CN103401630B - 一种工业控制网络中的冗余校时***及方法 - Google Patents
一种工业控制网络中的冗余校时***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种工业控制网络中的冗余校时***及方法，所述***由***、主时间判决器、冗余时间判决器、时间从设备和以太网组成，其中主时间判决器、冗余时间判决器通过以太网相连，时间从设备位于处在工业控制网络的设备上，***通过无线方式将时间信息发送给主时间判决器和冗余时间判决器，主时间判决器和冗余时间判决器将经过处理的时间信息发送至时间从设备。该***和方法采用冗余的时间判决器、时间从设备诊断错误的方法，提高整个校时***的精确性和可靠性。同时，使用***接收卫星信号，以卫星时钟信号为参考时间，可与常用手表、手机等产品的时钟保持一致，方便操作人员进行操作。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制和通信技术领域，具体为一种工业控制网络中的冗余校时***及方法。
背景技术
在工业控制***中，具有各种各样的控制装置、现场设备、计算机等设备。这些设备都有自己的本地时钟。操作人员和设备执行的各种操作都以该时钟为基准。因此，设备的时钟关系到操作是否能正确的执行，对于***的正常运行非常关键。
目前工业控制***常采用的校时方法为：以其中一个设备为时钟主设备，周期性地向网络发送时钟信号，其他设备利用收到的时钟信息更新本地时钟。该方法因为以指定的设备作为基准时间，而该时间可能和平常用的手表、手机等时间有较大误差，会给操作人员带来不便，也不易进行事故追踪。同时，当该方法使用的时钟主设备发生故障时，整个***的时钟同步将失效，可靠性得不到保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业控制网络中的冗余校时***及方法，为工业控制***中的各种设备提供统一的时钟信号，使各设备保持时钟同步。
为了实现上述第一目的，采用以下技术方案：一种工业控制网络中的冗余校时***，其特征在于：所述***由***、主时间判决器、冗余时间判决器、时间从设备和以太网组成，其中主时间判决器、冗余时间判决器通过以太网相连，时间从设备位于处在工业控制网络的设备上，***通过无线方式将时间信息发送给主时间判决器和冗余时间判决器，主时间判决器和冗余时间判决器将经过处理的时间信息发送至时间从设备。
为了实现上述第二目的，采用以下技术方案：一种工业控制网络中的冗余校时方法，其特征在于：所述方法包括以下过程：
A：主时间判决器MTD运行过程；
B: 冗余时间判决器RTD运行过程；
C：时间从设备TSD运行过程；
其中：主时间判决器MTD运行过程包括下列步骤：
A-1：开始；
A-2：设置T、Terror，0→A_Terror_c，0→A_r_role； 其中A_Terror_c为主时间判决器错误计数器；A_r_role为主时间判决器角色帧次数；Terror为限值，T为更新周期；
A-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t1，并使用t1更新t3的值；
A-4：判断是否接收到冗余时间判决器RTD来的时钟信号t2，如果接收到t2，则转到A-5；如果没有接收到，则转到A-6；
A-5：取t1、t2的平均值并用该值更新t3的值；
A-6：判断是否已到发布时间，若已经到达，则转到A-7，若没有到达则返回A-3；
A-7：向时间从设备TSD分发t3；
A-8：判断是否接收到误差超限错误帧，若收到则转到A-9，若没有则转到A-10；
A-9：进行主时间判决器MTD错误处理；
A-10：判断是否退出，若是则转到A-11，若不是则返回A-3；
A-11：退出；
主时间判决器MTD的错误处理过程：
AA-1：判断是否收到来自时间从设备TSD的错误报告帧，若是则转到AA-2，否则转到AA-4；
AA-2：A_Terror_c加1；
AA-3：判断误差次数是否大于3，若是则转到AA-4，否则转到AA-5；
AA-4：通知管理员有***错误，0→A_Terror_c；
AA-5：判断是否收到冗余时间判决器RTD的请求主时间判决器MTD的角色帧，若是转到AA-6，否则转到AA-7；
AA-6：A_r_role加1；
AA-7：判断A_r_role是否大于3，若是则转到AA-8，否则转到AA-9；
