1、 工 业 控 制 计 算 机 2 0 0 8 年 2 1 卷 第 7 期在 自 动 化 系 统 中 , 尤 其 是 在 大 型 的 系 统 中 , 为 了 使 控 制 系 统更 加 稳 定 、 更 加 可 靠 , 通 常 会 采 用 冗 余 的 方 法 。 合 理 的 冗 余 设 计将 大 大 提 高 系 统 的 可 靠 性 , 但 是 同 时 也 增 加 了 系 统 的 复 杂 度 和设 计 的 难 度 , 对 于 用 户 来 说 应 用 冗 余 配 置 的 系 统 还 增 加 了 用 户投 资 。 另 一 方 面 , 如 果 冗 余 设 计 不 当 , 还 可 能 降 低 系 统 的 可
2、靠 性 ,增 加 故 障 率 。1 控 制 系 统 电 源 冗 余电 源 是 整 个 控 制 系 统 得 以 正 常 工 作 的 动 力 源 泉 , 一 旦 电 源单 元 发 生 故 障 往 往 会 使 整 个 控 制 系 统 的 工 作 中 断 , 造 成 重 大 后果 。 要 使 控 制 系 统 能 够 安 全 、 可 靠 、 长 期 、 稳 定 地 运 行 , 首 先 供 电的 稳 定 必 需 得 到 保 证 。在 控 制 系 统 的 设 计 中 , 经 常 采 用 多 组 电 源 对 系 统 进 行 供 电 。正 常 情 况 下 , 所 有 电 源 共 同 承 担 系 统 供 电 任
3、务 , 按 照 供 电 能 力 分担 负 载 。 当 某 一 组 或 几 组 电 源 出 现 故 障 无 法 正 常 工 作 时 , 则 由 其它 电 源 供 电 。 因 此 , 在 对 控 制 系 统 进 行 电 源 冗 余 设 计 时 , 必 须 根据 所 用 电 源 的 功 率 、 可 靠 性 以 及 系 统 所 规 定 的 最 短 无 故 障 时 间等 参 数 和 要 求 来 考 虑 供 电 电 源 的 个 数 、 结 构 等 。2 通 信 网 络 冗 余集 散 型 控 制 系 统 的 数 据 通 信 网 络 是 一 个 非 常 重 要 的 部 分 ,通 常 要 求 其 具 有 很 高
4、 的 可 靠 性 。 以 某 品 牌 某 型 号 的 集 散 型 控 制系 统 的 通 信 网 络 为 例 , 在 现 场 部 分 , 它 使 用 两 条 冗 余 的 双 绞 线 电缆 将 系 统 的 I / O 部 分 连 到 控 制 站 , 同 样 , 在 控 制 室 内 也 是 用 两 条冗 余 的 网 络 连 接 控 制 站 和 工 程 师 站 。 正 常 运 行 时 , 系 统 能 够 对 通信 网 络 状 态 进 行 检 测 , 并 选 择 其 中 一 条 作 为 工 作 电 缆 , 另 一 条 备用 。 当 某 条 电 缆 出 现 故 障 时 , 系 统 能 够 自 动 判 断
5、并 无 扰 动 地 将 通信 任 务 切 换 到 另 一 条 电 缆 上 以 保 证 通 信 的 正 常 进 行 , 同 时 给 出网 络 状 态 提 示 。3 关 键 部 件 冗 余冗 余 技 术 的 关 键 在 于 实 现 信 息 同 步 , 而 信 息 同 步 的 最 终 目的 是 为 了 实 现 冗 余 部 件 之 间 无 扰 动 切 换 。 我 们 把 信 息 同 步 的 方法 分 为 “ 自 然 同 步 ” 和 “ 强 制 同 步 ” 。 下 面 将 以 某 品 牌 某 型 号 D C S的 主 控 制 卡 的 冗 余 技 术 为 例 , 介 绍 控 制 系 统 关 键 部 分 的
6、 应 用 冗余 设 计 方 法 。3 . 1 主 控 制 卡主 控 制 卡 是 整 个 D C S 系 统 的 核 心 单 元 , 绝 大 多 数 的 控 制 任务 都 由 它 来 完 成 。 主 控 制 卡 可 以 冗 余 配 置 , 也 可 单 卡 工 作 。 冗 余中 的 两 块 主 控 制 卡 执 行 同 样 的 应 用 程 序 , 其 中 一 个 运 行 在 工 作模 式 ( 工 作 机 ) , 另 外 一 个 运 行 在 备 用 模 式 ( 备 用 机 ) 。 它 们 都 能 访问 I / O 和 过 程 控 制 网 络 , 但 工 作 模 式 下 的 主 控 制 卡 起 着 控
