第一 MCU和第二 MCU设置自身和对方状态标志位为正常；
(2) 第一 MCU和第二 MCU分别检测自身状态标志位是否正常，若 故障，则关闭自己控制的设备驱动与状态采集电路，反之，则通过设 备驱动与状态采集电路对控制对象的状态信息进行实时采集；
(3) 第一 MCU和第二 MCU分别判断对方状态标志位是否为正常， 若对方状态为故障，则将自己采集到状态信息数据保存至各自MCU内 部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)，反之，则通过UART
端口将采集到的设备状态信息数据相互传输给对方；
(4) 第一 MCU和第二 MCU收到对方传过来的信息数据后，判断对 方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则判断数据传输是否有误；
(5) 若数据传输有误，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，
反之，则比较两个MCU获取的设备状态信息是否相同，若相同，则将 状态信息保存至上述两个MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则
判断为相应的设备驱动与状态采集电路故障；
(6) 若本MCU的设备驱动与状态采集电路故障，则设置自身状态 标志位为故障，并将本MCU故障信息保存至本MCU内部的CAN0pen对 象字典中，反之，则设置对方状态标志位为故障，并将对方MCU故障 信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)。
所述命令交互过程包括以下步骤-
a. 联锁机发出命令数据，将命令数据传输至第一 MCU和第二 MCU;
b. 第一 MCU和第二 MCU判断收到的命令数据是否传输有误，若传 输有误，则丢弃命令数据，直接结束，反之，判断命令数据是否为査 询命令；
c. 若命令数据为査询命令，则判断该査询命令是否是发给本MCU 的，反之，则判断命令数据是否为操作命令；
d. 若查询命令不是发给本MCU的，则丢弃命令数据，直接结束， 反之，从本MCU内的CANOpen对象字典中査询所需的状态信息，并将 査询结果回传至联锁机；
e. 若命令数据为非操作命令，则直接结束，反之，则判断该操作 命令是否是发给本MCU的；
f. 若操作命令不是发给本MCU的，则将收到的命令数据通过UART端口发给另一MCU，反之，保存命令数据，并设定超时时限，等待另 一 MCU将命令数据发送到本MCU作比较；
g,若在设定的时限内没有收到另一 MCU发送过来的命令数据，则 清除保存的命令数据，直接结束，反之，将保存的命令数据和另一 MCU发送过来的命令数据作比较，相同则驱动控制对象执行操作命令， 不同则直接结束。
所述步骤a中命令数据传输至MCU的过程包括-联锁机将命令数据复制成两份，通过两路CAN总线同时将两份命 令数据传输至第一 MCU和第二 MCU，第一 MCU和第二 MCU根据两路CAN 总线的状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输的数据作为收到 的命令数据，同时清除另一路CAN总线的命令数据。 所述步骤d中査询结果回传过程为
被指定接收命令数据的MCU将查询到的状态信息复制成两份，通 过两路CAN总线同时回传至联锁机。
所述步骤g中驱动控制对象执行操作命令的具体步骤包括 (1)被指定接收操作命令的MCU分别检査自身状态标志位是否 为故障，若为故障，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，则检 査控制对象是否已经处于该操作状态；(2)若控制对象已经处于该状 态下，则直接结束联锁机发出的操作命令，反之，则发出驱动信号， 并检测驱动信号是否能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控制 对象；(3)若驱动信号不能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控 制对象，则停止发驱动信号，并设置自身状态标志位为故障，反之，设定操作时限；(4)在设定时限内连续检査控制对象的状态，当检测 到控制对象已到达操作命令要求的状态时，停止发送驱动信号，并结 束操作命令；当设定时限超过时，停止发送驱动信号，然后设置自身 状态标志位为故障，并结束操作命令。本发明的原理采用两套相同的硬件设备进行组合，并将信息数 据进行逐层比较，只有两套硬件设备分别采集的信息相同时，才视为 准确信息，并予以保存，以保障数据的准确性，从而为信息査询提供 保证；在信息的传输问题上，采用双路CAN总线，每次提取信息时， 均通过双路CAN总线同时传输两个信息，并将两个信息进行比较，只 有两者相同，才视为正确信息，从而提高信息传输的可靠性；而两个 MCU —个使用一个备用的设备则为系统的正常运行提供了保障。