AA-8：切换自身的角色为冗余时间判决器RTD，发出允许角色状态切换帧，0→A_r_role，
AA-9：退出MTD错误处理；
冗余时间判决器RTD运行过程包括下列步骤：
B-1：开始；
B-2： 0→B_Terror_c，0→B_c_role；其中B_Terror_c为冗余时间判决器的错误计数器；B_c_role为冗余时间判决器的角色帧次数；
B-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t2，并使用t2更新本身存储的上一次得到的t3的值；
B-4：将自身的时钟信息t2发送给主时间判决器MTD；
B-5：监听主时间判决器MTD发出的t3；
B-6：判断是否收到主时间判决器MTD分发的时间信息t3，若收到，则转到B-7，若没有则转到B-8；
B-7：将错误计数器B_Terror_c置为0，转到B-11；
B-8：将错误计数器B_Terror_c加1；
B-9：判断B_Terror_c是否大于3，若是则转到B-10，若不是则转到B-11；
B-10：进行RTD错误处理；
B-11：判断是否退出，若是则转到B-12，若不是则返回B-2；
B-12：退出；
冗余时间判决器RTD的错误处理过程：
BB-1：发出请求切换为主时间判决器MTD的请求帧；
BB-2：判断是否收到允许切换的应答帧，若没有收到，转到BB-3，否则转到BB-6；
BB-3：B_c_role加1；
BB-4：判断B_c_role是否大于3，若大于则转到BB-5，否则转到BB-8；
BB-5：发出强制时间信息t_force，转到BB-8；
BB-6：切换角色为主时间判决器MTD，接替主时间判决器MTD的工作；
BB-7：0→B_c_role；
BB-8：退出RTD错误处理；
时间从设备TSD运行过程包括下列步骤：
C-1：开始；
C-2：设置0→c_local； c_loca为本地错误计数器；
C-3：估算主时间判决器MTD到本设备的传送时延t_delay；
C-4：接收来自主时间判决器MTD的时钟信息t3；
C-5：判断|t3+t_delay-t_local|>Terror，若大于则转到C-6，否则转到C-9；
C-6：本地错误计数器c_local加1；
C-7：判断c_local是否大于3，若大于则转到C-8，否则转到C-9；
C-8：发送误差超限错误帧到主时间判决器MTD；
C-9：使用t3更新本地时钟t_local；
C-10：0→c_local；
C-11：判断是否接收到来自冗余时间判决器RTD的t_force，若是则转到C-12，否则转到C-13；
C-12：使用t_force更新本地时钟t_local；
C-13：判断是否退出，若是则转到C-14，若不是则返回C-3；
C-14：退出。
该方法采用冗余的时间判决器、时间从设备诊断错误的方法，提高整个校时***的精确性和可靠性。同时，使用***接收卫星信号，以卫星时钟信号为参考时间，可与常用手表、手机等产品的时钟保持一致，方便操作人员进行操作。本发明有利于在工业控制***中保持各种设备的时钟同步，保障控制***的正常运行，增强***的可靠性。
附图说明
图1本发明中***的结构图；
图2主时间判决器操作方法流程图；
图3主时间判决器错误处理操作方法流程图；
图4冗余时间判决器操作方法流程图；
图5冗余时间判决器错误处理操作方法流程图；
图6时间从设备操作方法流程图；
图7 MTD/RTD与SR的通信帧格式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，这些描述不应理解为对本发明的任何限定。
一种工业控制网络中的冗余校时***，所述***由***、主时间判决器、冗余时间判决器、时间从设备和以太网组成，其中主时间判决器、冗余时间判决器通过以太网相连，时间从设备位于处在工业控制网络的设备上，***通过无线方式将时间信息发送给主时间判决器和冗余时间判决器，主时间判决器和冗余时间判决器将经过处理的时间信息发送至时间从设备。
本发明的***框图如图1所示。主要由***（SR）、主时间判决器（MTD）、冗余时间判决器（RTD）、时间从设备（TSD）几部分组成。SR接收卫星的信号，从信号中提取时间信息；等待MTD或RTD的请求，并将时间信息发送给MTD或RTD。MTD和RTD从SR获取基准时间信号。为了保证精度，MTD和RTD可同时从几个SR请求时间信号。在得到SR时间信号之后，MTD和RTD计算这些信号的均值并分别保存为本地时钟信号t1和t2。SR可同时接收MTD和RTD的请求。MTD和RTD也可以向同一SR发出请求。SR采取先来先服务方式进行响应。
