专利名称：一种Profibus-DP现场总线冗余控制器的利记博彩app
—种Profibus-DP现场总线冗余控制器技术领域
本发明属于现场总线冗余技术领域,涉及一种Profibus-DP现场总线冗余控制器。
背景技术：
冗余通常指通过配置多重备份来增加系统的可靠性。对于当前主流现场总线控制 器而言，在考虑性价比的基础上一般采用1:1备份方式，即在一个控制站内配置两个互为 备用、可以无扰动切换的控制器。冗余配置其实质是两台控制器都在工作，切换时只不过是 交换主控权，理想设计目标是能够达到零秒切换。
尽管各个现场总线控制系统厂家都在尽力追求零秒切换这个理想设计目标，但实 际却很难实现，只能尽量减小。因此切换时间就成为衡量现场总线冗余控制器先进性的一 项标准，体现了控制器设计的先进性。控制器冗余性能主要体现在两点，一是互为备用，增 加可靠性；二是无扰切换，体现技术先进性。
当前火力发电机组控制领域中，国产Profibus现场总线控制系统其控制器冗余 性能不高，主要依赖进口控制系统，造成的控制器产品选型局限性大、增加成本。发明内容
本发明解决的问题在于提供一种Profibus-DP现场总线冗余控制器，其控制器采 用1:1冗余配置，可实现工作状态下的数据无扰动切换，保证控制系统整体稳定运行。
本发明是通过以下技术方案来实现
—种Profibus-DP现场总线冗余控制器,包括通过底板插槽相连接的结构相同、 互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；
当任意一块控制器上电后，其INl发出高电平信号I，通过底板插槽接入另外一块 控制器，使其得到信号OUTl=O,该控制器得知其相对的控制器存在；
两块控制器中任意一块的输出信号自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3，通 过底板插槽分别与另外一块的输入信号相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一 起，结合INU0UT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；
在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调 度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器周期性接收工作控制器发来 的备份数据；
当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号0UT2=1的故障信号和自身角色信 号0UT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通调度任务。
所述的两个控制器均包括嵌入式微处理器，以及分别与其相连接的存储器电路、 复位电路、接口电路和主备冗余电路；
所述的主备冗余电路包括DPRAM电路和冗余逻辑控制器；
两块控制器的DPRAM电路通过底板插槽上的DPRAM接口相连接，工作控制器将与 时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；
任意一块控制器上电后嵌入式微处理器发出上升沿脉冲INl信号，通过底板插槽 上设置的非门发送OUTl=O的信号，表示相对控制器存在；冗余逻辑控制器通过控制自身状 态信号0UT2和自身角色信号0UT3的发出，并与相对控制器的状态信号IN2和相对角色信 号IN3连接在一起。
冗余逻辑控制器的逻辑真值的设置为
本控制器存在否，O :存在，1:不存在；
本控制器状态，O :正常，1:故障；
相对控制器存在否，O :存在，1:不存在；
相对控制器状态，O :正常，1:故障；
相对控制器角色，O :工作控制器，1:备用控制器；
本控制器角色，O :工作控制器，1:备用控制器；
当只插入一块控制器时，强制令即相对控制器故障，相对控制器为备用控制器。
冗余逻辑控制器对控制自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3的发出为
当本控制器上电后，如果本控制器状态为正常，嵌入式微处理器发出低电平，获得 输出0UT2=0 ;并通过译码器向与非门的输入条件1=1 ；
嵌入式微处理器发出上升沿脉冲至D触发器时钟端，使D触发器输出/Q=0，经过非 门后获得与非门的输入条件2=1 ；
相对控制器角色为备用控制器时，获得与非门的输入条件3=1。
上述三个条件，获得输出0UT3=0，本控制器状态为工作控制器；
当本控制器上电后，如果本控制器状态为故障，嵌入式微处理器无法工作，无法 持续发出低电平，获得输出0UT2=1，并通过译码器向与非门的输入条件1=0，获得输出 0UT3=1，本控制器状态为备用控制器。
所述的嵌入式微处理器运行操作系统、板级驱动程序，实现底层功能；运行存储器 电路上的用户应用程序，实现应用层功能。
所述的内存电路包括分别与嵌入式微处理器连接的Flash电路和内存电路， Flash电路存储用户应用程序，内存电路用于嵌入式微处理器执行用户应用程序。
所述的复位电路采用标准看门狗定时器，在1. 6s内WDI端没有收到来自MPU/MCU 的触发信号，并且WDI处于非高阻态，则WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。
所述的接口电路包括
以太网接口电路，通过冗余以太网接口，与上位计算机通信；
CAN接口电路，通过底板插槽上的冗余CAN接口，与就地I/O控制器件通信。
板控制器由外部5VDC提供总电源，并通过DC/DC直流隔离电路向所有芯片提供工 作电源，将外部电源对系统的干扰降至最低。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果
