OPTO22控制系统热备技术研究

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.05.021 第24卷第5期 北京科技大学学报 VoL.24 No.5 2002年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2002 0PT022控制系统热备技术研究 刘江王长松 田瑞博黄效国 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要为使OPT022控制系统实现控制器热备份，需要解决主控制器与备份控制器之间的 连接组织、数据交换、故障识别和自动切换等一系列问题.根据实践提出解决方案，对OPTO22 控制系统的热备过程应注意的几个问题提出了解决方法并进行了分析. 关键词热备；控制器；智能板 分类号TP278 OPTO22 SNAP I/O控制系统是美国 须采取一定的措施，或手动干预，或自动干预， OPTO22公司1996年推出的一个基于PC的分 使被控制的设备仍然能正常工作.在这样的控 布式/O控制系统，主要应用于工业自动化控 制系统中，一般配备两台控制器，一台称为主控 制领域.它提供了一个功能强大的软硬件开发 制器，另一台称为备份控制器.在正常情况下， 平台，用户可根据需要灵活组成从几点到几十 控制系统使用主控制器进行控制，当出现意外 万点的控制系统.该系统既采用上下位机方式， 情况，主控制器不能正常工作时，则系统自动启 又在现场采用多级CPU控制处理（控制器采用 动备份控制器代替主控制器进行控制.通常把 了32位的68000系列CPU,智能板采用 这一过程称为热备过程凹在OPTO22产品附带 80C196CPU),各IVO模块对输入输出信号能提 的FACTORY FLOOR软件平台中，系统没有提 供4kV的隔离，所以系统的实时性、可靠性、灵 供控制器自动切换的热备功能，需要用户自己 活性是其他系统难以比拟的. 开发热备功能 Opto22SNAP系统由工控机、控制器、智能 板，/O模块组成，控制器之间及智能板之间提 2解决方法 供串行、并行及以太网通讯，可采用Optomux 2.1组织主控制器与备份控制器 (tm)、Pamux(tm)、Mistic(tm)通讯协议，所有I/O 在热备的控制系统中，主控制器与备份控 控制模块终身保用.Opto22的产品虽然功能强 制器的连接与组织是首先面临的问题.它决定 大、灵活方便，但其随机附带的FACTORY FLO- 着主备控制器数据的传输方式，这里给出两种 OR软件仍有待进一步完善.为此本文针对热备 连接组织方式) 问题进行讨论 (I)Ethernet方式.系统的主控制器和备份 1热备问题的提出 控制器通过HUB与工控计算机相连.主控制器 的两根RS485控制线与数字量智能板(B1)的常 在一些重要的控制场合，需要控制器长期 闭节点模块ODC5R5相连，从ODC5R5模块引 连续工作，不允许出现丝毫问题.例如在热电 出的控制线与智能板(B1,B2,)的信号输人端相 厂、钢铁厂的锅炉仪表控制中，如果控制器出现 连.备份控制器的两根RS485控制线与数字量 问题，锅炉不能正常工作，则不能向各个车间提 智能板(B1)的常开节点模块ODC5R相连，从 供蒸汽，从而影响各个车间的正常生产，有时甚 ODC5R模块引出的控线再与智能板(B1,B2, 至出现生产事故.控制器一旦不能正常工作，必 …)的信号输入端相连.这样，可以通过控制常 收稿日期200105-21刘江男，32岁，讲师 开、常闭节点来控制主、备控制器与智能板的通