RTD在计算出t2之后，立即将t2发送给MTD。MTD在收到t2之后，对t1和t2进行比较，若t1和t2差值在可接受误差范围内，则计算均值t3=(t1+t2)/2。若超出可接受误差范围，则转到MTD错误处理中。RTD在发出t2之后，立即对MTD进行监听。RTD监听MTD发出的帧。若连续三个周期没有监听到MTD发出的包。则RTD将代替发送时间分发帧。并利用冗余协议向MTD报告错误，并申请接替MTD的工作。
MTD计算出t3之后，把t3发送到控制网络的TSD。TSD预先估算MTD到本设备的发送时延t_delay，在收到t3之后，对t_delay和t3进行求和与本设备时间信号t_local进行比较。若大于可接受误差范围，则累加本地错误计数器。当错误次数达到3时，发送误差超限错误帧到MTD。之后用t_delay+t3更新本地时钟t_local。
MTD若收到来自RTD或TSD的错误报告帧则转到错误处理程序。
文中各个具体设备可以采用以下技术：
SR的实现
SR接收卫星的信号，从卫星信号中分离出时钟信号。为***的时钟同步提供基准的时间参考。
SR的数据处理量不大，因此可以采用低成本，如STC89C52，微处理器芯片来实现。选用单片机12864液晶（带字库）模块。为了接收卫星信号，选择SIRF 3 GPS芯片，并转换为TTL电平的串口通信与STC89C52连接。SR的天线接收GPS卫星信号，传到SIRF 3 GPS芯片处理后得到时间信息。STC89C52通过串口读取GPS芯片的时间信息，并存储下来，等待MTD或RTD的读取。当接收到MTD或RTD的请求时，SR将时间信息发送给MTD或RTD的实现。
MTD和RTD的组成是一样的，只是在运行过程中的角色不一样。MTD和RTD的计算量比SR大，可选用S3C2410A芯片来处理。与SR的通信可选用RS485网络，也可采用RS232串口点对点通信。MTD/RTD与SR的通信采用图7的帧格式。
从SR读取时钟参考数据，取平均值作为MTD的时钟参考。MTD可以读取RTD的时钟信息，并与自己的信息取均值，更新自己的时钟参考。MTD按照其将时钟信息分发给TSD。MTD也接收来自RTD和TSD的反馈信息，并根据反馈信息执行错误处理、角色改变等操作。MTD在必要时可以将自身的角色更改为RTD。
RTD作为MTD的冗余，可以从SR读取时钟参考数据，取平均值作为RTD的时钟参考。在MTD读取时钟信息时，RTD可以将自身最新的时钟信息发送给MTD。RTD同时监视MTD的运行情况，若检测到错误，将通知MTD进行处理。如果判定MTD失效，则可以发出强制命令，使自己的角色更改为MTD，而使原来的MTD更改为RTD。
冗余校时***的实现
冗余校时***由***（SR）、主时间判决器（MTD）、冗余时间判决器（RTD）、时间从设备（TSD）几部分组成。SR接收卫星的信号，从信号中提取时间信息；等待MTD或RTD的请求，并将时间信息发送给MTD或RTD。MTD和RTD从SR获取基准时间信号。为了保证精度，MTD和RTD可同时从几个SR请求时间信号。在得到SR时间信号之后，MTD和RTD计算这些信号的均值并分别保存为本地时钟信号t1和t2。SR可同时接收MTD和RTD的请求。MTD和RTD也可以向同一SR发出请求。SR采取先来先服务方式进行响应。
RTD在计算出t2之后，立即将t2发送给MTD。MTD在收到t2之后，对t1和t2进行比较，若t1和t2差值在可接受误差范围内，则计算均值t3=(t1+t2)/2。若超出可接受误差范围，则转到MTD错误处理中。RTD在发出t2之后，立即对MTD进行监听。RTD监听MTD发出的帧。若连续三个周期没有监听到MTD发出的包。则RTD将代替发送时间分发帧。并利用冗余协议向MTD报告错误，并申请接替MTD的工作。
MTD计算出t3之后，把t3发送到控制网络的TSD。TSD预先估算MTD到本设备的发送时延t_delay，在收到t3之后，对t_delay和t3进行求和与本设备时间信号t_local进行比较。若大于可接受误差范围，则累加本地错误计数器。当错误次数达到3时，发送误差超限错误帧到MTD。之后用t_delay+t3更新本地时钟t_local。
