CN101047487A - 一种工业控制网络中设备冗余的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业控制网络中设备冗余的方法和系统，本发明的方法包括：工作设备周期性向网络中广播冗余设备状态申明报文；在预定的周期内，作为所述工作设备的备份设备如果没有接收到所述申明报文，则备份设备将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；网络中接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。本发明还公开了一种工业控制网络中设备冗余的系统。本发明的方法和系统理想的解决了工业控制网络中设备冗余的问题，在工作设备出现故障后，其所属的备份设备能够快速地启动，避免生产过程的中断。

Description

一种工业控制网络中设备冗余的方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种工业控制网络中设备冗余的方法和系统。

背景技术

目前，在工业控制系统中，现场设备能否正常运转，将对正常的工业生产、人身安全产生较大的影响。工业控制系统的特点是实时性强，实时数据量多，强调实时性。在工业控制系统运行时，现场控制网络中数据多为实时控制数据，实时性要求最高，并且现场控制网络层的控制设备由于受到各个方面因素的影响，要求网络设备冗余的方法不能太复杂，不能占用很长的运行时间，而且由现场设备冗余而产生的通信负载部能过大，备份设备切换时间一定要短，以保证工业生产的连续性。因此，对于现场设备之间的冗余，一直是工业控制领域中研究的重点。

现场设备包括工作设备和备份设备。在工业控制的网络中，实现对工作设备的冗余时，是1:1冗余机制，即每个工作设备有一个相对应的备份设备。将工作设备和备份设备接入到工业控制网络中后，在工作设备和备份设备之间，建立专用数据线，工作设备与备份设备通过专用的数据线进行通信。在正常的工作情况下，工作设备处于工作状态，备份设备处于备份状态。如果工作设备出现故障，则与其相连接的备份设备将自身的备份状态切换到工作状态，继续执行工作设备原先所执行的控制操作。

上述对工作设备冗余的方法，每个工作设备与其备份设备之间通信时，需要通过建立专用的数据线进行数据通信，在技术实现时较烦琐；而且，对于重要的工作设备，当要为其连接两台以上的备份设备时，实现过程较复杂且无法获得良好的冗余技术效果。目前，在工业控制网络中制定统一的通信协议，可以将不同协议的工作设备和备份设备接入到控制网络中，但如何在该工业控制网络环境下，实现工作设备和备份设备之间的冗余，还没有得到解决。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种工业控制网络中设备冗余的方法和系统，以解决上述在统一通信协议的网络环境下，实现工作设备和备份设备之间的冗余问题。

为解决上述问题，本发明提供一种工业控制网络中设备冗余的方法，包括：

工作设备向网络中广播冗余设备状态申明报文；

在预定的周期内，所述工作设备的备份设备如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

网络中接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

其中，所述工作设备的备份设备为两台及两台以上时，各个备份设备在网络中广播自身的冗余设备状态切换报文后，进一步包括：

在设备冗余切换时间内，备份设备接收网络中的所述切换报文，利用切换报文中冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备；

所述更新为与所述备份设备的通信连接为：

接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

其中，所述竞争包括以下步骤：

备份设备获取所述切换报文中冗余优先级信息，与自身的冗余优先级进行比较，判断自身的冗余优先级是否低于所获取的冗余优先级，

如果低于，则将自身的工作状态切换为备份状态，停止发送所述切换报文；

如果高于，则保持工作状态。

其中，接收到所述切换报文的设备，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接为：

获取接收到的所述切换报文中冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较，

如果低于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则保持原通信关系不变；

如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则更新通信关系，直至更新为与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

其中，该方法进一步包括：

工作设备和备份设备接收网络中相同的数据并处理，所述更新之前，所述工作设备执行或发送处理后的结果，所述备份设备不对处理后的结果执行或发送；所述更新之后，所述备份设备执行或发送处理后的结果。

