一种工控领域PLC系统热备冗余控制系统及方法与流程

一种工控领域plc系统热备冗余控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及工业控制领域，具体为一种工控领域plc系统热备冗余控制系统及方法。


背景技术：

2.在工业控制领域，尤其在核电厂等数字化仪控领域，会存在输出大量高低电平信号或电压电流信号去控制和驱动外部设备，参与停堆控制，参与着重要的逻辑运算等，关乎核电站的安全运行。
3.所谓“冗余”系统，是指整个plc控制系统由2套完全相同的系统组成，其中一套在系统正常工作时并不需要。在热备用（hot）系统中，2台cpu通过通信接口直接连接在一起，均处于通电状态。
4.在工业应用中，无故障发生的情况下，一套控制器模块即可满足整个plc系统的使用。但若不采用冗余热备方案，则当控制器模块出现故障时，整个plc系统就会停止正常工作，只能等待技术人员去进行维修后系统才能继续正常工作。这会严重影响工业生产效率，甚至某些情况下甚至造成安全事故。所以在工业应用中，搭建plc系统时采用冗余热备方案是十分必要的。


技术实现要素：

5.本发明提供一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，包括主控制器、备用控制器；其中，主控制器与备用控制器之间通过光缆通信。
6.进一步地，所述主控制器包括：程序输入模块、冗余热备系统开销模块、程序执行模块、数据存储及交换模块、程序输出模块；所述程序通过程序输入模块进入主控制器内，经由冗余热备系统开销模块处理后由程序执行模块执行后由程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入数据存储及交换模块。
7.进一步地，所述备用控制器包括：程序输入模块、冗余热备系统开销模块、程序执行模块、数据存储及交换模块、程序输出模块；所述程序通过程序输入模块进入主控制器内，经由冗余热备系统开销模块处理后由程序执行模块执行输入程序的第一段后由程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入数据存储及交换模块。
8.一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，包括以下步骤：s1.读取输入信息；s2.处理输入信息中无需同步的非冗余部分；s3.执行冗余部分；s4.输出信息。
9.进一步地，所述主控制器还包括一个与备用控制器之间的数据传输步骤：分析从备用控制器中获取的备用状态信息，并在执行完冗余部分后将冗余备份的数据复制到备用控制器的cpu中。
10.进一步地，所述备用控制器还包括一个与主控制器之间的数据传输步骤：分析从主控制器中获取的主状态信息，并在执行完冗余部分后将备用系统信息复制到主控制器的cpu中。
11.进一步地，所述备用控制器中程序执行时仅执行用户输入的程序的第一段。
12.进一步地，在程序整体运行时存在一个mast对其进行扫描，所述扫描所需花费的扫描时间t为：扫描时间t》冗余热备系统开销时间t1+程序执行时间t2。
13.本发明提供一种工控领域plc系统热备冗余控制系统及方法，有效地解决了现有技术中由于主控制器发生故障从而导致系统整体停止运作的问题。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
15.图1为本发明提供一种工控领域plc系统热备冗余控制系统及方法的方法流程图；图2为本发明提供一种工控领域plc系统热备冗余控制系统及方法的系统模块结构图。
具体实施方式
16.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.以下结合附图对本发明的实施方法进行详细说明，所描述的仅为部分实施例，并非全部实施例，为了清楚的目的，在附图及说明中省略了与本发明无关的表示及描述。
18.为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
19.如图2所示，本发明提供一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，包括主控制器、备用控制器；其中，主控制器与备用控制器之间通过光缆通信。
20.其中，主控制器包括：程序输入模块、冗余热备系统开销模块、程序执行模块、数据存储及交换模块、程序输出模块；所述程序通过程序输入模块进入主控制器内，经由冗余热备系统开销模块处理后由程序执行模块执行后由程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入数据存储及交换模块。
21.备用控制器包括：程序输入模块、冗余热备系统开销模块、程序执行模块、数据存储及交换模块、程序输出模块；所述程序通过程序输入模块进入主控制器内，经由冗余热备系统开销模块处理后由程序执行模块执行输入程序的第一段后由程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入数据存储及交换模块。
22.如图1所示，一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，包括以下步骤：s1.读取输入信息；s2.处理输入信息中无需同步的非冗余部分；s3.执行冗余部分；s4.输出信息。
23.其中，主控制器还包括一个与备用控制器之间的数据传输步骤：分析从备用控制器中获取的备用状态信息，并在执行完冗余部分后将冗余备份的数据复制到备用控制器的cpu中。
24.备用控制器还包括一个与主控制器之间的数据传输步骤：分析从主控制器中获取
的主状态信息，并在执行完冗余部分后将备用系统信息复制到主控制器的cpu中。其中程序执行时仅执行输入程序的第一段。