本发明提供的Profibus-DP现场总线冗余控制器，通过采用1:1冗余配置，通过主 备角色判断、实时数据备份和交换主控权，实现了工作控制器和备用控制器的无扰动数据 切换，保证控制系统整体稳定运行；其主备切换时间可达到132us，体现了该现场总线控制器冗余设计的先进性。
图1为冗余控制器结构示意图2为相对控制器是否存在信号判断示意图3为控制器主备冗余逻辑示意图4为冗余控制器主备切换响应时间示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
本发明所提供的Profibus-DP现场总线冗余控制器(FCS165现场总线冗余控制 器)，包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制 器，另一个为热备状态的备用控制器；
当任意一块控制器上电后，其INl发出高电平信号I，通过底板插槽接入另外一块 控制器，使其得到信号OUTl=O,该控制器得知其相对的控制器存在；
两块控制器中任意一块的输出信号自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3，通 过底板插槽分别与另外一块的输入信号相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一 起，结合INU0UT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；
在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调 度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器周期性接收工作控制器发来 的备份数据；
当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号0UT2=1的故障信号和自身角色信 号0UT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通调度任务。
具体的，Profibus-DP现场总线冗余控制器主要由嵌入式微处理器、存储器电路、 复位电路、接口电路和主备冗余电路5个部分组成，硬件电路结构如图1所示。其中
1、微处理器
微处理器指中央处理器单元——CPU (CPU芯片)，用于运行操作系统、板级驱动程 序，实现底层功能；运行存储器电路上的用户应用程序，实现应用层功能。
2、存储器电路
存储器电路，包括Flash电路，及内存电路即SDRAM，分别与嵌入式微处理器连接 Flash电路用于存储用户应用程序，SDRAM电路用于嵌入式微处理器高速执行用户应用程序。
3、复位电路
控制器上电复位电路采用标准看门狗定时器实现。如图1所示，1. 6s内WDI端没 有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI处于非高阻态(一直保持高电平或低电平)，则 WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。
4、接口电路
按照与控制器数据交换对象的不同，可以将接口电路分为3类。以太网接口电路、 CAN接口电路和DPRAM接口电路。
(I)、以太网接口电路
通过冗余以太网接口，实现与上位计算机软件的数据交换。
(2)、CAN 接口 电路
通过底板插槽上的冗余CAN接口，实现与常规I/O卡件的数据交换。
(3)、DPRAM接口电路，便于工作控制器和备用控制器的备份，属于主备冗余电路的 一部分；工作控制器将与时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；
通过底板插槽上的DPRAM接口，工作控制器将与时间相关的算法功能块数据实时 存储在备用控制器的DPRAM中，以保证在发生主备切换后算法功能块运算的正确性。
5、主备冗余电路
主备冗余电路用于判定控制器主备角色，并实现工作控制器向备用控制器的无扰 动切换。依靠主备冗余功能增强控制器在实际工业运行环境中的可靠性，最大程度维护控 制系统安全、稳定运行；具体的可利用可编程逻辑控制器CPLD设计。
5.1控制器冗余功能
首先判断出工作控制器和备用控制器，再完成从工作控制器到备用控制器的实时 数据备份，最后当需要时在最短时间内工作控制器交出主控权，完成主备无扰动切换。上述 三点就是对控制器冗余功能比较全面的解读。也一直需要遵守的准则。
其中第一点主备角色判断和第三点交换主控权是通过冗余逻辑硬件电路实现的； 第二点则是依托DPRAM接口电路平台实现。
5. 2冗余逻辑电路
主备冗余电路设计上分为两个部分。首先是主备角色判断，其功能是对两块控制 器哪个是工作(主)，哪个是备用(备)做出准确判断；第二部分是工作控制器和备用控制器 交换主控权，用于实现主备无扰动切换。具体通过以下判断来实现
(I)相对控制器存在信号
既然同时存在工作控制器和备用控制器，那就必须保证任意一块控制器能够准确 获知对方是否存在，这样主、备角色的判断，主控权的交换以及实时数据的备份才有意义。 具体使用了相对控制器是否存在信号，做为互为冗余的两块控制器之间的联系条件。
参见图2，相对控制器存在信号获得为即两块控制器通过底板插槽连接在一起， 通过OUTl、INl信号来获得，其中O为相对控制器存在，I相对控制器不存在；
当任意一块控制器A上电后，其INl发出高电平信号I (无论主备角色，在上电时 上升沿脉冲)，通过底板接入另外一块控制器B，使其得到信号OUTl = O ；由此控制器B即得 知与其相对的控制器A存在。反之亦然。
(2)主备角色判断
