一种用于火箭地面控制系统双PLC冗余切换及异常状态监测方法与流程

本发明涉及航空航天设备领域，特别是涉及一种用于火箭地面供配气与动力测控系统的双plc冗余智能切换及全链路异常状态监测方法。

背景技术：

1、液体火箭地面供配气与动力测控系统是火箭发射前的核心保障系统，要求高实时性、高可靠性、高安全性。普遍采用双plc冗余控制、双冗余工业交换机、光纤+网线双链路通信。现有技术存在以下缺陷：

2、1）plc冗余切换仅依靠单一故障或通信中断信号，易出现误切、漏切、反复切换；

3、2）切换过程无输出保持、无时序同步、易造成阀门抖动、压力波动、指令中断；

4、3）故障发生后无法快速定位、无法追溯、无法保证发射任务连续可靠。现有相关专利未形成融合智能切换、全链路状态监测、微秒级时序同步、网络故障自愈的一体化控制方案，难以匹配航天发射场景严苛的安全可靠性要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于火箭地面控制系统双plc冗余切换及异常状态监测方法，以解决上述现有技术存在的其中一个或者全部的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供了一种用于火箭地面控制系统双plc冗余切换及异常状态监测方法，包括以下步骤：

4、s1、健康度评估，主plc与备plc实时采集各自的运行状态参数及相互之间的通信状态参数，对所采集的参数进行多维度加权计算，生成综合健康度评分，并根据所述综合健康度评分将各plc控制器的健康状态划分为正常状态、预警状态、故障状态及宕机状态；

5、s2、预同步，当所述主plc的健康状态由正常状态下降至预警状态时，所述备plc自动完成与所述主plc之间的数据、时序及输出状态的预同步，使所述备plc进入热备就绪状态；

6、s3、切换表决，实时监测多项切换触发条件，当所述多项切换触发条件中的任意两项或两项以上同时满足时，生成切换允许指令，切换触发条件至少包括：所述主plc的健康状态达到故障状态或宕机状态、所述主plc与系统间的通信中断持续时间超过预设阈值、上层监控服务器判定所述主plc运行异常以及关键工艺参数发生突变；

7、s4、无扰切换执行，响应于所述切换允许指令，立即对全部输出信号进行硬件级锁存保持，将所述备plc在全局时钟同步信号的控制下切换为新的主plc，并接管全部控制功能，使切换过程的响应时间不大于预设时间阈值；

8、s5、防震荡锁定，在所述无扰切换执行步骤完成后启动预设长度的锁定时间窗口，在所述锁定时间窗口内禁止执行任何回切操作；

9、s6、平稳回切，当原主plc的健康状态恢复至正常状态并维持超过预设稳定时间后，经外部确认指令触发，执行由当前主plc向原主plc的无扰回切。

10、根据本发明的一个实施例，所述s1步骤中：

11、所述运行状态参数包括cpu使用率、内存占用率、程序扫描周期及扫描周期抖动值；

12、所述通信状态参数包括与冗余交换机之间的通信时延、丢包率及错包率；

13、所述多维度加权计算所依据的参数还包括数字量输入输出通道及模拟量输入输出通道的响应正确性、电源电压值、模块温度值及故障码；

14、所述综合健康度评分采用动态加权系数，所述动态加权系数根据当前火箭地面供配气与动力测控系统的工况阶段自适应调整。

15、根据本发明的一个实施例，所述s2步骤中：所述备plc复制所述主plc的全部变量数据、输出映射寄存器状态、时序状态镜像及指令队列，并在全局时钟同步信号的控制下，将所述备plc的指令执行节拍与所述主plc的指令执行节拍对齐至预设的同步精度范围内。

16、根据本发明的一个实施例，所述s3步骤中，所述多项切换触发条件包括以下四项：

17、y1、所述主plc的综合健康度评分低于预设的健康度故障阈值；

18、y2、所述主plc与冗余交换机之间或与上层监控服务器之间的通信链路中断持续时间超过预设的通信超时阈值；

19、y3、所述上层监控服务器通过融合分析所述主plc的运行状态数据、网络状态数据及现场传感器反馈数据，判定所述主plc存在逻辑运算异常或控制指令输出异常；

20、y4、现场压力传感器、温度传感器或流量传感器反馈的工艺参数变化率超过预设的变化率突变阈值，且该突变与当前控制指令不匹配。

21、根据本发明的一个实施例，所述s3步骤中，触发y1-y4中任意两个条件，生成所述切换允许指令。

22、根据本发明的一个实施例，所述s4步骤中：所述输出信号的硬件级锁存保持通过对全部输出寄存器的硬件写保护实现；所述全局时钟同步信号由ptp精确时间协议同步单元或irig-b时间同步单元提供，所述全局时钟同步信号使所述主plc、所述备plc、冗余交换机、上层监控服务器及客户端具有统一的微秒级时间基准；所述切换过程的响应时间不大于20毫秒。