与传统的控制系统相比，本发明不仅采用两套设备同时运行，对 于采集信息，还进行了数据比较，只有两个MCU获取的同一时刻的状 态信息相同，才视其为准确的状态信息，并在MCU内部划分了用于存 储数据的区域——CANOpen对象字典，用以存储控制对象的实时状态 信息以及系统的其他信息，同时为联锁机査询控制对象的状态信息时 提供可靠的信息数据。在保证了状态信息的准确性后，还需要确保信 息的传输线路无误，为此，在每一个MCU与联锁机之间，采用两路双 向CAN总线进行连接，数据传输时，将数据分别在两路C緒总线中同 时传输，以确保数据传输的可靠性。当联锁机发出命令数据时，联锁 机将命令数据复制为两份，并将两份命令数据分别通过两路CAN总线 传输给两个MCU，每个MCU都收到两份相同的命令数据，它们选择传输状态较好的一路CAN总线，保留其命令数据，而清除另一路CAN总 线传输的命令数据。当MCU向联锁机回传站场设备状态数据时，MCU 将设备状态数据复制为两份，并将两份状态数据分别通过两路CAN总 线传输给联锁机，联锁机选择传输状态较好的一路CAN总线，保留其 数据，而清除另一路CAN总线传输的设备数据。在MCU驱动控制对象 的过程中，系统不仅通过两个MCU对命令数据进行了校对，而且对设 设备驱动与状态采集电路的状态也进行了检测判断，以此来提高命令 执行的安全性，确保系统的运行安全。本系统对站场设备及其控制电 路增加了很多检测点，可以十分方便准确地定位故障点，极大地降低 了维修检测的工作量。本发明中所述控制系统可控制安全智能I/O组合系统中的某一 个设备，也可以控制多个设备，还可以对整个安全智能I/0组合系统 的设备进行控制，相应地实时采集一个设备或多个设备的状态信息， 并控制设备进行相应操作。本发明具有应用范围广泛、控制对象量大、控制灵活的特点，不 仅能够保证采集信息的准确性，还能大大提高信息传输的可靠性，有 效地保证系统的安全运行，提高系统可靠性，极大地降低维修工作量。
图1为本发明中控制系统的系统框图。图2为本发明中站场设备状态采集过程的流程示意图。图3为本发明中命令交互过程的流程示意图。图4为本发明中命令数据传输至MCU的流程示意图。图5为本发明中驱动控制对象执行操作命令的流程示意图。
具体实施方式
下面通过举例来对本发明进一步说明。如图1所示， 一种安全智能I/0组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全智能i/o组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路l、设备驱动与状态釆集电路2、第一MCU和第二MCU， 所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第 一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1,第二 MCU还与设备驱动与 状态采集电路2连接，且第一 MCU与第二 MCU还通过UART端口相互 连接。在MCU内部，完全由软件来实现其功能MCU首先接收联锁机发 出的命令数据，然后根据命令数据进行相应的操作，或从CANOpen的 对象字典中查询状态信息，或发出驱动信号驱动控制对象执行操作命 令；而在状态实时采集过程中，两个MCU还需要不断地比较两个MCU 获取的状态信息是否相同，并将相同的状态信息保存至CANOpen的对 象字典中。下面根据上述硬件系统和软件设置详细描述本发明的具体工作 过程一,站场设备的状态实时采集过程如图2所示首先两个MCU分别设定自身和对方的状态标志位为 正常，然后两个MCU检査自身状态标志是否正常，若为故障状态，则 关闭相应的设备驱动与状态采集电路，反之，则对控制对象进行状态实时采集。MCU采集到控制对象的状态信息后，检査对方的状态标志 位是否为正常，若对方状态标志位为故障，则直接保存自身采集到的状态信息至CANOpen的对象字典中，并返回继续检查自身状态标志位 是否为正常，从而循环采集控制对象的状态信息。当采集到控制对象 的状态信息后，检査对方状态标志位为正常时，两个MCU将各自采集 到的状态信息传输给对方，并再次检査对方状态标志位是否正常，此 时，若对方状态标志位为故障，则丢弃对方传输过来的信息，反之， 则判断数据传输是否有误，若有误，则丢弃对方传输过来的信息，若 无误，则比较两个MCU采集到的状态信息是否相同，若相同，则两个 MCU保存各自采集到的状态信息至CANOpen的对象字典中，若不相同， 则设定设备驱动与状态采集电路为故障状态。