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 一 。 控制 系统热备技术研究 刘 江 王 长松 田 瑞博 黄效 国 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 摘 要 为使 控制系统实现控制器热备份 ， 需要解决主控制器与备份控制器之间 的 连接组织 、 数据交换 、 故障识别和 自动切换等一 系列 问题 根据实践提 出解决方案 ， 对 控制 系统 的热备过程应 注意 的几个问题提 出了解决方法并进行 了分析 关 键词 热备 控制器 智能板 分类号 控 制 系 统 是 美 国 公司 年推 出 的一个基于 的分 布式 控制系统 ， 主要应用 于 工业 自动化控 制领域 它提供 了一个功 能强 大 的软硬件开 发 平 台 ， 用 户可 根据需要灵活 组成从几点到几十 万点 的控制系统 该系统既采用 上 下位机方式 ， 又 在现场采用 多 级 控制处理 控制器采用 了 位 的 系 列 ， 智 能 板 采 用 ， 各 模块对输人输 出信号能提 供 的 隔离 ， 所 以 系统 的 实 时性 、 可 靠性 、 灵 活性是其他 系统难 以 比拟 的 系统 由工 控机 、 控制器 、 智能 板 、 模块组成 ， 控制器之间及智能板之间提 供 串行 、 并行及 以太 网通讯 ， 可 采用 、 、 通讯协议 ， 所有 控制模块终身保用 的产品 虽 然 功 能强 大 、 灵活 方便 ， 但其随机 附带 的 软件仍有待进一步完善 为此本文针对热备 问题进 行讨论 须采取一定 的措施 ， 或手动 干 预 ， 或 自动干 预 ， 使被控制 的设备仍然能正 常工作 在这样 的控 制系统 中 ， 一般配备两 台控制器 ， 一 台称为主控 制器 ， 另 一 台称为备份控制器 在正 常情况 下 ， 控制 系统使用 主控制器进行控制 当出现意外 情况 ， 主控制器不能正常工作时 ， 则 系统 自动启 动备份控制器代替主控制器进行控制 通 常把 这一过程称 为热备过程 在 产品 附带 的 软件平台 中 ， 系统没有提 供控制器 自动切 换 的热备功 能 ， 需要 用 户 自己 开发热备功能 热备 问题的提出 在一 些重要 的控制场合 ， 需要 控制器长期 连续工作 ， 不 允许 出现丝毫 问题 例如在热 电 厂 、 钢铁厂 的锅炉 仪表控制 中 ， 如果控制器 出现 问题 ， 锅炉不能正 常工作 ， 则不能 向各个车间提 供蒸汽 ， 从而影 响各个车间 的正 常生产 ， 有时甚 至 出现生产事故 控制器一 旦不能正常工作 ， 必 收稿 日期 刁 一 刘 江 男 ， 咒 岁 ， 讲师 解决方法 组织主控制器与备份控制器 在热备的控制系统 中 ， 主 控制器与备份控 制器 的连 接与组织 是首先面 临 的问题 它决定 着 主备控制器数据 的传输方式 这里 给 出两 种 连接组 织 方式 〔， 方式 系统 的 主控制器 和 备份 控制器通 过 与工控计算机相连 主 控制器 的两根 控制线 与数字量智能板 的常 闭节点模块 相 连 ， 从 模块弓 出的控制线与智能板 ， ，… 的信号输人端相 连 备份控制器 的两 根 控制线与数字量 智能板 的常开节 点模块 相连 ， 从 模块 引 出的控制线再与智能板 ， ， … 的信号 输人端相 连 这样 ， 可 以通过控制常 开 、 常闭节点来控制主 、 备控制器与智能板 的通 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．05．021

Vol.24 刘江等：OPTO22控制系统热备技术研究 ·561▣ 讯.另外，主控制器与备份控制器的通讯是通过 2.3主控制器与备份控制器之间进行数据传输 Ethernet方式进行的（见图l). 主控制与备份控制器之间数据传输也是热 备的一个主要问题.热备时系统需要不断从主 工控计算机 控制器将一些重要的设定数据和运行数据传输 100 MHub 到备份控制器.只有这样，在启用备份控制器 时，系统才能继续正常工作，实现无扰动切换； 主控制器 备份控制器 否则，由于设定数据和运行数据的突变，可能引 起系统的突变，造成难以预料的后果 B2 在用OPTO22进行主备控制器数据传输时， ODC5R 首先通过检测控制器的标识，判断控制器是否 工作正常.