具有同級(jí)間冗余性的控制器系統(tǒng)和操作該系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且更具體地說(shuō)涉及控制系統(tǒng)，其以冗余性方案執(zhí)行任務(wù)。
【背景技術(shù)】
[0002]技術(shù)系統(tǒng)，例如發(fā)電廠、能量分配網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)中的制造設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)施、電動(dòng)車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)等等具有許多的約束。僅舉幾個(gè)例子而言，這些系統(tǒng)需要是可用性高的，這些系統(tǒng)通常是復(fù)雜的，具有許多互相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件，并且某些系統(tǒng)以自動(dòng)或半自動(dòng)操作模式進(jìn)行操作。
[0003]為了解決這些和其它約束，相對(duì)于技術(shù)工藝執(zhí)行而言非常關(guān)鍵的技術(shù)構(gòu)件具備冗余性，并且這些技術(shù)系統(tǒng)連接在控制系統(tǒng)上。控制系統(tǒng)包括基本上所有水平的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可幫助整體地控制技術(shù)系統(tǒng)，例如控制中心、控制系統(tǒng)或自動(dòng)化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可與實(shí)施工業(yè)工藝的單獨(dú)構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，或者與構(gòu)件的元件相關(guān)聯(lián)。
[0004]在工業(yè)環(huán)境中，計(jì)算機(jī)時(shí)常實(shí)施為具有中央處理器(CPU)、通信模塊和電源模塊的控制器。控制器的一個(gè)示例是商業(yè)上可從德國(guó)曼海姆的ABB自動(dòng)化公司得到的商標(biāo)“AC800M”下的控制器。
[0005]對(duì)于一般計(jì)算機(jī)和尤其對(duì)于控制器而言使用冗余性是很常見(jiàn)的。流行的冗余性解決方案包括暖備用(或熱備用)和N-模塊化冗余性。通常，根據(jù)系統(tǒng)所需的整體可用性來(lái)選擇冗余性方案。
[0006]進(jìn)一步簡(jiǎn)化，在暖備用或熱備用的條件下，備用控制器基本上提供了與運(yùn)轉(zhuǎn)中的控制器或起作用的控制器相同的功能，并且如果運(yùn)轉(zhuǎn)中的控制器失效，那么備用控制器接管(一對(duì)一)。在運(yùn)轉(zhuǎn)中的控制器被替換之前，該系統(tǒng)不再是容錯(cuò)的。
[0007]根據(jù)基本相同的程序，按照N-模塊化布置的控制器基本上是一直運(yùn)轉(zhuǎn)的。其輸出按照投票方案與隱含的錯(cuò)誤檢測(cè)進(jìn)行比較，從而丟棄故障控制器的輸出。用于N-模塊化布置的一個(gè)典型的示例是三出二布置(2003，或“三重模塊化冗余性)。
[0008]然而，任何冗余性需要技術(shù)資源，例如附加控制器的提供和運(yùn)轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致附加的能量消耗和維護(hù)工作、計(jì)算開(kāi)銷(用于投票方案)等等。這些對(duì)技術(shù)資源的需求隨著所需的整體可用性的增加而增加。這種沖突需要解決。
[0009]在一種控制系統(tǒng)和相應(yīng)地具有三個(gè)或多個(gè)控制器的控制器系統(tǒng)中，這些控制器與技術(shù)實(shí)體相關(guān)聯(lián)?？刂破鲉为?dú)地且分開(kāi)地執(zhí)行任務(wù)，但某些控制器作為同級(jí)(peer)共享任務(wù)指令。關(guān)于特定的第一任務(wù)，指令分配給第一控制器，其在與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互下，按照所謂主模式執(zhí)行第一任務(wù)。指令還分配給第二控制器，其為第一任務(wù)提供冗余性。因此，第二控制器按照所謂輔助模式不與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互。關(guān)于特定的第二任務(wù)，指令可分配給第三控制器和第一控制器，第三控制器按照主模式執(zhí)行第二任務(wù)，并且第一控制器為第二任務(wù)提供冗余性。
[0010]換句話說(shuō)，第一控制器具有第二控制器作為任務(wù)執(zhí)行同級(jí)，并且第一控制器是第三控制器的冗余性同級(jí)。如果其中一個(gè)控制器變得不可用，那么同級(jí)間關(guān)系發(fā)生改變。