23、根据本发明的一个实施例，所述s6步骤中：所述无扰回切执行前，当前主plc与已恢复正常的原主plc之间完成数据、时序及输出状态的预同步，并在全局时钟同步信号的控制下完成回切过程中的输出锁存保持，使回切过程对现场执行机构不产生扰动。

24、根据本发明的一个实施例，还包括步骤s7，全链路异常状态监测：对整条控制链路中的多个环节进行实时异常监测，所述环节包括光纤通信链路、以太网通信链路、冗余交换机端口及数据帧传输过程；所述光纤通信链路的监测参数包括光功率值、光衰减值、断链状态及误码率；所述以太网通信链路的监测参数包括链路连通状态、时延值及抖动值；所述冗余交换机端口的监测参数包括端口状态、带宽占用率、错帧计数及设备温度；所述数据帧传输过程的监测参数包括丢包率、乱序计数、重传次数及无效帧计数；所述异常状态按严重程度划分为链路异常等级、设备异常等级及系统异常等级，不同等级对应不同的处理策略。

25、根据本发明的一个实施例，还包括步骤s8，网络自愈与故障隔离：当所述s7步骤检测到单条通信链路异常时，自动将数据传输切换至冗余通信链路；当检测到单个交换机端口异常时，自动将数据流漂移至备用交换机端口；当检测到网络广播风暴时，自动启动限流策略并隔离异常网络节点；当检测到无效或异常控制指令帧时，自动执行校验重发或丢弃处理；当检测到局部网络分区异常时，将该分区隔离以防止故障扩散至全局网络。

26、根据本发明的一个实施例，还包括步骤s9，多源数据融合预警与黑匣子记录：上层监控服务器融合所述主plc与所述备plc的状态数据、全链路异常状态监测数据以及现场供配气工艺参数，建立多源关联预警模型，实现故障发生前的趋势预警；所述现场供配气工艺参数包括压力值、温度值及流量值；系统实时记录并存储带全局时钟时间戳的切换事件记录、异常事件记录、故障码记录、链路状态记录、指令执行序列记录、阀门动作时间戳记录及工艺参数曲线记录，所述记录用于故障追溯与发射任务归零分析。

27、有益效果

28、本发明至少具有以下之一的技术效果：

29、其一，本方案中通过s1健康度评估建立多维度综合健康度评分机制，有效避免了传统方案仅依赖单一故障信号作为切换判据导致的误切、漏切及反复切换问题；通过s2预同步机制使备用plc在切换前即完成数据、时序及输出状态的热备就绪，解决了传统切换过程中缺乏输出保持与时序同步导致阀门抖动和压力波动的问题；再通过s3切换表决中的多项触发条件任意两项同时满足才允许切换的表决逻辑，以及s5防震荡锁定机制，彻底杜绝了瞬时干扰引发的错误切换和频繁回切震荡，保障了供配气回路压力稳定与执行机构动作安全。

30、其二：本方案中通过s7全链路异常状态监测，将监测范围从plc本体扩展至光纤通信链路、以太网通信链路、冗余工业交换机端口及数据帧传输过程，解决了传统方案仅监测plc本体故障而忽略传输链路异常导致的安全盲区问题；通过s8网络自愈与故障隔离机制，实现单链路故障自动切换、端口漂移、网络风暴抑制及分区隔离，使网络性能劣化问题在影响系统运行前即被自动修复，大幅提高了系统在通信链路劣化条件下的连续运行能力和抗干扰能力。

31、其三：本发明通过ptp/irig-b全局时钟同步单元使主plc、备plc、冗余工业交换机、上层监控服务器及客户端具有统一的微秒级时间基准，解决了传统方案缺乏统一时间基准导致各设备间时间戳无法对齐的问题，保证了切换时刻、指令执行与数据记录的精准时序对齐；通过s9多源数据融合预警与黑匣子记录，融合plc状态、网络状态及供配气工艺参数建立关联预警模型，实现故障发生前的趋势预警，并存储带全局时钟时间戳的切换事件、异常信息、指令序列及工艺曲线，解决了故障发生后无法快速定位、追溯与归零分析的难题，为发射任务提供了完整的事后分析数据支撑。