若正常，则向备份控制器发送系统控 ODC5R5 ODC5R 制数据；若不正常，待控制器回复正常后，作为 ODCSR5 备份控制器，接受来自主控制器（另一个控制 器)的数据.不论发送、接收，都可以采用两种不 同的方法：Ethernet传输数据方法和通过RS232 图I Ethernet方式热备系统组织图 串口传送数据的方法， Fig.I Organization of automatic backup in the way of eth- 下面分别对两种方式传输数据时应注意的 ernet 问题加以讨论. (2)RS232方式.RS232方式的系统组织图 (l)Ethernet传输数据.主备控制器用Ether- 基本与Ethernet方式的组织图相同.不同之处在 net传输数据时，首先应在传输数据端创建Ses- 于主、备控制器之间增加了RS232通讯线，主、 sion会话，然后用数组进行传输.数组一次最多 备控制器之间的通讯是通过RS232串口进行w, 可以传送32个浮点数或整形数.若要传送数据 2.2检测主控制器是否正常工作 多于32个，可以分为几个数组进行传输.每个 检测控制器是否正常工作，是面临的第二 数组在传输前应先传送一个数组标识字.接收 个问题.对于这个问题笔者是这样处理的：控制 方接收数据时，应先承认传输数据端创建Ses- 器正常工作时，它与智能板之间保持定时的通 sion会话，通过Session会话接收数据.接收数据 讯；在设计系统策略时，使系统在运行过程中不 时，先接收数组标识字，然后接收相应的数组. 断地检查控制器与智能板之间的通讯是否正 (2)通过RS232串口进行数据传输.主备控 常；一旦智能板收不到控制器的信号，则判断控 制器通过RS232串口传输数据时，首先应注意 制器出现异常，将主控制器与智能板的通讯通 使用正确的跳线来设置串口的传输速率.用数 道切断，启用备份控制器与智能板进行通讯.检 组进行数据传输.数组一次最多可以传送32个 测通讯异常的流程图见图2. 浮点数或整形数.若要传送数据多于32个，可 以分为几个数组进行传输，每个数组在传输前 开始 应先传送一个数组标识字.接收方接收数据时， 先接收数组标识字，然后接收相应的数组 智能板B1工作是否正常？ 标识控制器异常 以上两种方式在传输数据和接收数据时， 是 都应加上适当的延时.若传送数据的间隔时 初始化各个智能板 间太短，接收端可能出现乱码，或丢失数据的 问题. 标识控制器正常 2.4主控制器与备份控制器进行切换 一旦系统检测出异常，需要将控制权从主 <智能板B1工作是否正常？是 控制切换到备份控制器.在正常情况下，将主控 制器的输出信号连接到数字量智能(B1)板的常 图2检测系统异常流程图 闭节点/O模块上，将备份控制器的输出信号 Fig.2 Chart of inspection system abnormity

】 一 刘 江 等 控 制 系统 热 备 技术 研 究 讯 另外 ， 主控制器与备份控制器的通讯是通过 方式进行 的 见 图 图 方式热 备系统组织 图 让 方式 方式 的 系统组织 图 基本与 方式 的组织 图相 同 不 同之处在 于 主 、 备控制器之 间增 加 了 通讯线 ， 主 、 备控制器之间 的通讯是通过 串 口 进行 ‘， 检测主控制器是否正 常工作 检测 控制器是否 正 常工作 ， 是 面 临 的第二 个 问题 对 于 这个 问题笔者是这样处理 的 控制 器正 常工 作 时 ， 它 与智能板之 间保持 定 时 的通 讯 在设计系统策略时 ， 使系统在运行过程 中不 断地 检查 控 制器 与智 能板 之 间 的通 讯 是 否 正 常 一旦 智能板收不到控制器 的信号 ， 则 判 断控 制器 出现异 常 ， 将 主控制器 与智能板 的通 讯通 道 切 断 ， 启用 备份控制器与智能板进行通讯 检 测 通讯异 常 的流 程 图见 图 标识控制器异常 初始化各个智能板 标识控制器 正常 图 检 测 系统 异常流 程 图 ， 主控制器与备份控制器之 间进行数据传输 主控制 与备份控制器之 