7、制 、 输出 、 实 时 信 息 广 播 等 决 定 性 的 作 用 , 备 用 模 式 下 的 主 控 制 卡 执 行诊 断 和 监 视 主 处 理 器 的 好 坏 , 通 过 周 期 查 询 运 行 中 的 主 处 理 器的 数 据 库 存 储 器 , 接 受 工 作 机 发 送 的 全 部 运 行 信 息 。 后 备 处 理 器可 随 时 保 存 最 新 的 控 制 数 据 , 以 保 证 工 作 / 备 用 的 无 扰 动 切 换 。3 . 2 自 然 同 步在 D C S 控 制 系 统 中 , 互 为 冗 余 的 两 个 主 控 制 卡 作 为 一 个 整体 与 外 界 交 换 信
8、 息 ( 网 络 通 讯 、 I / O 通 讯 ) , 共 享 进 入 这 个 整 体 的输 入 信 息 , 这 就 是 冗 余 的 同 一 性 。 对 外 输 出 信 息 时 工 作 卡 掌 握 主动 权 , 代 表 这 个 整 体 发 言 , 即 冗 余 的 协 同 性 。为 了 保 证 互 为 冗 余 的 两 个 卡 件 具 有 平 等 获 取 外 部 信 息 的 权利 , 保 证 卡 件 内 信 息 一 致 , 通 常 采 用 冗 余 的 通 讯 接 口 。 冗 余 的 两块 卡 件 有 各 自 的 通 讯 通 路 , 只 要 保 证 相 同 的 输 入 信 息 在 两 个 通信 通
9、 路 上 同 时 进 行 传 输 , 两 块 卡 件 就 可 以 获 得 相 同 的 信 息 。 这 种靠 冗 余 通 路 进 行 的 同 步 称 为 “ 自 然 同 步 ” 。 “ 自 然 同 步 ” 发 生 在 冗余 系 统 和 外 部 设 备 之 间 。D C S 控 制 站 中 许 多 信 息 要 靠 “ 自 然 同 步 ” 保 证 冗 余 的 一 致性 。 如 组 态 信 息 与 静 态 参 数 ( 如 P 、 I 、 D 参 数 ) 。 在 操 作 站 中 操 作 开关 位 号 , 设 置 回 路 信 息 也 都 通 过 “ 自 然 同 步 ” 传 送 到 两 个 互 为 备用 的
10、 控 制 站 中 。 如 果 在 操 作 时 有 一 个 控 制 站 的 通 讯 出 现 故 障 , 则会 破 坏 两 个 控 制 卡 的 同 步 状 态 , 两 块 卡 的 差 异 无 法 消 除 , 在 冗 余切 换 时 就 可 能 产 生 扰 动 。 因 此 , 操 作 对 于 处 于 正 常 运 行 D C S 来说 , 网 络 正 常 工 作 是 一 个 首 要 条 件 。 发 现 网 络 中 某 一 部 分 出 现 故障 应 及 时 维 护 使 其 正 常 。由 于 “ 自 然 同 步 ” 一 旦 产 生 差 异 就 无 法 消 除 , 而 且 两 个 冗 余站 间 保 持 的 中
11、 间 状 态 也 无 法 同 步 , 因 此 需 要 有 其 它 机 制 进 行 同步 管 理 , 我 们 称 为 “ 强 制 同 步 ” 。3 . 3 强 制 同 步工 作 卡 掌 握 主 动 权 , 代 表 整 体 发 言 , 并 通 过 冗 余 通 信 将 各 种状 态 信 息 传 送 给 备 用 卡 , 达 到 控 制 任 务 的 同 步 , 这 就 是 “ 强 制 同步 ” 。 “ 强 制 同 步 ” 通 过 冗 余 通 讯 使 备 用 卡 内 部 控 制 状 态 与 工 作 卡保 持 一 致 , 它 发 生 在 互 为 冗 余 的 卡 件 之 间 。同 步 工 作 / 备 用 卡
12、之 间 的 状 态 信 息 需 要 耗 费 系 统 大 量 的 资源 ( 时 间 、 硬 件 等 ) 。 D C S 内 主 控 制 卡 采 用 独 立 1 M b p s 速 率 串 行通 信 进 行 工 作 / 备 用 卡 之 间 的 状 态 同 步 , 需 要 同 步 的 信 息 包 括 各种 控 制 运 算 中 间 状 态 、 输 出 状 态 、 系 统 软 时 钟 、 故 障 诊 断 信 息 等 ,特 别 是 带 有 积 分 作 用 或 时 间 效 应 的 信 息 单 元 , 如 累 积 、 定 时 器 、P I D 积 分 单 元 等 。 需 要 同 步 处 理 的 信 息 量 越
