一种基于MAC的PLC双机冗余方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MAC的PLC双机冗余方法及系统。该方法用于组成PLC双机冗余系统，冗余双方为两个完全相同的PLC控制器，并带有专用的MAC控制器作为冗余通信的数据收发器。冗余系统的两个控制器工作于冗余主机或冗余备机模式，只有冗余主机运行用户逻辑并正常刷新I/O数据，同时将逻辑运行的过程数据通过冗余通信同步到备机，冗余备机时刻监视主机的运行状态，并随时准备接管主机的工作。本发明专利技术避免了高可靠PLC双机冗余系统对于控制器具有独立专用冗余通信模块的苛刻要求，直接使用MAC作为冗余通信的数据收发器，省却了上层以太网协议栈，降低了冗余系统的构建成本，提高了冗余通信的实时性，增强了冗余系统的灵活性，也保证了冗余系统的便利性。

PLC dual computer redundancy method and system based on MAC

The invention discloses a method and a system for dual redundancy of PLC based on MAC. The method is used to make up the PLC dual computer redundancy system, which is composed of two identical PLC controllers, and a dedicated MAC controller is used as the data transceiver. Two controller redundant system in redundancy or redundant standby mode, only the redundant host running user logic and normal refresh I/O data, and the process of data logical operation by redundant communication synchronization to the standby machine, the running state of redundant standby time monitoring host, and ready to take over the work of host. The invention avoids the stringent requirements of high reliability of PLC redundancy system with independent communication module for special redundant controller, the direct use of MAC as a data transceiver redundant communication, save the Ethernet protocol stack, reduces the cost of constructing a redundant system, improve the real-time redundant communication, enhance the flexibility of the system can ensure redundancy. The convenience of the redundant system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业控制自动化
，尤其涉及一种基于MAC的PLC双机冗余方法及系统。
技术介绍
可编程逻辑控制器(PLC)在工业控制自动化领域有着及其重要的作用，特别是在控制工艺流程比较复杂、被控对象种类数量较多的过程控制系统中，以通用PLC为核心搭建控制系统比专用控制器方式具有更强的灵活性、适用性和扩展性。PLC作为控制系统的核心控制单元，其可靠性直接关系到整个控制系统的安全性和稳定性，因此为了提高控制系统的健壮性，首先要提高PLC的健壮性，而在提升PLC本身健壮性的同时，引入PLC双机冗余机制可以极大地改善控制系统的整体可靠性。相比于单纯提升PLC本身可靠性的方式，PLC双机冗余方式可以达到若主PLC异常故障、则备PLC接管整个控制系统、并无扰继续运行控制逻辑的目标，从而使整个控制系统最大限度地消除异常故障的影响，将控制系统的可用性提高了一个数量级。目前在控制系统中PLC双机冗余技术主要有基于PLC站间通信的软冗余技术和基于专用冗余通信模块的硬冗余技术。前者需要用户编写带有冗余功能的控制逻辑，并全程参与冗余的故障诊断判决和状态切换，对用户的要求较高，且由于没有专用的冗余通信通道，冗余的数据同步和状态切换带有很大的滞后性。基于专用冗余通信模块的硬冗余技术具有专用的冗余通信通道，可以有效地提升数据同步和状态切换的实时性，但是其成本较高、且不易于维护，只能应用到一些投入成本较高、对可靠性极为敏感的控制系统之中，这极大地限制了这种冗余技术的应用和普及。