[0011]例如，如果第一控制器變得不可用，那么第二控制器接管第一任務(wù)。為了恢復(fù)針對(duì)第三任務(wù)的冗余性，第二控制器變?yōu)榈谌蝿?wù)的冗余性控制器。
[0012]不可用可能發(fā)生在幾種嚴(yán)重程度下:不可用可為完全不可用，其中例如，控制器根本不能執(zhí)行任何任務(wù)。不可用還可為部分不可用，其中例如，控制器至少可執(zhí)行某些任務(wù)，或者可在速度或帶寬減少的條件下執(zhí)行任務(wù)。
[0013]本發(fā)明的實(shí)施例容許將不可用風(fēng)險(xiǎn)分布在多個(gè)控制器上。為了節(jié)省資源，這些任務(wù)不需要由兩個(gè)或多個(gè)控制器并行執(zhí)行(如同N-冗余性方案或熱備用中一樣)。這種解決方案利用了現(xiàn)代控制器的技術(shù)特征，例如足夠的容量(存儲(chǔ)器和處理器)來(lái)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。
[0014]控制器消耗與任務(wù)數(shù)量相對(duì)應(yīng)的電能，使得用于兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)的控制器同單任務(wù)控制器相比臨時(shí)增加能量消耗，但一旦替代控制器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，那么能量消耗將得以平衡。
[0015]現(xiàn)代控制器通常具有足夠的容量來(lái)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，或臨時(shí)執(zhí)行附加任務(wù)?？刂破骺裳b備有附加硬件(例如存儲(chǔ)器)，但額外費(fèi)用是可忽略的，所以同具有專用的控制器用作輔助控制器相比，可節(jié)省成本。換句話說(shuō)，假如作為輔助控制器的任務(wù)執(zhí)行不干擾作為主控制器的(正常)任務(wù)執(zhí)行的話，當(dāng)控制器作為輔助控制器執(zhí)行任務(wù)時(shí)，使用了控制器的空閑容量。同本領(lǐng)域中已知的典型部署相反，基本上不需要用于提供冗余性的附加控制器。
[0016]控制器的不可用可能具有各種原因，例如控制器硬件(存儲(chǔ)器、處理器、總線、存儲(chǔ)等等)或甚至控制器軟件中的故障或缺陷。
[0017]原則上，這種解決方案對(duì)于不可用的原因是不敏感的。這種解決方案還可應(yīng)用于控制器的維護(hù)。維護(hù)可為硬件維護(hù)或軟件維護(hù)。負(fù)責(zé)維護(hù)控制器的服務(wù)人員可簡(jiǎn)單地關(guān)閉控制器，并且不同的控制器接管操作。單個(gè)控制器的維護(hù)不會(huì)中斷控制器系統(tǒng)整體的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)非中斷的維護(hù)。許多不同的任務(wù)可跨幾個(gè)控制器進(jìn)行分配，以便按照主模式和輔助模式執(zhí)行任務(wù)。變成不起作用(不可用)的控制器觸發(fā)輔助模式的控制器以主模式接管任務(wù)。這對(duì)于多個(gè)軌道安裝式控制器的實(shí)施是特別有用的，因?yàn)榭刂破骺梢院苋菀椎剡M(jìn)行更換。
[0018]當(dāng)其再次可用時(shí)或者如果已經(jīng)安裝了替換控制器的話，任務(wù)的執(zhí)行可移回到原始控制器(首先執(zhí)行任務(wù)的控制器)。移回可同步完成。
[0019]相對(duì)于正在處理的數(shù)據(jù)、變量或所設(shè)定的寄存器而言，執(zhí)行任務(wù)的控制器呈現(xiàn)某些狀態(tài)。狀態(tài)信息可被保留并在控制器之間進(jìn)行通信，例如作為檢查地點(diǎn)或數(shù)據(jù)信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，分別在一種控制器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中，控制器與技術(shù)實(shí)體相關(guān)聯(lián)，并適合于當(dāng)控制器關(guān)于這些任務(wù)與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互時(shí)選擇性地以主模式執(zhí)行任務(wù)，并且當(dāng)控制器不關(guān)于這些任務(wù)與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互時(shí)以輔助模式執(zhí)行任務(wù)。該系統(tǒng)配置為將第一任務(wù)的任務(wù)指令分配給第一控制器，第一控制器配置為以主模式執(zhí)行第一任務(wù)，并且將第一任務(wù)的任務(wù)指令分配給第二控制器，第二控制器配置為以輔助模式執(zhí)行第一任務(wù)。該系統(tǒng)配置為將第二任務(wù)的任務(wù)指令分配給第二控制器，第二控制器配置為以主模式執(zhí)行第二任務(wù)B。該系統(tǒng)進(jìn)一步配置為，當(dāng)?shù)谝豢刂破鞑豢捎脮r(shí)，使第二控制器從針對(duì)第一任務(wù)的輔助模式切換至針對(duì)第一任務(wù)的主模式，同時(shí)第二控制器適合于繼續(xù)以主模式執(zhí)行第二任務(wù)。