具体的方法，如图2至图7所示，
一种工业控制网络中的冗余校时方法，所述方法包括以下过程：
A：主时间判决器MTD运行过程；
B: 冗余时间判决器RTD运行过程；
C：时间从设备TSD运行过程；
其中：主时间判决器MTD运行过程包括下列步骤：
A-1：开始；
A-2：设置T、Terror，0→A_Terror_c，0→A_r_role； 其中A_Terror_c为主时间判决器错误计数器；A_r_role为主时间判决器角色帧次数；Terror为限值，T为更新周期；
A-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t1，并使用t1更新t3的值；
A-4：判断是否接收到冗余时间判决器RTD来的时钟信号t2，如果接收到t2，则转到A-5；如果没有接收到，则转到A-6；
A-5：取t1、t2的平均值并用该值更新t3的值；
A-6：判断是否已到发布时间，若已经到达，则转到A-7，若没有到达则返回A-3；
A-7：向时间从设备TSD分发t3；
A-8：判断是否接收到误差超限错误帧，若收到则转到A-9，若没有则转到A-10；
A-9：进行主时间判决器MTD错误处理；
A-10：判断是否退出，若是则转到A-11，若不是则返回A-3；
A-11：退出；
主时间判决器MTD的错误处理过程：
AA-1：判断是否收到来自时间从设备TSD的错误报告帧，若是则转到AA-2，否则转到AA-4；
AA-2：A_Terror_c加1；
AA-3：判断误差次数是否大于3，若是则转到AA-4，否则转到AA-5；
AA-4：通知管理员有***错误，0→A_Terror_c；
AA-5：判断是否收到冗余时间判决器RTD的请求主时间判决器MTD的角色帧，若是转到AA-6，否则转到AA-7；
AA-6：A_r_role加1；
AA-7：判断A_r_role是否大于3，若是则转到AA-8，否则转到AA-9；
AA-8：切换自身的角色为冗余时间判决器RTD，发出允许角色状态切换帧，0→A_r_role，
AA-9：退出MTD错误处理；
冗余时间判决器RTD运行过程包括下列步骤：
B-1：开始；
B-2： 0→B_Terror_c，0→B_c_role；其中B_Terror_c为冗余时间判决器的错误计数器；B_c_role为冗余时间判决器的角色帧次数；
B-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t2，并使用t2更新本身存储的上一次得到的t3的值；
B-4：将自身的时钟信息t2发送给主时间判决器MTD；
B-5：监听主时间判决器MTD发出的t3；
B-6：判断是否收到主时间判决器MTD分发的时间信息t3，若收到，则转到B-7，若没有则转到B-8；
B-7：将错误计数器B_Terror_c置为0，转到B-11；
B-8：将错误计数器B_Terror_c加1；
B-9：判断B_Terror_c是否大于3，若是则转到B-10，若不是则转到B-11；
B-10：进行RTD错误处理；
B-11：判断是否退出，若是则转到B-12，若不是则返回B-2；
B-12：退出；
冗余时间判决器RTD的错误处理过程：
BB-1：发出请求切换为主时间判决器MTD的请求帧；
BB-2：判断是否收到允许切换的应答帧，若没有收到，转到BB-3，否则转到BB-6；
BB-3：B_c_role加1；
BB-4：判断B_c_role是否大于3，若大于则转到BB-5，否则转到BB-8；
BB-5：发出强制时间信息t_force，转到BB-8；
BB-6：切换角色为主时间判决器MTD，接替主时间判决器MTD的工作；
BB-7：0→B_c_role；
BB-8：退出RTD错误处理；
时间从设备TSD运行过程包括下列步骤：
C-1：开始；
C-2：设置0→c_local； c_local为本地错误计数器；
C-3：估算主时间判决器MTD到本设备的传送时延t_delay；
C-4：接收来自主时间判决器MTD的时钟信息t3；
C-5：判断|t3+t_delay-t_local|>Terror，若大于则转到C-6，否则转到C-9；
C-6：本地错误计数器c_local加1；
C-7：判断c_local是否大于3，若大于则转到C-8，否则转到C-9；
C-8：发送误差超限错误帧到主时间判决器MTD；
C-9：使用t3更新本地时钟t_local；
C-10：0→c_local；
