一种冗余通信模块对外通信权限的切换方法与流程

1.本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种冗余通信模块对外通信权限的切换方法。


背景技术：

2.流程工业领域安全控制系统的通信控制总线上配备两个冗余通信模块，其中一个是对通信总线进行调度的主通信模块，具有主动发起对外通信的权限，另一个是备用通信模块，在主通信模块故障时通过冗余切换，获得主动发起通信的权限，涉及安全控制系统的数据通信的安全性、可靠性，需要确保主通信模块在单故障条件下不影响正常数据通信业务，在双故障条件下能够快速进行故障恢复，对安全控制系统通信模块的切换要求较高，因此关于实现冗余通信模块的切换方法成为主要的研究热点。
3.针对工业级安全控制系统通信模块冗余切换问题，现有存在申请号为201711326081.4，名称为一种dcs冗余通信模块切换方法，现有方法是通过单一电平信号作为通信模块单一故障的冗余切换条件，但是冗余通信模块双故障时的对外通信权限切换无法有效进行控制，该缺陷会导致双故障时的数据不唯一情况和故障恢复较慢，影响系统整体安全性和可靠性。其次依靠冗余通信模块中主通信模块发起对外通信，在主通信模块故障后恢复时，备用卡权限立即切换至主通信模块的设计机制会引起对外通信数据回跳的缺陷，无法保证控制系统的稳定性和安全性。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种冗余通信模块对外通信权限的切换方法，解决了安全控制系统中冗余通信模块在故障条件下对外通信数据唯一性难题，同时解决了对外通信权限切换带来的数据回跳问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
8.第一方面，本发明实施例提供一种冗余通信模块对外通信权限的切换方法，包括：
9.s10：第一通信模块处于通信故障状态且确定第二通信模块同时发生通信故障时，所述第一通信模块根据对外通信权限的轮流分配策略，与第二通信模块轮流开启对外通信权限以与外部设备尝试通信；
10.s20、所述第一通信模块通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送冗余通信数据，所述冗余通信数据包括：所述对外通信权限的轮流分配策略信息和自身通信故障诊断结果；
11.s30、若第一通信模块的通信故障清除且处于开启对外通信权限的调度周期内，则与外部设备正常通信，并通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送新的冗余通信数据；
12.若第一通信模块的通信故障清除且处于关闭对外通信权限的调度周期内，则等待
自身的对外通信权限开启的调度周期，在开启对外通信权限的调度周期内与外部设备正常通信，并通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送新的冗余通信数据；
13.所述新的冗余通信数据包括：自身通信故障清除的信息和通知第二通信模块关闭对外通信权限的信息；
14.所述第一通信模块和第二通信模块组成安全控制系统的冗余通信模块。
15.可选地，所述方法还包括：
16.处于通信故障状态的第一通信模块还用于监听外部设备的应答数据，若正确获取到应答数据则确定自身的通信故障清除；
17.处于通信故障状态的第二通信模块还用于监听外部设备的应答数据，若正确获取到应答数据则确定自身的通信故障清除；
18.所述第一通信模块通过所述冗余通信通道实时与所述第二通信模块通信。
19.可选地，所述方法还包括：
20.若第一通信模块和第二通信模块的冗余通信通道故障，则在冗余通信通道故障时开启对外通信权限的第一通信模块或第二通信模块不主动切换对外通信权限；
21.在所述冗余通信通道故障清除时，所述第一通信模块与所述第二通信模块通过所述冗余通信通道通信，并各自根据通信的信息执行开启或关闭所述对外通信权限。
22.可选地，对外通信权限的轮流分配策略为：n秒周期调度对外通信权限的策略；n为小于等于10的正数；