两个MCU分别判断各自 控制的设备驱动与状态采集电路是否出现故障，若出现故障，则设定 相应的MCU为故障状态,并将故障信息保存至相应的MCU内的CANOpen 的对象字典中；若自身控制的设备驱动与状态采集电路状态为正常， 则将对方MCU状态标志位设为故障，将对方故障信息保存至自身的 CANOpen的对象字典中。 二.命令交互过程如图3所示，联锁机同时向两个MCU发出命令数据，MCU收到命 令数据后，检査数据传输是否出错，若传输出错，则直接结束，反之， 则判断命令数据是否为査询命令。若命令数据为查询命令，则判断该 命令是否是发出自身MCU的，若是，则从自身MCU内的C緒0pen对象 字典中査询相应的信息，并回传给联锁机；若命令数据不是传输给自身MCU的，则直接丢弃命令数据，并结束程序。若MCU收到的命令数 据不是査询命令，则判断其是否为操作命令，若不是操作命令，则直 接结束，若为操作命令，则判断该命令是否是发给本MCU的，若不是， 则将操作命令传输给对方MCU，若是，则保存该操作命令，并设定该 操作命令的执行时限，并在该时限内判断是否收到另一MCU传输的操 作命令。若本MCU位收到对方MCU传输过来的操作命令，则清除本 MCU内的操作命令；若收到对方MCU传输的操作命令，则比较两个MCU 获取的操作命令是否相同，若相同，则驱动控制对象执行相应的操作， 反之，则结束命令。三. 命令传输至MCU的方式如图l、图4所示，在本发明中，命令传输采用两路C認总线， 向两个MCU同时发送。首先，联锁机将命令数据复制为两份，然后通 过两路CAN总线分别传输给两个MCU，最后比较两路CAN总线的传输 状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输过来的命令数据，同时 清除另 一路CAN总线传输的命令数据。四. 操作命令执行过程在MCU收到操作命令并确认数据传输无误的情况下，MCU将驱动 控制对象执行操作命令，如图5所示。MCU首先要检査自身的状态标 志位是否正常，若状态标志位为故障，则清除操作命令，并结束；若 自身状态正常，则检査控制对象是否已处于要求的状态，若控制对象 己经处于要求的状态下，则结束联锁机发出的操作命令，若控制对象 还未处于要求的状态下，MCU便发出驱动信号，此时再检查驱动信号是否作用于控制对象，若未作用于控制对象上，则停止发送驱动信号， 并设置自身状态标志位为故障，若驱动信号己作用于控制对象上，则 设定该操作命令的操作时限，并在操作时限内连续检查控制对象是否 已处于要求的状态下，当控制对象已经处于要求的状态下，则停止发 送驱动信号，若在操作时限内控制对象一直未处于要求的状态下，则 停止发送驱动信号，并设置自身状态标志位为故障。
在上述信息査询过程控制和设备操作过程控制中， 一旦系统无法 完成联锁机所要求的工作，则说明系统出现故障，系统维护人员可根
据CANOpen对象字典内保存的信息快速地找到出现故障的地方，以便 对其进行检修，从而提高系统维护的效率，保证系统的正常运行。
权利要求
1. 一种安全智能I/O组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全智能I/O组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。
2. —种安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于；所述安 全智能I/O组合系统的控制方法包括在非执行命令状态下，站场设备进行的状态实时采集过程； 在执行命令状态下，系统进行的命令交互过程。
3. 根据权利要求2所述的安全智能I/O组合系统的控制方法， 其特征在于，所述站场设备状态实时采集过程包括以下步骤(1) 第一 MCU和第二 MCU设置自身和对方状态标志位为正常；(2) 第一 MCU和第二 MCU分别检测自身状态标志位是否正常，若 故障，则关闭自己控制的设备驱动与状态采集电路，反之，则通过设 备驱动与状态采集电路对控制对象的状态信息进行实时采集；(3) 第一 MCU和第二 MCU分别判断对方状态标志位是否为正常， 若对方状态为故障，则将自己采集到状态信息数据保存至各自MCU内 部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)，反之，则通过UART端口将采集到的设备状态信息数据相互传输给对方；(4) 第一 MCU和第二 MCU收到对方传过来的信息数据后，判断对 方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则判断数据传输是否有误；(5) 