间数据传输也是热 备 的一个 主 要 问题 热备时 系统需要不 断从 主 控制 器将一些 重要 的设定数据和 运行数据传输 到备份控制 器 只 有这 样 ， 在 启用 备份控制器 时 ， 系统才能继续正 常工 作 ， 实现无扰动切 换 否则 ， 由于设定数据 和 运行数据 的突变 ， 可 能 引 起 系统 的突变 ， 造成难 以 预 料 的后 果 在用 进行 主备控制 器数据传输时 ， 首先通 过检测 控制 器 的标识 ， 判 断控制器是 否 工作正 常 若正 常 ， 则 向备份控制器发送系统控 制数据 若不 正 常 ， 待控 制器 回复正 常后 ， 作为 备份控 制器 ， 接 受来 自主控制器 另 一个控制 器 的数据 不 论发送 、 接收 ， 都可 以采 用 两种 不 同的方 法 传输数据方法 和 通过 串 口 传送数据 的方法 下 面分别对两种方式传输数据时应注 意的 问题加 以讨论 传输数据 主 备控制 器用 传输数据 时 ， 首先应 在 传输数据端创 建 会话 ， 然 后 用 数组 进行传输 数组一次 最 多 可 以传送 个 浮点数或 整形 数 若要传送数据 多 于 犯 个 ， 可 以 分为几个数组 进行传输 每个 数组 在传输前应先传送一 个数组标识字 接 收 方接 收数据 时 ， 应先 承认传输数据端创建 会话 ， 通 过 会话接收数据 接收数据 时 ， 先接收数组 标识字 ， 然 后 接 收相 应 的数组 通 过 串 口 进 行数据传输 主备控 制器通 过 串 口 传输数据时 ， 首 先应 注 意 使用 正 确 的跳线来设置 串 口 的传输速率 用 数 组进行 数据传输 数组 一 次最 多可 以传送 个 浮 点数或 整 形 数 若要 传送数据 多 于 个 ， 可 以 分为几个数组 进 行传输 每个数组在传输前 应 先传送一个数组标识字 接收方接收数据时 ， 先接收数组 标识字 ， 然后 接 收相 应 的数组 以 两 种 方式 在 传输数据 和 接 收 数据 时 ， 都 应 加 上 适 当 的延 时 若 传 送 数 据 的 间 隔 时 间 太短 ， 接 收端可 能 出现乱码 ， 或 丢失 数据 的 问题 主控制器与备份控制器进行切换 一旦 系统 检测 出异 常 ， 需 要将控制权从 主 控制切换到备份控制器 在正常情况下 ， 将 主控 制 器 的输 出信号 连接到数字量智能 板 的常 闭节 点 模块 上 ， 将备份控制 器 的输 出信号

·562· 北京科技大学·学·报 2002年第5期 连接到数字量智能板(B1)的常开节点VO模块 3 结论 上.当系统出现异常时，触发数字量智能板(B1) 上的watchdog事件，该事件的执行，使得过去的 由于OPTO22控制系统软件FACTORY 常开节点闭合，常闭节点打开，从而切断主控制 FLOOR不包括控制器热备的模块，所以需用户 器的通讯通道，打开备份控制器的通讯通道.具 自己开发热备功能.处理控制器热备时主要应 体实现的步骤为： 处理的问题有，合理选择主控制器与备份控制 (I)设置数字量智能板(B1)的watchdog时 器的连接方式，正确检测主控制器是否正常工 间，通常为1s或0.5s. 作，选择适当的方法处理主控制与备份控制器 (2)打开主控制器上的控制策略，将数字量 之间数据传输问题，合理的处理主控制器与备 智能板(B1)上与主控制器相连的常闭节点I/O 份控制器之间的切换问题.正确合理地处理以 模块的watchdog置为on,将与备份控制器相连 上问题，即可开发出适合于用户控制系统的热 的常开节点I/O模块的watchdog也置为on. 备功能 (③)打开备份控制器上的控制策略，将数字 参考文献 量智能板(B1)上与主控制器相连的常闭I/O模 1张亮明，夏桂娟.工业锅炉热工检测与过程控制M 块的watchdog置为of,将与备份控制器相连得 天津：天津大学出版社，1992 常开I/O模块的watchdog也置为off.这样通过 2刘三山，万曼影.