DCS操控器中选用ARM处理器的冗余方案

2017-04-25 12:53分类：PLC基础知识阅读：

在主动化的很多范畴，有用性的恳求越来越高，因而对主动化体系的容错水平的恳求也变得越来越高，格外在设备停机价值十分大的场合。为了满意这些严峻的恳求，在dcs体系中一般选用冗余技能，这么才调够满意这些范畴所需求的安全性、牢靠性和有用性的规范。

在DCS操控体系中，散布处理单元是体系要害的有些。其时这些散布处理单元的操控器一般是根据86系列CPU建构的，这种架构如今被广泛选用。可是因为86系列散布处理单元的特征，致使如今的操控器处理单元存在很多的缺陷，如放热量大等。并且在关闭的环境中，这些疑问一贯很难处理。跟着很多低功耗技能的翻开和低功耗操控器的呈现，散布处理单元的CPU能够有更多的挑选，格外是低功耗的操控器发作很少的热量，且能够使体系的集成度更高。

不论是国内仍是国外的DCS操控体系之间有多大差异，冗余技能在这些DCS操控体系中都被广泛选用。DCS操控体系中首要选用了网络冗余技能、散布处理单元冗余技能、IO卡件冗余技能、电源冗余技能等。

1、DCS体系的模型

DCS操控体系是操控技能、核算机技能、通讯技能及图形闪现技能相联络的商品，其一般的体系构造见图1。由图1DCS操控体系模型框图可知，DPU指的是散布处理单元。DCS操控体系的体系构造分为3层：进程操控层、监控层和处理层。其间进程操控层是DCS体系操控的根底，其设备的首要功用是操控接口、现场操控单元、查看外表和施行安排；监控层首要由监控核算机、高档操作站和接口设备构成，首要担任操作监督、体系报警、趋势闪现及体系确诊等功用；处理层首要由处理核算安排成，担任悉数体系的处理作业。

DCS操控体系的冗余设置大有些都与进程操控层和监控层有关，因而大有些的冗余技能都与进程操控层有关。下面联络最新的根据ARM操控器的散布式处理单元，对DCS操控体系中选用的冗余技能中的散布处理单元冗余和网络冗余进行谈论。

2、根据ARM的散布处理单元构造

根据ARM的散布处理单元的构造框图见图2，这和一般的散布处理单元的构造十分类似。这儿首要把处理单元分为6有些：ARM操控器、上层网络模块、电源处理模块、存储器模块、低层网络模块和时钟模块。ARM操控器和存储模块构成了最根柢的嵌入式体系，悉数DCS操控体系的数据处理和操控战略都是在这儿处理的。上层网络模块首要是指和处理层通讯的主/冗余网络和一个结束主/冗余散布处理单元进行数据交流的网络，这有些的首要功用是结束处理层对DCS操控体系的实时查看和结束主/冗余散布处理单元的数据冗余。底层的网络模块是由分为主次的2条485网络构成，此模块首要结束ARM操控器的I/O卡件之间的数据通讯。存储器模块可分为两有些，一有些用来处理寄存操作体系，另一有些用来处理寄存实时数据。电源模块和时钟模块别离结束电源的处理和时钟的处理。

3、操控器冗余

散布式处理单元的冗余根据冗余度能够分为冗余度为1∶1和1∶n两种情况。这在每个DCS厂家的商品中是纷歧样的。这两种办法各有优缺陷。这儿介绍的是冗余度为1∶1的冗余设置。

散布处理单元冗余度为1∶1，就是将2块组态彻底一样的操控器设置成冗余办法。在投入作业时，若呈现缺陷，两散布处理单元之间能结束无扰动切换，确保体系的正常作业。

本体系所选用的散布处理单元均带3个网络接口，其间2个网口别离联接到A网和B网，结束各作业站点间的数据通讯，第3个网口经过对等网数据联接子散布处理单元间（对等网数据现可选用光纤作传输介质），用来传输主、从散布处理单元之间的备份数据；散布处理单元之间的情况信息由串口传输。冗余散布处理单元与网络的联接见图3。