其中，该方法之前包括：

所述备份设备加入到网络中后，向指定的所述工作设备发送冗余设备数据同步请求报文，所述工作设备在接收到备份设备发送的冗余设备数据同步请求报文后，使用冗余设备数据同步报文将同步数据分批发送给备份设备。

本发明还提供一种工业控制网络中设备冗余的系统，该系统包括：

工作设备，用于向网络中广播冗余设备状态申明报文；

备份设备，用于在预定的周期内，如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

网络中接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

其中，所述工作设备的备份设备为两台及两台以上时，各个备份设备在网络中广播自身的冗余设备状态切换报文后，

备份设备，还用于在设备冗余切换时间内，接收网络中的所述切换报文，利用切换报文中冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备；

接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

其中，

备份设备，用于获取所述切换报文中冗余优先级信息，与自身的冗余优先级进行比较，判断自身的冗余优先级是否低于所获取的冗余优先级，

如果低于，则将自身的工作状态切换为备份状态，停止发送所述切换报文；

如果高于，则保持工作状态。

其中，

接收到所述切换报文的设备，用于获取接收到的所述切换报文中冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较，

如果低于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则保持原通信关系不变；

如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则更新通信关系，直至更新为与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

其中，

所述工作设备和备份设备，用于接收网络中相同的数据并处理，所述更新之前，所述工作设备执行或发送处理后的结果，所述备份设备不对处理后的结果执行或发送；所述更新之后，所述备份设备执行或发送处理后的结果。

其中，

所述备份设备，在加入到网络中后，还用于向指定的所述工作设备发送冗余设备数据同步请求报文，

所述工作设备，还用于在接收到所述冗余设备数据同步请求报文后，使用冗余设备数据同步报文将同步数据分批发送给备份设备。

本发明的方法和系统理想的解决了工业控制网络中设备冗余的问题，在工作设备出现故障后，其所属的备份设备能够快速地启动，避免生产过程的中断。对于重要的工作设备，采用多个备份设备进行备份，当工作设备出现故障后，通过冗余优先级的竞争，竞争出唯一的、优先级最高的备份设备继续出现故障的工作设备的工作。为正常的工业生产提供了有力的技术保障。

附图说明

图1是本发明的实施例的流程图；

图2是工业控制系统的结构图；

图3是发送冗余设备状态申明报文的流程图；

图4是备份设备状态切换的流程图；

图5是竞争出唯一备份设备的流程图；

图6是工作设备更新通信关系的流程图；

图7是工作设备和备份设备接收网络报文的示意图；

图8是工作设备和备份设备进行数据同步的示意图；

图9是工作设备和备份设备进行数据同步的流程图。

具体实施方式

首先，通过实施例介绍下本发明的主要步骤，参见图1，

步骤S101：工作设备向网络中广播冗余设备状态申明报文；

步骤S102：在预定的周期内，所述工作设备的备份设备如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

步骤S103：网络中接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

下面通过具体的实施例并结合附图详细说明本发明的方法和系统。参见图2，在2所示的工业控制系统中，包括工程师站、操作员站、监控站、网桥和现场设备。其中，现场设备包括工作设备和备份设备。网桥将工作设备和备份设备通过监控网络与工程师站等控制设备相连接。工程师站、操作员站、监控站用于实现对现场设备的控制。各个工作设备都有相应的备份设备，如工作设备1和备份设备1，工作设备5有两个备份设备，备份设备5a、5b。

在控制系统中的现场设备，通过自身的组态模块从网络中下载相同的组态信息，接收网络中的数据进行相同的处理，工作设备将处理后的结果执行或发送，备份设备保存处理后的结果，但不对处理后的结果执行或发送。

在正常的工作情况下，工作设备周期性向网络中广播冗余设备状态申明报文，广播冗余设备状态申明报文的流程参见图3，

步骤S301：工作设备向网络发送冗余设备状态申明报文；

步骤S302：在发送完冗余设备状态申明报文后，工作设备判断是否到再次发送冗余设备状态申明报文的周期，如果没有，则重复执行判断步骤，如果到发送周期，则执行步骤S301。