13、 大 系 统 冗 余 通 讯 花冗 余 技 术 在 集 散 控 制 系 统 中 的 应 用A p p l i c a t i o n o f R e d u n d a n t T e c h n o l o g y i n D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m刘 哲 纬 金 文 兵 程 文 锋 ( 浙 江 机 电 职 业 技 术 学 院 电 气 系 , 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 3 )摘 要阐 述 了 冗 余 理 论 及 其 机 理 实 现 的 方 法 , 并 针 对 具 体 的 某 型 号 集 散 控 制 系 统 , 分
14、析 了 其 电 源 、 主 控 卡 、 通 信 网 络 以 及 其 他关 键 部 件 的 冗 余 设 计 方 法 , 冗 余 技 术 的 设 计 在 控 制 系 统 的 应 用 达 到 了 很 好 的 效 果 。关 键 词 : 冗 余 , 控 制 系 统 , 备 用 状 态A b s t r a c tT h i s p a p e r s t a r t w i t h r e d u n d a n t t h e o r y a n d i t s i m p l e m e n t m e c h a n i s m . R e d u n d a n t T e c h n o l
15、o g y A p p l i c a t i o n t o P o w e rs o u r c e , c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k , m a s t e r c o n t r o l c a r d , a n d s o m e p a r t c o m p o n e n t s i s a n a l y s e d .K e y w o r d s : r e d u n d a n c y , c o n t r o l s y s t e m , s t a n d b y s t a t e2 5冗 余 技 术
16、在 集 散 控 制 系 统 中 的 应 用( 上 接 第 2 4 页 )邻 域 内 的 任 一 像 素 公 差 范 围 之 类 , 则 标 识 为 非 缺 陷 点 , 否 则 则 标识 为 缺 陷 点 。 考 虑 到 行 走 方 向 上 的 形 变 大 于 横 向 方 向 的 形 变 , 本系 统 采 用 5 3 邻 域 。 经 过 邻 域 比 较 算 法 的 处 理 , 结 果 有 明 显 的改 善 , 如 图 4 所 示 。 再 经 过 斑 点 ( B l o b ) 分 析 , 就 能 得 到 是 否 为 缺陷 , 以 及 缺 陷 类 型 、 面 积 、 位 置 等 信 息 。2 . 3
17、 基 于 M M X 技 术 的 代 码 优 化为 了 更 好 地 满 足 系 统 的 实 时 性 , 本 系 统 用 M M X 技 术 对 部分 程 序 进 行 优 化 加 速 。 M M X 扩 展 指 令 集 是 一 种 单 指 令 多 数 据 流( S I M D ) 体 系 的 指 令 集 , 含 义 为 一 条 指 令 可 同 时 驱 动 多 条 数 据 同时 处 理 , 算 法 效 率 是 C 语 言 的 8 倍 以 上 。 在 I n t e l P e n t i u m M 处理 器 , 内 存 为 5 1 2 M 的 主 机 上 对 如 图 2 所 示 的 5 9 2
18、7 9 8 的 灰 度图 像 进 行 处 理 , 表 1 统 计 了 处 理 流 程 的 消 耗 时 间 总 和 , 并 在 同 一主 机 上 与 C 语 言 实 现 方 式 作 了 比 较 。表 1 算 法 运 行 1 0 0 次 的 测 试 结 果 单 位 : 秒 ( s )3 实 验 结 果在 实 际 的 应 用 过 程 中 , 将 高 速 线 阵 C C D 相 机 以 及 高 速 图 像采 集 装 置 和 计 算 机 进 行 连 接 , 设 置 好 光 源 等 检 测 环 境 , 如 图 5 所示 。 本 系 统 采 用 德 国 B a l s e r 公 司 生 产 的 2 0 4