23.所述第一通信模块根据对外通信权限的轮流分配策略，与第二通信模块轮流开启对外通信权限以与外部设备尝试通信，包括：
24.所述第一通信模块在当前n秒调度周期内开启对外通信权限，并与外部设备尝试通信，以及监听外部设备的应答数据，所述第二通信模块监听外部设备的应答数据；
25.所述第二通信模块在下一个n秒调度周期内开启对外通信权限，并与外部设备尝试通信，以及监听外部设备的应答数据，所述第一通信模块监听外部设备的应答数据。
26.可选地，n为5s/7s/2s；
27.所述通信故障为通信硬件故障、通信连接故障、通信响应超时故障，或mcu故障。
28.可选地，所述方法还包括：
29.若第一通信模块处于通信故障状态，且通过冗余通信通道向第二通信模块发送第一故障信息，所述第二通信模块根据所述第一故障信息，确定自身未发生通信故障信息时，则开启对外通信权限，并与外部设备通信，以及；
30.通过冗余通信通道向第一通信模块发送新的冗余通信数据，该新的冗余通信数据包括：通知第一通信模块关闭对外通信权限的信息，以使第一通信模块根据新的冗余通信数据关闭对外通信权限，并监听外部设备的应答数据。
31.可选地，所述方法还包括：
32.若第一通信模块接收第二通信模块通过冗余通信通道发送的第二故障信息，并根据第二故障信息确定第二通信模块发生通信故障，则执行所述s10的步骤；并监听外部设备的应答数据。
33.可选地，包括：
34.第一通信模块为主通信模块，第二通信模块为备用通信模块，所述冗余通信通道
为底层物理通信总线连接的数据通道；
35.或者，
36.第一通信模块为备用通信模块，第二通信模块为主通信模块，所述冗余通信通道为底层物理通信总线连接的数据通道。
37.第二方面，本发明还提供一种安全控制系统，包括第一通信模块和第二通信模块，
38.所述第一通信模块和第二通信模块执行上述第一方面任一所述的冗余通信模块对外通信权限的切换方法。
39.第三方面，本发明还提供一种电子设备，其包括存储器和处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器内存储的计算机程序，并执行上述第一方面任一所述的冗余通信模块对外通信权限的切换方法。
40.(三)有益效果
41.本发明的方法可以解决了安全控制系统冗余通信模块在故障条件下对外通信数据唯一性难题，解决冗余通信模块故障造成对外通信权限切换带来的数据回跳问题，通过冗余监听解决了故障条件下无法快速恢复的问题。
42.本发明的方法具有稳定性、实用性和高可靠性，保证对外通信数据的唯一性，避免出现双权限工作时的数据干扰，即通过单一通信模块故障时的快速切换，保证了安全控制系统单一通信模块故障时系统对外通信的稳定性，确保现场设备正常运行。
43.本发明的方法通过双故障条件下两个通信模块周期性调度轮流分配权限，尝试恢复对外通信，其中对外无通信权限的模块通过冗余监听进行周期性自诊断，保证双故障条件下的快速恢复，降低双故障对通信的干扰，避免了传统主、备通信模式下，主通信模块故障恢复后，由备用通信模块切换回主通信模块产生的数据回跳现象，保证了通信数据的稳定性。
附图说明
44.图1为本发明一实施例提供的冗余通信模块对外通信权限的切换方法的流程示意图；
45.图2为本发明一实施例提供的冗余通信模块对外通信权限的切换方法的信令图。
具体实施方式
46.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
47.在安全控制系统主、备冗余通信模块数据通信中，特别是针对主、备冗余通信模块单、双故障情况下的数据安全问题，为保证通信模块数据的唯一性、稳定性和实用性，提出一种高可靠性的冗余通信模块对外通信权限的切换方法，其针对传统安全控制系统中，冗余通信模块因故障导致的对外通信权限切换，导致对外通信数据不唯一问题。下述实施例的方案可有效避免了传统主、备通信模式下，主通信模块故障恢复后，由备用通信模块切换回主通信模块产生的数据回跳现象；解决冗余通信模块因暂时性单、双故障导致对外通信失败后的快速故障恢复问题。
48.实施例一