工作设备在网络中发送冗余设备状态申明报文后，在预定的周期内，作为工作设备的备份设备如果没有接收到所述申明报文，则备份设备将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文。

下面结合图4详细说明备份设备的切换过程，以图2中工作设备1为例说明，参见图4，

步骤S401：判断是否接收到冗余设备状态申明报文；

备份设备1不断地判断自身是否接收到冗余设备状态申明报文，如果接收到，则执行步骤S403；如果没有接收到，则执行步骤S402。

步骤S403：备份设备1对自身的计数器清零；

步骤S402：备份设备1的计数器执行加一操作后，执行步骤S404。

步骤S404：判断计数器所计数值是否等于阈值，如果不等于，则执行步骤S401；如果等于，则表明工作设备1出现故障，执行步骤S405；计数器的阈值即上述指出的预定的周期。

步骤S405：备份设备1将自身的状态设置为工作状态；

步骤S406：备份设备1在网络中发送冗余设备状态切换报文；

计数器的阈值，即预定的周期由用户在设备组态时预先设定。

备份设备1在网络中发送冗余设备状态切换报文后，网络中与工作设备1通信的其它工作设备，如工作设备2、工作设备4、工作设备5等，接收到备份设备1的冗余设备状态切换报文后，利用冗余设备状态切换报文中的通信信息，将与工作设备1之间的通信连接，更新为与所述备份设备1之间的通信连接。更新的通信连接包括互联网协议IP地址、通信端口等。

由于有些工作设备相对比较重要，因此，其工作设备的备份设备不止一台，如图1中的工作设备5，其备份设备有5a、5b，如果备份设备5a、5b在预定的周期内没有接收到工作设备5发送的冗余设备状态申明报文，则表明工作设备5在工作过程中出现故障。对于两台及两台以上的备份设备，在设备冗余切换时间内，通过预先设定的冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备，最后竞争出的备份设备执行与其相应工作设备的原先的操作。设备冗余切换时间，是指备份设备从第一次没有接收到冗余设备状态申明报文时起，到竞争出唯一的备份设备，该备份设备在工作状态并广播冗余设备状态切换报文之间的时间。如果只有一个备份设备，则指备份设备切换到工作状态并广播冗余设备状态切换报文之间的时间。属于同台工作设备的备份设备，各个备份设备预先设定的冗余优先级互不相同，能够保证竞争出唯一的冗余优先级最高的备份设备。下面结合图5详细说明竞争出唯一备份设备的过程。

步骤S501：发送冗余设备状态切换报文；

以图2中备份设备5a、5b为例说明，工作设备5出现故障，在预定的周期内，备份设备5a、5b没有接收到冗余设备状态申明报文后，将自身的备份状态切换为工作状态，在网络中发送冗余设备状态切换报文。

步骤S502：备份设备5a、5b判断是否接收到其它备份设备的冗余设备状态切换报文，如果没有接收到，则执行步骤S501；如果接收到，则执行步骤S503。

步骤503：判断优先级的高低；

备份设备在接入到网络时，会预先设定冗余优先级，所发送冗余设备状态切换报文中携带有冗余优先级的信息，备份设备接收到其它备份设备的冗余设备状态切换报文后，获取报文中冗余优先级的信息，并与自身的冗余优先级进行比较。如果大于，则继续保持工作状态，并发送冗余设备状态切换报文，如果小于，则执行步骤S504，将自身工作状态设置为备份状态，并停止发送冗余设备状态切换报文。

备份设备5a会接收到备份设备5b所发送的冗余设备状态切换报文；反之，备份设备5b也会接收到备份设备5a所发送的冗余设备状态切换报文。备份设备5a获取所接收到切换报文中的冗余优先级信息，比与自身的冗余优先级进行比较，比较出备份设备5a的冗余优先级高于备份设备5b的冗余优先级后，继续保持工作状态，并发送冗余设备状态切换报文。