通过冗余逻辑控制器实现控制器主备冗余配置，即在工作过程中工作控制器独立 完成通信调度任务，通过CAN接口与常规I/O卡件通信，通过以太网接口与上位机通信。备 用控制器处于热备状态，当工作主站发生故障或需要备用控制器承担控制任务时，自动无 扰切换到备用控制器继续完成通信任务。
具体的冗余逻辑控制器如表I所示
表I主备冗余逻辑真值表
权利要求
1.一种Profibus-DP现场总线冗余控制器,其特征在于,包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；当任意一块控制器上电后，其INl发出高电平信号I，通过底板插槽接入另外一块控制器，使其得到信号OUTl = 0，该控制器得知其相对的控制器存在；两块控制器中任意一块的输出信号自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3，通过底板插槽分别与另外一块的输入信号相对状态信号IN2和相对角色信号IN3连接在一起,结合INU0UT1提供的相对控制器存在信号，形成由三对条件共同组成的逻辑；在正确完成工作、备用角色判断之后，在工作过程中工作控制器独立完成通信调度任务，工作控制器向备用控制器备份实时数据，备用控制器接收工作控制器发来的备份数据；当需要切换时，工作控制器发出自身状态信号0UT2=1的故障信号和自身角色信号 0UT3=1的自身为备用的角色信号，交出控制权，自动无扰切换到备用控制器继续完成通信调度任务。
2.如权利要求1所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的两个控制器均包括嵌入式微处理器，以及分别与其相连接的存储器电路、复位电路、接口电路和主备冗余电路；所述的主备冗余电路包括DPRAM电路和冗余逻辑控制器；两块控制器的DPRAM电路通过底板插槽上的DPRAM接口相连接，工作控制器将与时间相关的算法功能块数据，实时存储在备用控制器的DPRAM中；任意一块控制器上电后嵌入式微处理器发出上升沿脉冲INl信号，通过底板插槽上设置的非门发送OUTl = O的信号，表示相对控制器存在；冗余逻辑控制器通过控制自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3的发出，并与相对控制器的状态信号IN2和相对角色信号 IN3连接在一起。
3.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器,其特征在于，冗余逻辑控制器的逻辑真值的设置为本控制器存在否，O :存在，1:不存在；本控制器状态，O :正常，1:故障；相对控制器存在否，O :存在，1:不存在；相对控制器状态，O :正常，1:故障；相对控制器角色，O :工作控制器，1:备用控制器；本控制器角色，O :工作控制器，1:备用控制器；当只插入一块控制器时，强制令即相对控制器故障，相对控制器为备用控制器。
4.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器,其特征在于,冗余逻辑控制器对控制自身状态信号0UT2和自身角色信号0UT3的发出为当本控制器上电后，如果本控制器状态为正常，嵌入式微处理器发出低电平，获得输出 0UT2=0 ;并通过译码器向与非门的输入条件1=1 ；嵌入式微处理器发出上升沿脉冲至D触发器时钟端，使D触发器输出/Q=0，经过非门后获得与非门的输入条件2=1 ；相对控制器角色为备用控制器时，获得与非门的输入条件3=1 ；上述三个条件，获得输出0UT3=0，本控制器状态为工作控制器；当本控制器上电后，如果本控制器状态为故障，嵌入式微处理器无法工作，无法持续发出低电平，获得输出0UT2=1，并通过译码器向与非门的输入条件1=0，获得输出0UT3=1，本控制器状态为备用控制器。
5.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的嵌入式微处理器运行操作系统、板级驱动程序，实现底层功能；运行存储器电路上的用户应用程序，实现应用层功能。
6.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的内存电路包括分别与嵌入式微处理器连接的Flash电路和内存电路，Flash电路存储用户应用程序，内存电路用于嵌入式微处理器执行用户应用程序。
7.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器，其特征在于，所述的复位电路采用标准看门狗定时器，在1. 6s内WDI端没有收到来自MPU/MCU的触发信号，并且WDI 处于非高阻态，则WDO输出变低电平，启动看门狗定时器。
8.如权利要求2所述的Profibus-DP现场总线冗余控制器,其特征在于，所述的接口电路包括以太网接口电路，通过冗余以太网接口，与上位计算机通信；CAN接口电路，通过底板插槽上的冗余CAN接口，与就地I/O控制器件通信；板控制器由外部5VDC提供总电源，并通过DC/DC直流隔离电路向所有芯片提供工作电源，将外部电源对系统的干扰降至最低。
全文摘要
本发明公开了一种Probus-DP现场总线冗余控制器，包括通过底板插槽相连接的结构相同、互为冗余的两个控制器，其中一个为工作控制器，另一个为热备状态的备用控制器；通过主备角色判断、实时数据备份和交换主控权，实现了工作控制器和备用控制器的无扰动数据切换，保证控制系统整体稳定运行。其主备切换时间可达到132us，体现了该现场总线控制器冗余设计的先进性。
文档编号G05B19/418GK103064368SQ20121053890
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者崔逸群, 李哲毓, 黄策, 张翔, 张博威 申请人:西安热工研究院有限公司