25.主控制器首先读入输入信息，然后先处理不需要同步的非冗余程序，再分析从备用cpu中获取的备用状态信息，从这些备用状态信息中可以得知备用控制器此时的运行状态，存储空间等数据，从而执行冗余部分相关操作，并且将需要冗余备份的数据复制到备用cpu中，最终主控制器完成信息输出并进入下一循环周期。备用控制器在和主控制器统一周期内的运行流程基本一致，同样是先读取输入信息，然后先处理不需要同步的非冗余程序，接着再分析从主控制器中获取的信息，不过备用控制器在分析获取的数据后不做处理操作，只是将自身的信息复制给主控制器，最终完成输出进入下一循环周期。
26.主控制器和备用控制器之间通过光缆通信，从而完成数据传递。主控制器的状态ram中的变量和非定位性变量需要实时传递到备用控制器中，保证主控制器和备用控制器的输入输出状态一致。其余非传送区的数据，如模块配置相关数据等则不需要传送到备用控制器。网络扫描（主控制器与备用控制器之间的通信）在2个控制器之间交换数据，且与应用程序并行运行。主控制器进入输入驱动程序后会先完成冗余热备系统的开销，冗余热备系统开销时间由数据库大小决定。之后主控制器进入应用程序执行阶段，此时同步进行与备用控制器之间的数据传输，最后完成输出驱动程序。备用控制器同样进行相关操作，不同的是备用控制器在应用程序执行时仅执行第一段，即输入采样阶段。上述流程如图2所示，扫描时间t＞冗余热备系统开销时间t1+应用程序执行时间t2，并且扫描时间要大于数据交换时间，这样整个冗余热备系统才能稳定运行。
27.本发明可以保证整个plc系统长期稳定运行，即使在主控制器出现故障时，也能及时切换到备用控制器上，并且保持整个plc系统输入输出状态不变，不会因为主控制器故障导致plc系统停止运行。可应用于核电厂安全级数字化仪控系统或工业其他控制行业实现控制系统长期稳定运行。在核电站或工厂布置plc控制系统时，首先考虑冗余热备配置，使用两套控制器（主控制器和备用控制器），当热备cpu是空时，程序第一时间自动下载到热备plc中，且热备cpu中没有配置，无需另加编程工具，无需任何手动操作。
28.冗余系统在结构上既可以采用2套完整的plc控制系统，又可以将一个机架分为2个区域，并安装2套模块（包括cpu、i/o等）。2个cpu之间用光缆连接，并通过plc的切换指令实现工作系统与备用系统之间的切换。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，其特征在于，包括主控制器、备用控制器；其中，主控制器与备用控制器之间通过光缆通信。2.根据权利要求1所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，其特征在于，所述主控制器包括：主程序输入模块、主冗余热备系统开销模块、主程序执行模块、主数据存储及交换模块、主程序输出模块；所述程序通过主程序输入模块进入主控制器内，经由主冗余热备系统开销模块处理后由主程序执行模块执行后由主程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入主数据存储及交换模块。3.根据权利要求1所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，其特征在于，所述备用控制器包括：备用程序输入模块、备用冗余热备系统开销模块、备用程序执行模块、备用数据存储及交换模块、备用程序输出模块；所述程序通过备用程序输入模块进入备用控制器内，经由备用冗余热备系统开销模块处理后由备用程序执行模块执行输入程序的第一段后由备用程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入备用数据存储及交换模块。4.一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制系统，其特征在于，包括以下步骤：s1.读取输入信息；s2.处理输入信息中无需同步的非冗余部分；s3.执行冗余部分；s4.输出信息。5.根据权利要求4所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，其特征在于，所述主控制器还包括一个与备用控制器之间的数据传输步骤：分析从备用控制器中获取的备用状态信息，并在执行完冗余部分后将冗余备份的数据复制到备用控制器的cpu中。6.根据权利要求4所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，其特征在于，所述备用控制器还包括一个与主控制器之间的数据传输步骤：分析从主控制器中获取的主状态信息，并在执行完冗余部分后将备用系统信息复制到主控制器的cpu中。7.根据权利要求6所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，其特征在于，所述备用控制器中程序执行时仅执行用户输入的程序的第一段。8.根据权利要求4所述的一种工控领域plc系统热备冗余控制方法，其特征在于，在程序整体运行时存在一个mast对其进行扫描，所述扫描所需花费的扫描时间t为：扫描时间t>冗余热备系统开销时间t1+程序执行时间t2。

技术总结
本发明公开了一种工控领域PLC系统热备冗余控制系统及方法，包括主控制器、备用控制器；其中，主控制器与备用控制器之间通过光缆通信；主控制器包括：程序输入模块、冗余热备系统开销模块、程序执行模块、数据存储及交换模块、程序输出模块；所述程序通过程序输入模块进入主控制器内，经由冗余热备系统开销模块处理后由程序执行模块执行后由程序输出模块输出，所述程序执行后的数据存入数据存储及交换模块。包括以下步骤：S1.读取输入信息；S2.处理输入信息中无需同步的非冗余部分；S3.执行冗余部分；S4.输出信息。本发明有效地解决了现有技术中由于主控制器发生故障从而导致系统整体停止运作的问题。止运作的问题。止运作的问题。


技术研发人员：梁建 周亮 吴南贵 蒋涛 谭青松 李磊 张凯 张宪文 李清河
受保护的技术使用者：成都天核科技有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/9