[0021]該系統(tǒng)可配置為將第三任務(wù)的任務(wù)指令分配給第一控制器，以便以輔助模式執(zhí)行第三任務(wù)，并且可配置為，當(dāng)?shù)谝豢刂破鞑豢捎脮r(shí)，切換第二控制器，以便以輔助模式執(zhí)行第二任務(wù)。
[0022]針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為接收來(lái)自針對(duì)同一特定任務(wù)處于主模式下的控制器的活動(dòng)性消息。針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為周期性地接收活動(dòng)性消息。針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為接收活動(dòng)性消息，活動(dòng)性消息具有指示處于主模式下的控制器繼續(xù)執(zhí)行同一特定任務(wù)的活動(dòng)性信號(hào)。針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為接收具有數(shù)據(jù)信號(hào)的活動(dòng)性消息，數(shù)據(jù)信號(hào)包括在主模式下執(zhí)行任務(wù)指令期間所產(chǎn)生的變量的拷貝。針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為以不同的頻率接收活動(dòng)性消息的活動(dòng)性信號(hào)和活動(dòng)性消息的數(shù)據(jù)信號(hào)。針對(duì)特定任務(wù)處于輔助模式下的控制器可配置為將冗余性供給消息發(fā)送給以主模式執(zhí)行特定任務(wù)的控制器。冗余性供給消息指示控制器以輔助模式繼續(xù)執(zhí)行同一特定任務(wù)。
[0023]控制器可配置為具有冗余性管理器，其與同級(jí)控制器協(xié)作，使特定控制器能夠成為受管理控制器，受管理控制器適合于標(biāo)識(shí)同級(jí)控制器，使得受管理控制器消耗同級(jí)冗余性，并提供同級(jí)冗余性。受管理控制器以主模式執(zhí)行第一特定任務(wù)，并從而消耗同級(jí)冗余性。受管理控制器還以輔助模式執(zhí)行第二特定任務(wù)，并從而提供同級(jí)冗余性。當(dāng)同級(jí)不可用時(shí)，對(duì)于第二特定任務(wù)，受管理控制器從輔助模式切換至主模式。
[0024]本發(fā)明提供了一種用于操作控制器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)施式方法，控制器系統(tǒng)具有多個(gè)控制器?？刂破髋c技術(shù)實(shí)體相關(guān)聯(lián)，并且控制器適合于當(dāng)控制器關(guān)于任務(wù)與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互時(shí)，選擇性地以主模式執(zhí)行任務(wù)，并且當(dāng)控制器不關(guān)于任務(wù)與相關(guān)聯(lián)的技術(shù)實(shí)體交互時(shí)以輔助模式執(zhí)行任務(wù)。在第一動(dòng)作階段“標(biāo)識(shí)(identify)”中，該系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)識(shí)第一同級(jí)控制器而標(biāo)識(shí)控制器系統(tǒng)的受管理控制器，以便消耗用于第一特定任務(wù)的冗余性，并且標(biāo)識(shí)控制器系統(tǒng)的受管理控制器，從而通過(guò)標(biāo)識(shí)以主模式執(zhí)行第二特定任務(wù)的第二同級(jí)控制器來(lái)提供冗余性。在第二動(dòng)作階段“執(zhí)行”中，該系統(tǒng)讓受管理控制器以主模式執(zhí)行第一特定任務(wù)，并且以輔助模式執(zhí)行第二特定任務(wù)，并且讓第一同級(jí)控制器以輔助模式執(zhí)行第一特定任務(wù)，且第二同級(jí)控制器以主模式執(zhí)行第二特定任務(wù)。在第三動(dòng)作階段“改變”中，可能發(fā)生兩種情況。在第一情況下，受管理控制器變成不可用，并且第一同級(jí)控制器通過(guò)針對(duì)第一特定任務(wù)從輔助模式切換至主模式從而接管任務(wù)的執(zhí)行。在第二情況下，第二同級(jí)變成不可用，并且受管理控制器通過(guò)針對(duì)第二特定任務(wù)從輔助模式切換至主模式從而接管任務(wù)的執(zhí)行。
[0025]第二動(dòng)作階段“執(zhí)行”可包括周期性地將第一活動(dòng)性消息從受管理控制器發(fā)送至第一同級(jí)控制器，以及周期性地接收來(lái)自第二同級(jí)控制器的第二活動(dòng)性消息。
[0026]第三動(dòng)作階段“改變”可能在第一情況下被觸發(fā)，其中受管理控制器