19、 8 像 素 黑 白 线 阵C C D 工 业 相 机 ( 型 号 为 L 1 0 4 k - 2 k ) 和 北 京 微 视 新 纪 元 科 技 有 限公 司 生 产 的 千 兆 网 转 换 盒 ( 型 号 为 M V C L 2 G E - B ) 对 3 5 0 m m 宽的 印 刷 品 进 行 检 测 , 系 统 横 向 分 辨 率为 0 . 2 m m / d p i , 行 走 方 向 的 分 辨 率 为0 . 1 6 m m / d p i , 检 测 最 高 速 度 为2 0 0 m / m i n 。 所 以 在 2 0 0 m / m i n 的 速度 下 , 系 统 的
20、实 际 检 测 精 度 为 : 横 向精 度 为 0 . 6 m m , 纵 向 精 度 为0 . 4 8 m m 。 在 正 常 的 检 测 条 件 下 , 对1 0 0 0 幅 图 像 进 行 检 测 , 检 测 结 果 为漏 警 概 率 0 . 1 1 % , 虚 警 概 率 0 . 3 8 % 。漏 警 概 率 是 指 将 不 合 格 的 产 品 检 测为 合 格 产 品 , 虚 警 是 指 将 合 格 产 品 检测 为 不 合 格 产 品 。4 结 束 语本 系 统 的 关 键 是 能 否 准 确 识 别合 格 与 不 合 格 产 品 以 及 能 否 满 足 实 时 性 的 要 求
21、, 本 文 所 采 取 的措 施 可 以 准 确 地 对 待 检 测 印 刷 品 进 行 检 测 并 满 足 实 时 性 的 要求 , 系 统 运 行 稳 定 可 靠 。参 考 文 献 1 L i a o J H , Y i n B Z , L a o W W , e t a l . P h o t o e l e c t r i c d e t e c t i o n s y s -t e m i n t h e r e c o g n i t i o n a n d s o r t i n g e q u i p m e n t o f b i l l s J .S P I E 3 5 5
22、 8 , 1 9 9 8 , 6 4 6 - 6 5 1 2 王 臣 豪 , 刘 富 强 , 田 敏 , 等 . 基 于 B l o b 的 车 辆 识 别 及 其 跟 踪 算 法 研 究 J . 信 号 处 理 , 2 0 0 5 , 2 1 ( z 1 ) 4 苏 光 大 . 图 像 并 行 处 理 技 术 M . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2 0 0 2 : 1 7 2 -1 8 3 收 稿 日 期 : 2 0 0 8 . 5 . 7 图 5 现 场 装 置 架 设 示 意 图费 的 时 间 资 源 越 大 , 必 定 导 致 系 统 实 时 性 有 一 定 程 度 的
23、 下 降 。为 了 保 证 工 作 / 备 用 卡 之 间 状 态 同 步 的 同 时 , 不 降 低 系 统 的实 时 性 , 对 于 由 工 程 师 站 设 定 或 下 装 产 生 的 组 态 信 息 和 静 态 数据 , D C S 靠 “ 自 然 同 步 ” 保 证 工 作 卡 和 备 用 卡 状 态 一 致 。 而 对 于具 有 按 时 间 累 积 特 性 的 “ 动 态 数 据 ” , 必 须 进 行 冗 余 同 步 。 例 如 ,工 作 卡 与 备 用 卡 按 时 间 对 测 量 值 进 行 积 分 , 如 果 两 卡 件 时 钟 存在 微 小 的 误 差 或 者 P V 值 存
24、 在 一 定 微 小 差 值 , 则 在 长 时 间 运 行下 , 如 果 不 进 行 冗 余 同 步 , 这 个 微 小 误 差 就 有 可 能 导 致 工 作 / 备用 卡 内 阀 位 有 较 大 幅 度 的 差 异 。D C S 的 工 作 / 备 用 主 控 制 卡 之 间 状 态 同 步 分 为 两 种 模 式 。一 种 是 备 用 卡 冷 启 动 模 式 信 息 同 步 。 在 这 种 模 式 下 , 刚 启 动 的 备用 卡 将 工 作 卡 内 的 所 有 信 息 全 部 拷 贝 过 来 并 进 入 与 工 作 卡 一 致的 控 制 状 态 , 这 是 一 种 一 次 性 完 全