若数据传输有误，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)， 反之，则比较两个MCU获取的设备状态信息是否相同，若相同，则将 状态信息保存至上述两个MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则 判断为相应的设备驱动与状态采集电路故障；(6) 若本MCU的设备驱动与状态采集电路故障，则设置自身状态 标志位为故障，并将本MCU故障信息保存至本MCU内部的CAN0pen对 象字典中，反之，则设置对方状态标志位为故障，并将对方MCU故障 信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)。
4.根据权利要求2所述的安全智能I/O组合系统的控制方法， 其特征在于，所述命令交互过程包括以下步骤a. 联锁机发出命令数据，将命令数据传输至第一 MCU和第二 MCU;b. 第一 MCU和第二 MCU判断收到的命令数据是否传输有误，若传 输有误，则丢弃命令数据，直接结束，反之，判断命令数据是否为査 询命令；c. 若命令数据为査询命令，则判断该査询命令是否是发给本MCU 的，反之，则判断命令数据是否为操作命令；d. 若査询命令不是发给本MCU的，则丢弃命令数据，直接结束， 反之，从本MCU内的CANOpen对象字典中査询所需的状态信息，并将 查询结果回传至联锁机；e. 若命令数据为非操作命令，则直接结束，反之，则判断该操作 命令是否是发给本MCU的；f. 若操作命令不是发给本MCU的，则将收到的命令数据通过UART 端口发给另一MCU，反之，保存命令数据，并设定超时时限，等待另 一 MCU将命令数据发送到本MCU作比较；g. 若在设定的时限内没有收到另一 MCU发送过来的命令数据，则 清除保存的命令数据，直接结束，反之，将保存的命令数据和另一 MCU发送过来的命令数据作比较，相同则驱动控制对象执行操作命令，不同则直接结束。
5. 根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其 特征在于，所述步骤a中命令数据传输至MCU的过程包括联锁机将命令数据复制成两份，通过两路CAN总线同时将两份命 令数据传输至第一 MCU和第二 MCU，第一 MCU和第二 MCU根据两路CAN 总线的状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输的数据作为收到 的命令数据，同时清除另一路CAN总线的命令数据。
6. 根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其 特征在于，所述步骤d中査询结果回传过程为-被指定接收命令数据的MCU将査询到的状态信息复制成两份，通 过两路CAN总线同时回传至联锁机。
7. 根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其 特征在于，所述步骤g中驱动控制对象执行操作命令的具体步骤包 括(1)被指定接收操作命令的MCU分别检査自身状态标志位是否 为故障，若为故障，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，则检査控制对象是否已经处于该操作状态(2) 若控制对象己经处于该状态下，则直接结束联锁机发出的 操作命令，反之，则发出驱动信号，并检测驱动信号是否能够通过设 备驱动与状态采集电路作用于控制对象；(3) 若驱动信号不能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控 制对象，则停止发驱动信号，并设置自身状态标志位为故障，反之， 设定操作时限；(4) 在设定时限内连续检査控制对象的状态，当检测到控制对 象已到达操作命令要求的状态时，停止发送驱动信号，并结束操作命 令；当设定时限超过时，停止发送驱动信号，然后设置自身状态标志 位为故障，并结束操作命令。
全文摘要
本发明公开了一种安全智能I/O组合系统的控制系统，包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。以控制系统为基础，本发明还提供了一种安全智能I/O组合系统的控制方法，控制安全智能I/O组合系统中设备的状态实时采集和命令交互过程，本发明能够有力地保证信息采集的准确性，提高信息传输的可靠性和系统的安全性，主要用于机车股道控制领域的安全智能I/O组合系统中。
文档编号G05B19/048GK101504540SQ20091005853
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者何鸿云, 鹏 吴, 剑 钟 申请人:成都运达创新科技有限公司