为了克服PLC软冗余方式中用户工程和冗余技术的紧耦合和冗余处理迟滞问题，以及硬冗余技术中成本高、维护困难的问题，需要开发一种摆脱专用冗余通信模块限制的PLC双机冗余技术，无需用户参与冗余数据同步、故障诊断判决和状态切换，灵活地实现高可靠、高健壮性的PLC双机冗余功能，降低PLC双机冗余控制系统的构建成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于MAC的PLC双机冗余方法及系统，采用MAC作为冗余通信收发器的方式，由完全相同的冗余主机和冗余备机组成双机冗余系统。冗余系统无需专用的冗余通信模块，也无需使用高层级以太网协议栈；冗余系统提供完全独立于用户逻辑的冗余通信、故障诊断判决和状态切换机制，无需用户参与冗余系统具体实现，对用户水平没有较高的要求；面向工业控制自动化系统的高可靠应用需求，能够提供便捷、灵活、高效、低成本、易于维护的PLC双机冗余功能。为达到上述目的，根据专利技术的一方面，提出了一种基于MAC的PLC双机冗余方法，所述PLC双机冗余方法的双方为冗余主机和冗余备机，冗余双方内部均包含MAC控制器芯片作为冗余通信的收发器，所述PLC双机冗余的双方搭载独立于用户逻辑的故障诊断判决和主备机切换机制，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，建立所述PLC双机冗余双方之间的冗余通信信道；步骤2，所述PLC双机冗余双方利用建立的冗余通信信道同步冗余配置；步骤3，所述PLC双机冗余双方通过收到的对方冗余配置信息，确定所述双方的主备关系，并分别以主机工作模式或备机工作模式初始化系统；步骤4，所述PLC双机冗余双方确定主备关系并以相应的工作模式初始化成功后，所述冗余主机以主机工作模式运行，所述冗余备机以备机工作模式运行。其中，所述步骤1的最主要特征是冗余双方控制器都带有两个专门用于冗余通信的MAC，分别为MAC0和MAC1，MAC0和MAC1的MAC地址不一样，但是所有冗余控制器的MAC0都设为同样的MAC地址，所有冗余控制器的MAC1都设为同样的MAC地址，所述双方的冗余通信物理连接采用交叉相连方式，即一个控制器的MAC0连另一个控制器的MAC1，无需路由器或交换机参与组网；MAC直接用作冗余通信的数据收发器使用，无需更上层的以太网协议栈参与通信。所述步骤3的最主要特征是冗余双方控制器根据自身冗余配置和接收到的对方冗余配置信息确定冗余工作模式，冗余配置信息主要用于区分冗余双方的CPU选项(CPU0或CPU1)，CPU选项的选择由控制器背板的拨码开关实现，通常配置为CPU0的控制器会优先工作于主机工作模式。在控制系统中不存在主机且冗余双方冗余配置不冲突(CPU选项不相同)的情况下，配置为CPU0的控制器会以主机工作模式启动，配置为CPU1的控制器会以备机工作模式启动；若冗余双方冗余配置冲突(CPU选项一样，都为CPU0或CPU1)，冗余双方都无法启动。在控制系统中已经存在主机的情况下，若冗余双方冗余配置不冲突，无论配置成CPU0还是CPU1，本机都以备机工作模式运行；若冗余双方冗余配置冲突，本机无法启动。所述步骤4的最主要特征是冗余系统的冗余主机和冗余备机各司其职，分别执行不同的功能，双方通过冗余通信信道同步过程数据和运行状态。处于主机工作模式的所述冗余主机正常运行用户逻辑，并刷新I/O数据，同时周期性地通过冗余通信信道将控制逻辑运行结果的过程数据同步到所述冗余备机；处于备机工作模式的所述冗余备机不运行用户逻辑，也不刷新I/O数据，仅将所述主机同步过来的用户控制逻辑运行结果过程数据更新到相应的过程数据区，同时时刻监视着所述主机的工作状态，随时在所述主机出现异常故障时升为主机、接管整个控制系统，并无扰地开始运行用户逻辑和执行I/O数据刷新操作。根据本专利技术的另一方面，还提出了一种基于MAC的PLC双机冗余系统，其特征在于，该系统包括两个完全一致的PLC控制器以及多个直接与现场被控对象(采集设备或执行设备)相连的从站模块，其中，所述PLC双机冗余系统工作的时候，一个控制器作为冗余主机工作于主机工作模式，另一个控制器作为冗余备机工作于备机工作模式；所述PLC控制器主要包括用于执行用户控制逻辑的主控单元，用于双机冗余通信的冗余通信单元，以及用于与从站模块通信的现场总线主站单元，同时，主控单元还承担与上位机逻辑组态软件交互和提供通用工控通信协议栈的任务；作为所述冗余通信单元核心的MAC控制器直接挂到所述主控单元的CPU总线上；所述现场总线主站单元和所述主控单元之间通过双口RAM通信并交换数据，主要用于所述PLC控制器与所述从站模块之间的I/O刷新操作；所述从站模块和所述PLC控制器组成工业现场总线网络并实现现场I/O数据的刷新操作，从站模块主要包括用于采集数字量输入信号的数字量输入模块(DI)，用于采集模拟量输入信号的模拟量输入模块(AI)，用于输出数字量控制信号的数字量输出模块(DO)，用于输出模拟量控制信号的模拟量输出模块(AO)，以及多种用于通信协议转换的网关模块和实现一些专用功能的功能模块。