25、 地 状 态 同 步 , 保 证 了 工 作 、 备用 卡 之 间 组 态 、 静 态 参 数 、 动 态 变 量 的 一 致 性 , 为 实 时 运 行 模 式下 动 态 数 据 的 局 部 数 据 同 步 打 下 基 础 。 另 一 种 模 式 为 运 行 过 程中 动 态 数 据 的 局 部 同 步 。 工 作 卡 在 每 个 运 算 周 期 内 实 时 将 重 要动 态 变 量 传 送 给 备 用 卡 , 以 保 证 备 用 卡 与 工 作 卡 状 态 的 一 致 性 。4 信 息 冗 余除 了 设 备 冗 余 , 信 息 冗 余 技 术 也 是 提 高 系 统 可 靠 性 的 一 个
26、重 要 手 段 。 信 息 冗 余 技 术 是 在 通 信 过 程 中 , 利 用 增 加 的 多 余 信 息位 提 供 检 错 甚 至 纠 错 的 能 力 。 目 前 设 计 信 息 冗 余 技 术 的 具 体 方法 有 两 种 策 略 : 纠 错 码 方 案 及 检 错 码 方 案 。 至 于 某 种 代 码 能 否 检错 与 纠 错 , 以 及 能 检 几 重 错 和 纠 几 重 错 , 由 海 明 所 提 供 的 办 法 能给 出 某 种 关 系 式 , 此 处 不 作 详 细 介 绍 。 纠 错 码 方 法 虽 然 有 优 越 之处 , 但 实 现 复 杂 , 造 价 高 , 一 般
27、 的 通 信 场 合 不 易 使 用 。 检 错 码 虽 然需 要 通 过 重 传 机 制 达 到 纠 错 , 但 原 理 简 单 , 实 现 容 易 , 编 码 与 解码 速 度 快 , 目 前 正 得 到 广 泛 的 使 用 。 应 用 于 D C S 的 循 环 冗 余 校验 法 就 是 一 种 检 错 码 方 案 , 也 属 于 软 件 冗 余 , 这 种 冗 余 是 在 每 个传 输 数 据 包 的 后 面 附 加 几 位 至 十 几 位 冗 余 位 作 为 校 验 码 。5 容 错 技 术通 过 上 述 启 动 模 式 下 完 全 同 步 和 实 时 运 行 模 式 下 局 部 状
28、 态同 步 相 结 合 的 方 式 , 又 加 之 可 靠 的 过 程 控 制 和 通 信 网 络 以 及 采样 信 息 的 共 享 , 保 证 了 整 个 系 统 的 冗 余 和 同 步 安 全 、 可 靠 、 实 时地 运 行 。 然 而 尽 管 冗 余 技 术 可 以 提 高 系 统 可 靠 性 , 延 长 无 故 障 时间 , 但 是 无 论 采 取 多 少 措 施 , 要 保 证 系 统 1 0 0 % 无 故 障 是 不 现 实的 。 容 错 设 计 则 是 从 整 个 系 统 出 发 以 另 一 个 角 度 考 虑 问 题 , 其 出发 点 是 承 认 各 单 元 发 生 故 障
29、 的 可 能 , 进 而 设 法 保 证 即 使 某 单 元发 生 故 障 , 系 统 仍 能 完 全 正 确 地 工 作 , 也 就 是 说 给 系 统 增 了 容 忍故 障 的 能 力 。 冗 余 与 容 错 设 计 是 系 统 级 可 靠 性 设 计 的 重 要 手 段 ,是 D C S 高 可 靠 性 的 支 柱 。为 了 使 系 统 具 有 容 错 能 力 , 必 须 在 系 统 中 增 加 适 当 的 冗 余单 元 , 以 保 证 当 某 个 单 元 发 生 故 障 时 能 由 冗 余 单 元 接 替 其 工 作 ,原 单 元 修 复 后 再 恢 复 出 错 前 的 状 态 。 所
30、 以 容 错 与 冗 余 是 同 时 使用 的 技 术 。 容 错 设 计 对 提 高 系 统 可 靠 性 具 有 重 大 的 意 义 。在 设 计 中 采 取 的 种 种 措 施 能 够 极 大 提 高 系 统 可 靠 性 , 但 是不 可 能 完 全 防 止 系 统 失 效 , 因 此 在 对 系 统 进 行 评 估 时 , 除 考 虑 其可 靠 性 高 低 外 , 还 必 须 考 虑 一 旦 出 现 失 效 , 系 统 有 哪 些 安 全 性 措施 , 如 多 级 控 制 、 手 动 / 自 动 切 换 、 报 警 、 输 出 锁 定 等 。参 考 文 献 1 姚 恩 德 , 叶 非 . 集 散 型 控 制 系 统 冗 余 方 式 的 探 讨 J . 自 动 化 仪 表 ,1 9 9 9 , 2 0 ( 4 ) 2 白 焰 , 吴 鸿 , 杨 国 田 . 分 散 控 制 系 统 与 现 场 总 线 控 制 系 统 M . 北 京 : 中国 电 力 出 版 社 , 2 0 0 1 收 稿 日 期 : 2 0 0 8 . 2 . 1 !2 6