冗余散布处理单元的作业原理：两个散布处理单元硬件配备彻底一样，内部装有一样的操作体系，一样的组态软件，一样的组态信息。在同一时刻只需1个散布处理单元经过双机交流卡承受进程信息并进行运算处理，终究发作操控构造去操控进程设备，此散布处理单元称为主散布处理单元。一同冗余散布处理单元并没有放置，它在每一个作业周期都经过双机之间的光纤对主散布处理单元所承受的进程信息和运算效果进行实时仿制，这么冗余散布处理单元一贯与主散布处理单元同步。冗余散布处理单元一同查看仿制的信息是不是无缺，是不是在所容许的容错度内。一旦信息不无缺或报错，则阐明主散布处理单元作业不正常。在这种情况下，冗余散布处理单元经过光纤将主散布处理单元旁路，一同切换为主散布处理单元持续作业。切换时刻选用最短的运算周期（几十ms或更短），然后结束无扰动切换。比及主散布处理单元康复正常后，冗余散布处理单元主动把操控权交还给主散布处理单元，转为冗余备份情况。

从图3中可看出双散布处理单元裁决电路作业原理为将散布处理单元各自自身之确诊效果加到裁决电路上，并读取相应的裁决效果，以判定自身之主辅情况。经过编程，判定各情况的优先级，因为双散布处理单元均根据裁决之效决判定各自之主辅情况，故只需裁决效果改动了，双散布处理单元则主动进行切换。

4、网络冗余

在DCS操控体系中起码存在2个网络，一个是处理层和操控层之间的通讯网络，另一个是进程操控层与底层I/O卡件层之间的485通讯网络。上层网络首要的效果是结束处理层对操控层实时查看，和对底层操控器的配备设置等使命。底层网络是为了把I/O卡件搜集的数据传送到进程操控层，然后把操控层的操控数据传送给I/O卡件。这2个网络在DCS操控体系中的首要性是了解了解的。

关于上层网络模块的冗余，当今的工业主动化范畴呈现了各式各样的支撑链路冗余功用的工业以太网交流机，它们处理了由节点缺陷致使网络瘫痪的疑问。为跋涉数据通讯的全体牢靠性和容错性，本DCS操控体系也选用环形的网络拓补构造。可是因为环形网自身固有的缺陷是节点缺陷致使全网缺陷，因而数据通讯链路的冗余技能应运而生。为了确保2层网络的顺畅作业，2个网络都选用1∶1的冗余设置。散布处理单元查看到主网呈现缺陷时，主动扔掉从主网的端口通讯，一同启用冗余网的端口，将数据转由冗余网发送和承受。此刻冗余网进入数据通讯情况，主网及时进行修补。双环网技能结束了传输前语的冗余，在TurboRing的根底跋涉一步跋涉了体系的牢靠性。但双环网的处理和切换都比照凌乱，本体系选用了一种简略的办法。

关于网络上的每1个节点，或许处于下述5种情况之一：

（1）在线联网作业，体系最稀有2个节点在作业；（2）在线单机作业，体系只需本地节点在作业；（3）离线单机作业，此节点的网卡存在且正常、但没有上网；（4）离线单机作业，此节点的网卡存在，但呈现缺陷；（5）离线单机作业，此节点不存在网卡。

如今的网络操控器都供应了指令、确诊、配备和情况寄存器，经过读写这些寄存器，便能够差异上述5种情况。当体系作业时，各种要素都或许存在，为了在线反映网络各节点的作业情况，每个节点能够设置一张网络情况表，记载各节点上每块网卡的作业情况。当某节点上1块或2块网卡的情况改动时，别的节点应能在尽或许短的时刻内知道。为此，每个节点的2块网卡需求守时播送1个查验包，标明该节点的网卡存在。别的节点收到此包时，批改网络情况表中此节点上相应网卡的情况。可是在作业进程中，假定某节点的1块网卡离线，它将既不能接纳、也不能发送。而在此之前，它已在别的节点的网络情况表上挂号了，别的节点将以为该网卡存在且正常，显着没有反映网卡作业的实在情况。为了精确反映网卡的情况，每个节点的2块网卡守时播送查验包的一同，将本节点的网络情况表中悉数网卡情况计数加1，直到最大值LIMIT。每逢收到某节点的查验包时，将该节点相应网卡的情况计数清为0。这么，确保情况数小于最大值LIMIT和守时播送周期就能够在线实时监督网络的作业，精确反映节点地址的情况。在2个网络之间还能够增加具有路由功用的网间传输设备，当2个网络一同呈现缺陷时，网间传输设备也能主动寻觅可行途径，构成1个环路，坚持体系的正常通讯。

关于查验包的播送，只需本节点上的网卡在线作业，即从相应的链路发送，查验包发送结束往后，根据网络情况表，能够挑选一条正常作业的节点数较少的，负荷较轻的链路，用于数据包发送。双网的作业流程见图4。