49.如图1所示，本实施例提供的一种冗余通信模块对外通信权限的切换方法的流程示意图，本实施例的方法为安全控制系统中的冗余通信模块，下述实施例的第一通信模块和第二通信模块组成冗余通信模块，本实施例的方法可包括下述的步骤：
50.s10：第一通信模块处于通信故障状态且确定第二通信模块同时发生通信故障时，所述第一通信模块根据对外通信权限的轮流分配策略，与第二通信模块轮流开启对外通信权限以与外部设备尝试通信；
51.s20、所述第一通信模块通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送冗余通信数据，所述冗余通信数据包括：所述对外通信权限的轮流分配策略信息和自身通信故障诊断结果。
52.本实施例中，对外通信权限的轮流分配策略为：n秒周期调度对外通信权限的策略；n为小于等于10的正数，例如n为3s、5s、7s、8s等。
53.可理解的是，第一通信模块根据对外通信权限的轮流分配策略，与第二通信模块轮流开启对外通信权限以与外部设备尝试通信，包括：
54.所述第一通信模块在当前n秒调度周期内开启对外通信权限，并与外部设备尝试通信，以及监听外部设备的应答数据，所述第二通信模块监听外部设备的应答数据；
55.所述第二通信模块在下一个n秒调度周期内开启对外通信权限，并与外部设备尝试通信，以及监听外部设备的应答数据，所述第一通信模块监听外部设备的应答数据。
56.s30、若第一通信模块的通信故障清除且处于开启对外通信权限的调度周期内，则与外部设备正常通信，并通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送新的冗余通信数据；
57.若第一通信模块的通信故障清除且处于关闭对外通信权限的调度周期内，则等待自身的对外通信权限开启的调度周期，在开启对外通信权限的调度周期内与外部设备正常通信，并通过冗余通信通道向所述第二通信模块发送新的冗余通信数据；该新的冗余通信数据可包括：自身通信故障清除的信息和通知第二通信模块关闭对外通信权限的信息；
58.本实施例中第一通信模块和第二通信模块组成安全控制系统的冗余通信模块。
59.需要说明的是，处于通信故障状态的第一通信模块还用于监听外部设备的应答数据，若正确获取到应答数据则确定自身的通信故障清除；
60.处于通信故障状态的第二通信模块还用于监听外部设备的应答数据，若正确获取到应答数据则确定自身的通信故障清除；
61.所述第一通信模块通过所述冗余通信通道实时与所述第二通信模块通信，第一通信模块为主通信模块，第二通信模块可为备用通信模块；若第一通信模块为备用通信模块，则第二通信模块为主通信模块。上述的冗余通信通道为底层物理通信总线连接的数据通道。
62.上述的通信故障为通信硬件故障、通信连接故障、通信响应超时故障，或mcu故障。
63.本实施例的方法通过双故障条件下两个通信模块周期性调度轮流分配对外通信权限，尝试恢复对外通信，其中无对外通信权限的通信模块通过冗余监听进行周期性自诊断，保证双故障条件下的快速恢复，降低双故障对通信的干扰，避免了传统主、备通信模式下，主通信模块故障恢复后，由备用通信模块切换回主通信模块产生的数据回跳现象，保证了通信数据的稳定性。
64.在具体实现过程中，上述方法还包括下述的步骤s40：
65.s40：若第一通信模块和第二通信模块的冗余通信通道故障，则在冗余通信通道故障时开启对外通信权限的第一通信模块或第二通信模块不主动切换对外通信权限；
66.在所述冗余通信通道故障清除时，所述第一通信模块与所述第二通信模块通过所述冗余通信通道通信，并各自根据通信的信息执行开启或关闭所述对外通信权限。
67.本实施例的主通信模块和备用通信模块分别进行实时的内部冗余通信和周期性与外部设备通信，并将各自的诊断结果(包括正常诊断和故障诊断)通过冗余通信通道交互。例如，主通信模块获得备用通信模块的诊断结果，备用通信模块获得主通信模块的诊断结果，并将对方的诊断结果和自身的诊断结果对比，判断是否进行对外通信权限切换。最终实现主通信模块在故障条件下的对外通信权限切换，在冗余通信模块双故障时能够周期性轮流调度对外通信权限切换，达到快速进行故障恢复的需求。
68.实施例二