根据本专利技术的另一方面，还提出了一种基于MAC的PLC冗余控制器，用作PLC双机冗余系统的核心控制单元，其特征在于，该控制器包括某国产航天用处理器、MAC控制器、与所述MAC相应的PHY控制器、现场总线主站以及电源变换模块，其中，所述处理器用于运行用户控制逻辑、利用所述现场总线主站单元刷新I/O数据，还用于向所述MAC控制器发送指令进行数据传输，并建立PLC双机冗余通信信道，从而进行双机之间的数据同步和状态同步；所述MAC控制器用于根据所述处理器发送的指令进行数据发送和接收，建立PLC双机冗余系统中冗余主机和冗余备机之间的通信连接，从而在二者之间同步数据和状态；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MAC的PLC双机冗余方法，所述PLC双机冗余方法的冗余双方为两个功能完全一致的PLC控制器，分别作为冗余控制系统的冗余主机和冗余备机，冗余双方内部均包含专用的MAC控制器用于冗余通信连接的数据收发器，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，建立所述PLC双机冗余双方之间的冗余通信信道；步骤2，所述PLC双机冗余双方利用建立的冗余通信信道同步冗余配置；步骤3，所述PLC双机冗余双方通过收到的对方冗余配置信息，确定所述双方的主备关系，并分别以主机工作模式或备机工作模式初始化系统；步骤4，所述PLC双机冗余双方确定主备关系后，所述冗余主机以主机工作模式运行，而所述冗余备机则以备机工作模式运行。

【技术特征摘要】
1.一种基于MAC的PLC双机冗余方法，所述PLC双机冗余方法的冗余双方为两个功能完全一致的PLC控制器，分别作为冗余控制系统的冗余主机和冗余备机，冗余双方内部均包含专用的MAC控制器用于冗余通信连接的数据收发器，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，建立所述PLC双机冗余双方之间的冗余通信信道；步骤2，所述PLC双机冗余双方利用建立的冗余通信信道同步冗余配置；步骤3，所述PLC双机冗余双方通过收到的对方冗余配置信息，确定所述双方的主备关系，并分别以主机工作模式或备机工作模式初始化系统；步骤4，所述PLC双机冗余双方确定主备关系后，所述冗余主机以主机工作模式运行，而所述冗余备机则以备机工作模式运行。2.根据权利要求1所述的一种基于MAC的PLC双机冗余方法，其特征在于，所述步骤1的最主要特征是冗余双方控制器都带有两个专门用于冗余通信的MAC，分别为MAC0和MAC1，MAC0和MAC1的MAC地址不一样，但是所有冗余控制器的MAC0都设为同样的MAC地址，所有冗余控制器的MAC1也都设为同样的MAC地址，所述双方的冗余通信物理连接采用交叉相连方式，即一个控制器的MAC0连另一个控制器的MAC1，MAC控制器直接用作冗余通信的数据收发器使用，不需要更上层的以太网协议栈参与通信，更不需要路由器或交换机参与组网。3.根据权利要求1所述的一种基于MAC的PLC双机冗余方法，其特征在于，所述步骤3的最主要特征是所述冗余双方控制器根据自身冗余配置和接收到的对方冗余配置信息确定冗余工作模式，该冗余配置信息主要用于区分所述冗余双方的CPU选项(CPU0或CPU1)，CPU选项的选择由所述PLC控制器背板的拨码开关实现。4.根据权利要求1所述的一种基于MAC的PLC双机冗余方法，其特征在于，所述步骤4的最主要特征是所述冗余系统的冗余主机和冗余备机各司其职，分别执行不同的功能，双方通过冗余通信信道同步过程数据和运行状态；处于主机工作模式的所述冗余主机正常运行用户控制逻辑，并刷新I/O数据，同时周期性地通过所述冗余通信信道将控制逻辑运行结果的过程数据同步到所述冗余备机，处于备机工作模式的所述冗余备机不运行用户逻辑，也不刷新I/O数据，仅将所述主机同步过来的过程数据更新到相应的过程数据区，同时时刻监视着所述主机的工作状态，随时在所述主机出现异常故障时升为主机、接管整个控制系统，并无扰地开始运行用户控制逻辑和执行I/O数据刷新操作。5.根据权利要求1所述的一种基于MAC的PLC双机冗余方法，所述冗余双方中的冗余主机向冗余备机的所述冗余通信进一步包括以下步骤：A1.所述PLC双机冗余系统中的其中一个PLC控制器对冗余通信进行初始化，并与该系统中的另一个控制器建立冗余连接，转B1；B1.所述主动建立冗余连接的控制器向另一个控制器同步冗余配置，冗余配置主要用于区分两个控制器的CPU选项，通过控制器背板的拨码开关设置，有CPU0和CPU1两种模式，转C1；C1.判断所述PLC双机冗余系统的两个控制器的冗余配置是否冲突，即是否同为CPU0或同为CPU1，如果不冲突转D1，否则转I1；D1.判断控制器配置为主机，默认设为CPU0选项的控制器以冗余主机模式运行，转E1；E1.刷新I/O数据并运行用...

【专利技术属性】
技术研发人员：丰大军，赵德政，陈海，郭佳，南扬，闫少勃，张晓莉，王皓，董敏，
申请(专利权)人：中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11