备份设备5b获取所接收到切换报文中的冗余优先级信息，比与自身的冗余优先级进行比较，比较出备份设备5b的冗余优先级低于备份设备5a的冗余优先级后，将自身的工作状态设置为备份状态，并停止发送冗余设备状态切换报文。

步骤S504：将自身的工作状态设置为备份状态。

各个备份设备进行优先级的比较后，最后只有一个冗余优先级最高备份设备保持工作状态，并与其它工作设备建立通信连接。

在设备冗余切换时间内，网络中的各个工作设备接收到冗余设备状态切换报文后，更新通信关系。由于有的工作设备存在多个备份设备，属于出现故障工作设备的备份设备，在竞争的过程中，不断发送冗余设备状态切换报文，并与正常的工作设备之间更新通信关系。因此，通信关系的更新可能会需要多次完成。下面结合图6详细说明通信关系更新的过程。

步骤S601：判断是否接收到冗余设备状态切换报文；

工作设备不断地判断是否从网络中接收到冗余设备状态切换报文，如果接收到，则执行步骤S502；如果没有接收到，则继续判断。

步骤S602：更新通信关系；

在接收到冗余设备状态切换报文后，获取报文中的地址信息，更新通信关系。

步骤S603：在设备冗余切换时间内，判断是否再次接收到冗余设备状态切换报文；如果接收到，则执行步骤S604；

步骤S604：工作设备获取所接收到切换报文中的冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较。如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则执行步骤S602；如果低于，则执行步骤S603。

如，工作设备5出现故障后，备份设备5a、5b向网络中广播冗余设备状态切换报文，其它工作设备先接收到备份设备5b的切换报文后，将与工作设备5的通信关系更新为与备份设备5b的通信关系。其它正常的各个工作设备再将接收到备份设备5a的切换报文后，通过切换报文比较两个备份设备的冗余优先级，由于备份设备5a的冗余优先级高于冗余设备5b的冗余优先级，因此，将与备份设备5b的通信关系更新为与备份设备5a的通信关系。

为防止工作设备在出现故障的时刻，其所属的备份设备能够快速顶替故障工作设备的操作，工作设备和备份设备之间需要进行实时的数据同步。参见图7，工作设备和备份设备同时接收相同的网络报文数据，并根据接收的网络报文数据对所控制设备进行组态或执行相应的控制算法，工作设备利用算法执行后的结果执行相应的操作，备份设备不执行相应的操作。

下面结合图8、图9详细说明数据同步的过程。参见图8，备份设备在上电后，指定作为一个工作设备的备份设备，并向该工作设备发送冗余设备数据同步请求报文。工作设备在接收到备份设备发送的冗余设备数据同步请求报文后，将使用冗余设备数据同步报文将同步数据分批发送给备份设备。

请参阅图9，工作设备发送同步数据的具体流程包括：

步骤S901：工作设备使用冗余设备数据同步报文将同步数据发送给备份设备；

步骤S902：判断是否还有同步数据要发送，如果是，则执行步骤S901；否则，结束发送。

参见图2，本发明还提供一种工业控制网络中设备冗余的系统，包括：

工作设备，用于向网络中广播冗余设备状态申明报文；

备份设备，用于在预定的周期内，如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

网络中接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

在本发明的系统中，所述工作设备的备份设备为两台及两台以上时，各个备份设备在网络中广播自身的冗余设备状态切换报文后，

备份设备，还用于在设备冗余切换时间内，接收网络中的所述切换报文，利用切换报文中冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备；

接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

在本发明的系统中，

备份设备，用于获取所述切换报文中冗余优先级信息，与自身的冗余优先级进行比较，判断自身的冗余优先级是否低于所获取的冗余优先级，

如果低于，则将自身的工作状态切换为备份状态，停止发送所述切换报文；

如果高于，则保持工作状态。

在本发明的系统中，

接收到所述切换报文的设备，用于获取接收到的所述切换报文中冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较，

如果低于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则保持原通信关系不变；

如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则更新通信关系，直至更新为与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