69.主、备通信模块之间完全相同且独立，主、备通信模块通过对自身的内部通信和对外通信故障进行诊断分析，并将诊断结果通过硬件总线(即冗余通信通道)进行数据交互，在主通信模块正常通信时，不进行对外通信权限的切换，此时备用通信模块挂起；在主通信模块发生通信故障时，备用通信模块通过冗余通信通道的交互切换获得对外通信权限；反之，备用通信模块正常通信时，不进行对外通信权限的切换，此时主通信模块挂起；若备用通信模块发生通信故障，通过冗余通信通道交互使得主通信模块获得对外通信权限。
70.若主、备通信模块同时发生故障，则通过主、备通信模块周期性轮流调度来切换对外通信权限，当其中一个通信模块获得对外通信权限时，另一个通信模块进入无对外通信权限的冗余监听状态，在监听状态下仅获取外部设备应答数据，若能够正常获取监听数据即确定自身故障状态清除。当主、备模块中有一模块能够清除故障时，可以快速恢复对外通信状态，实现双故障状态下的故障恢复，实现一种高可靠性的对外通信权限的切换。
71.以下结合图2进行详细说明。
72.201:第二通信模块m2对外通信过程中发生通信故障，对外通信权限切换至第一通信模块m1，此时，第二通信模块m2进入冗余监听状态(如图2中的t1时间段)。
73.当第二通信模块m2获得对外通信权限时发生如mcu故障、通信硬件故障、通信连接故障、通信响应超时等故障，导致第二通信模块m2无法与外部设备s1进行正常业务通信时，第二通信模块m2向第一通信模块m1发送含有自身故障诊断信息的冗余通信数据，同时第一通信模块m1也向第二通信模块m2发送含有自身故障诊断信息的冗余通信数据。
74.第二通信模块m2接收到第一通信模块m1的冗余通信数据后，对第一通信模块m1的冗余通信数据进行解析，若自身通信故诊断结果为故障且第一通信模块m1诊断结果正常，则第二通信模块m2关闭对外通信权限且停止对外通信业务；同时，第一通信模块m1接收到第二通信模块m2的冗余通信数据后，对第二通信模块m2的冗余通信数据进行解析，若自身通信故障诊断结果正常则获取对外通信权限，第一通信模块m1开始对外通信调度。
75.202：第二通信模块m2通过冗余监听，确定通信故障清除，则借助于冗余通信通道与第一通信模块m1交互，并挂起。
76.203:若第一通信模块m1对外通信过程中发生通信故障，通过冗余通信通道将外通信权限切换至第二通信模块m2，第一通信模块m1进入冗余监听状态(如图2中的t2时间段)。
77.当第一通信模块m1获得对外通信权限时发生如mcu故障、通信硬件故障、通信连接
故障、通信响应超时等故障，导致第一通信模块m1无法对外部设备进行正常业务通信时，第一通信模块m1向第二通信模块m2发送含有自身故障诊断信息的冗余通信数据，同时第二通信模块m2也向第一通信模块m1发送含有自身故障诊断信息的冗余通信数据。
78.也就是说，第一通信模块m1接收到第二通信模块m2的冗余通信数据，对第二通信模块m2的冗余通信数据进行解析，若自身通信故诊断结果为故障且第二通信模块m2诊断结果正常，则第一通信模块m1关闭对外通信权限且停止对外通信业务；同时，第二通信模块m2接收到第一通信模块m1的冗余通信数据后，对第一通信模块m1的冗余通信数据进行解析，若自身通信故障诊断结果正常则获取对外通信权限，第二通信模块m2开始对外通信调度。
79.204：若第一通信模块m1通过冗余监听，确定通信故障清除，则借助于冗余通信通道与第二通信模块m2交互，并挂起。
80.205：第一通信模块m1通过冗余监听，通信故障未清除，此时，第二通信模块m2对外通信过程中发生通信故障，则根据预先定义的周期轮流调度策略获得5s对外通信权限，第一通信模块1进入冗余监听(如图2中的t3时间段)。
81.206、在第二通信模块m2对外通信5s后，关闭对外通信权限，并实时通过冗余通信通道与第一通信模块m1进行冗余通信；第一通信模块m1尝试与外部设备s1尝试通信(如图2中的t4时间段和t5时间段、t6时间段)；
82.上述第一通信模块m1和第二通信模块m2均各自轮流持续5s与外部设备尝试通信，在于外部设备尝试通信的周期内第一通信模块和第二通信模块通过冗余通信通道进行内部通信，并监听外部设备的应答数据。