以太网与现场总线的混合网络设 数字量智能板(Bl)上I/O模块watchdog的正确 计[切.自动化与仪表，2001,16(6)：15 设定，可在控制器发生故障时实现硬件自动切 3林铭锻，吴安定.以太网在小型控制系统中的应用 [.自动化仪表，2001,22(6)：34 换，与前述通过软件对数据传输的判断与切换 4高福样，张君.接口技术M)沈阳：东北大学出版社， 相配合，才能够稳妥地进行主控制器与备份控 1999 制器在故障情况下的自动相互切换，实现热备 5符彦惟，朱正伟.工业现场的数据通信[】.自动化仪 功能. 表，2001,22(12)：38 Research on Automatic Backup of OPTO22 Control System LIU Jang,WANG Changsong,TIAN Reibo,HUANG Xiaoguo Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In order to perform the function of automatic backup of the OPTO22 control system,a series of problems,including the linking between the main and backup controllers,their data exchange,recognition of system failure and their automatic interchange,must be resolved.A solution scheme is put forward based on problems in practice. KEY WORDS automatic backup;controller;brick

北 京 科 技 大 学 · 学 ’ 报 年 第 期 连接到数字量智能板 的常开节点 模块 上 当系统 出现异常时 ， 触发数字量智能板 上的 事件 ， 该事件 的执行 ， 使得过去 的 常开节点闭合 ， 常闭节点打开 ，从而切断主控制 器的通讯通道 ， 打开备份控制器的通讯通道 具 体实现 的步骤为 设置数字量智能板 的 时 间 ，通 常为 或 打开 主控制器上 的控制 策略 ， 将数字量 智能板 上与主控制器相连 的常闭节 点 模块 的 置为 ， 将 与备份控制器相连 的常开 节点 模块 的 也置为 打开备份控制器上 的控制策略 ， 将数字 量智能板 上 与主控制器相 连 的 常闭 模 块 的 置 为 ， 将与备份控制器相 连得 常开 模块 的 也置为 这样通过 数字量 智能板 上 模块 的正确 设定 ， 可 在控制器发生 故 障时实现硬件 自动切 换 ， 与前述通过软件对数据传输 的判 断与切 换 相 配合 ， 才能够稳 妥地 进行 主控制器与备份控 制器在故障情况下 的 自动相互切换 ， 实现热备 功 能 结论 由 于 控 制 系 统 软 件 队 不包括控制器热备 的模块 ， 所 以需用户 自己 开发热备功 能 处理控制器热备时 主 要应 处理 的 问题有 ， 合理选择 主控 制器与备份控制 器 的连接方式 ， 正确检测 主控制器是否 正 常工 作 ， 选择适 当的方法处理主控制 与备份控制器 之间数据传输 问题 ， 合理 的处理 主控制器与备 份控制器之间 的切 换 问题 正 确合理地处理 以 上 问题 ， 即可 开发 出适合于用 户控制 系统 的热 备功 能 参 考 文 献 张亮 明 ， 夏桂娟 工业锅 炉热工检测 与过程控制 天 津 天 津大学 出版社 ， 刘 三 山 ， 万 曼影 以太 网与现场总线 的混合网络设 计 自动化 与仪表 ， ， 林铭锻 ， 吴安定 以太 网在小型控制系统 中的应用 · 自动化仪表 ， ， 高福祥 ， 张君 接 口 技术 沈 阳 东北大学 出版社 ， 符彦惟 ， 朱正伟 工业 现场的数据通信 自动化仪 表 ， ， ， 恻刃 口， 汉 ’ ， 。 ， ， ， 证 ， 歹 ， ， 】