在本发明的系统中，

所述工作设备和备份设备，用于接收网络中相同的数据并处理，所述更新之前，所述工作设备执行或发送处理后的结果，所述备份设备不对处理后的结果执行或发送；所述更新之后，所述备份设备执行或发送处理后的结果。

在本发明的系统中，还包括过程监控层设备，用于对工作设备和备份设备进行控制和检测，过程监控层设备为图2所示的工程师站、操作员站或监控站等。

对于本发明的方法和系统，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种工业控制网络中设备冗余的方法，其特征在于，包括：

工作设备向网络中广播冗余设备状态申明报文；

在预定的周期内，所述工作设备的备份设备如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

网络中接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作设备的备份设备为两台及两台以上时，各个备份设备在网络中广播自身的冗余设备状态切换报文后，进一步包括：

在设备冗余切换时间内，备份设备接收网络中的所述切换报文，利用切换报文中冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备；

所述更新为与所述备份设备的通信连接为：

接收到所述切换报文的设备，将与所述工作设备的通信连接，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述竞争包括以下步骤：

备份设备获取所述切换报文中冗余优先级信息，与自身的冗余优先级进行比较，判断自身的冗余优先级是否低于所获取的冗余优先级，

如果低于，则将自身的工作状态切换为备份状态，停止发送所述切换报文；

如果高于，则保持工作状态。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，接收到所述切换报文的设备，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接为：

获取接收到的所述切换报文中冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较，

如果低于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则保持原通信关系不变；

如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则更新通信关系，直至更新为与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

工作设备和备份设备接收网络中相同的数据并处理，所述更新之前，所述工作设备执行或发送处理后的结果，所述备份设备不对处理后的结果执行或发送；所述更新之后，所述备份设备执行或发送处理后的结果。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法之前包括：

所述备份设备加入到网络中后，向指定的所述工作设备发送冗余设备数据同步请求报文，所述工作设备在接收到备份设备发送的冗余设备数据同步请求报文后，使用冗余设备数据同步报文将同步数据分批发送给备份设备。

7、一种工业控制网络中设备冗余的系统，其特征在于，该系统包括：

工作设备，用于向网络中广播冗余设备状态申明报文；

备份设备，用于在预定的周期内，如果没有接收到来自工作设备的申明报文，则将自身的状态转换为工作状态，并在网络中广播冗余设备状态切换报文；

网络中接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新为与所述备份设备的通信连接。

8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述工作设备的备份设备为两台及两台以上时，各个备份设备在网络中广播自身的冗余设备状态切换报文后，

备份设备，还用于在设备冗余切换时间内，接收网络中的所述切换报文，利用切换报文中冗余优先级竞争出优先级最高的备份设备；

接收到所述切换报文的设备，用于将与所述工作设备的通信连接，更新与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

备份设备，用于获取所述切换报文中冗余优先级信息，与自身的冗余优先级进行比较，判断自身的冗余优先级是否低于所获取的冗余优先级，

如果低于，则将自身的工作状态切换为备份状态，停止发送所述切换报文；

如果高于，则保持工作状态。

10、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

接收到所述切换报文的设备，用于获取接收到的所述切换报文中冗余优先级信息，与最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级进行比较，

如果低于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则保持原通信关系不变；

如果高于最近一次接收到的切换报文中的冗余优先级，则更新通信关系，直至更新为与所述优先级最高的备份设备的通信连接。

11、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述工作设备和备份设备，用于接收网络中相同的数据并处理，所述更新之前，所述工作设备执行或发送处理后的结果，所述备份设备不对处理后的结果执行或发送；所述更新之后，所述备份设备执行或发送处理后的结果。

12、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述备份设备，在加入到网络中后，还用于向指定的所述工作设备发送冗余设备数据同步请求报文，

所述工作设备，还用于在接收到所述冗余设备数据同步请求报文后，使用冗余设备数据同步报文将同步数据分批发送给备份设备。

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