83.也就是说，两个模块之间有底层硬件通信总线连接用于数据交互，第一通信模块m1通过通信总线向第二通信模块m2发送含有自身通信故障诊断结果的冗余通信数据，同时第二通信模块m2也通过通信总线向第一通信模块m1发送含有自身通信故障诊断结果的冗余通信数据。
84.当第一通信模块m1和第二通信模块m2同时发生故障时，第一通信模块1以5s为周期轮流和第二通信模块m2获取对外通信权限，使得第一通信模块m1、第二通信模块m2周期性切换对外通信权限，分别轮流获得以5s为周期对外通信权限调度，尝试与外部设备进行通信：
85.第一通信模块m1具有对外通信权限时，第一通信模块m1通过冗余通信数据令第二通信模块m2关闭对外通信权限，第二通信模块m2接收到第一通信模块m1发送的冗余通信数据后关闭对外通信权限，第二通信模块m2通过冗余通信数据向第一通信模块m1发送自身当前权限状态，同时第二通信模块m2进入冗余监听状态，在监听状态下第二通信模块m2仅获取外部设备的应答数据；
86.若第二通信模块m2能够正常获得应答数据即自身的通信故障清除，当下一个对外通信权限调度周期时，第二通信模块m2可以快速恢复对外通信状态，实现双故障状态下的故障恢复。
87.当第一通信模块m1解析第二通信模块m2冗余通信数据中第二通信模块m2状态为关闭对外通信权限时，第一通信模块m1以5s为周期与外部设备进行通信，避免冗余通信过程中出现第一通信模块m1和第二通信模块m2同时获得对外通信权限情况，保证双故障条件下对外通信权限的唯一性。
88.若第一通信模块m1在5s内对外通信仍旧持续故障，此时第一通信模块m1进行权限翻转，即关闭自身对外通信权限，此时第一通信模块m1通过冗余通信数据向第二通信模块m2发送用于获取对外通信权限的信息，使第二通信模块m2开启对外通信权限，同时第一通信模块m1进入冗余监听状态，在监听状态下第一通信模块m1仅获取外部设备的应答数据，若能够正常获取应答数据即自身通信故障清除，当下一个对外通信权限调度周期时，第一通信模块m1可以快速恢复对外通信状态，实现双故障状态下的故障恢复(如图2中的t7时间段，监听恢复的过程)。
89.207、当第一通信模块m1和第二通信模块m2底层冗余通信故障(如图2中的t8时间段)时，冗余通信处于失联状态，若第一通信模块m1开启对外通信权限，第二通信模块m2关闭对外通信权限的状态，则持续第一通信模块m1与外部设备s1的通信，保证对外通信数据唯一性。
90.上述方法中通过冗余通信数据交互以实现对外通信权限的切换，保证冗余通信模块在正常、故障条件下对外通信数据的唯一性，避免冗余通信模块双权限工作现象。
91.本实施例中单一通信模块故障时对系统工作不影响；双故障条件下两个冗余通信模块周期性权限调度和监听自诊断，降低双故障对通信的干扰，避免了传统通信模块权限切换产生的数据回跳现象。
92.实施例三
93.本发明实施例还提供一种用于仪表仪器内部的安全控制系统，安全控制系统内设置有第一通信模块和第二通信模块，
94.所述第一通信模块和第二通信模块执行上述实施例一或实施例二所述的冗余通信模块对外通信权限的切换方法。
95.上述的仪表仪器可为一种电子设备，其包括存储器和处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器内存储的计算机程序，并执行上述权任意实施例所述的冗余通信模块对外通信权限的切换方法。
96.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
97.此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
98.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施
例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
99.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。