C-11：判断是否接收到来自冗余时间判决器RTD的t_force，若是则转到C-12，否则转到C-13；
C-12：使用t_force更新本地时钟t_local；
C-13：判断是否退出，若是则转到C-14，若不是则返回C-3；
C-14：退出。
文中相关技术术语的名词解释
***（SR）：
SR接收卫星的信号，从卫星信号中分离出时钟信号。为***的时钟同步提供基准的时间参考。
主时间判决器（MTD）：
从SR读取时钟参考数据，取平均值作为MTD的时钟参考。MTD可以读取RTD的时钟信息，并与自己的信息取均值，更新自己的时钟参考。MTD按照其将时钟信息分发给TSD。MTD也接收来自RTD和TSD的反馈信息，并根据反馈信息执行错误处理、角色改变等操作。MTD在必要时可以将自身的角色更改为RTD。
冗余时间判决器（RTD）：
RTD作为MTD的冗余，可以从SR读取时钟参考数据，取平均值作为RTD的时钟参考。在MTD读取时钟信息时，RTD可以将自身最新的时钟信息发送给MTD。RTD同时监视MTD的运行情况，若检测到错误，将通知MTD进行处理。如果判定MTD失效，则可以发出强制命令，使自己的角色更改为MTD，而使原来的MTD更改为RTD。
时间从设备（TSD）：
接收MTD/RTD时钟信号的设备。主要是接收分发的时钟信号，并使用该信号更新本地时钟的计算机、控制器、操作站等。
Claims (1)
1.一种工业控制网络中的冗余校时***的工业控制网络中的冗余校时方法，其特征在于：所述方法包括以下过程：
A：主时间判决器MTD运行过程；
B: 冗余时间判决器RTD运行过程；
C：时间从设备TSD运行过程；
其中：主时间判决器MTD运行过程包括下列步骤：
A-1：开始；
A-2：设置T、Terror，0→A_Terror_c，0→A_r_role； 其中A_Terror_c为主时间判决器错误计数器；A_r_role为主时间判决器角色帧次数；Terror为限值，T为更新周期；
A-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t1，并使用t1更新t3的值；
A-4：判断是否接收到冗余时间判决器RTD来的时钟信号t2，如果接收到t2，则转到A-5；如果没有接收到，则转到A-6；
A-5：取t1、t2的平均值并用该值更新t3的值；
A-6：判断是否已到发布时间，若已经到达，则转到A-7，若没有到达则返回A-3；
A-7：向时间从设备TSD分发t3；
A-8：判断是否接收到误差超限错误帧，若收到则转到A-9，若没有则转到A-10；
A-9：进行主时间判决器MTD错误处理；
A-10：判断是否退出，若是则转到A-11，若不是则返回A-3；
A-11：退出；
主时间判决器MTD的错误处理过程：
AA-1：判断是否收到来自时间从设备TSD的错误报告帧，若是则转到AA-2，否则转到AA-4；
AA-2：A_Terror_c加1；
AA-3：判断误差次数是否大于3，若是则转到AA-4，否则转到AA-5；
AA-4：通知管理员有***错误，0→A_Terror_c；
AA-5：判断是否收到冗余时间判决器RTD的请求主时间判决器MTD的角色帧，若是转到AA-6，否则转到AA-7；
AA-6：A_r_role加1；
AA-7：判断A_r_role是否大于3，若是则转到AA-8，否则转到AA-9；
AA-8：切换自身的角色为冗余时间判决器RTD，发出允许角色状态切换帧，0→A_r_role，
AA-9：退出MTD错误处理；
冗余时间判决器RTD运行过程包括下列步骤：
B-1：开始；
B-2： 0→B_Terror_c，0→B_c_role；其中B_Terror_c为冗余时间判决器的错误计数器；B_c_role为冗余时间判决器的角色帧次数；
B-3：接收来自***SR的时钟信号，得到t2，并使用t2更新本身存储的上一次得到的t3的值；
B-4：将自身的时钟信息t2发送给主时间判决器MTD；
B-5：监听主时间判决器MTD发出的t3；
B-6：判断是否收到主时间判决器MTD分发的时间信息t3，若收到，则转到B-7，若没有则转到B-8；
B-7：将错误计数器B_Terror_c置为0，转到B-11；
B-8：将错误计数器B_Terror_c加1；
B-9：判断B_Terror_c是否大于3，若是则转到B-10，若不是则转到B-11；
B-10：进行RTD错误处理；
B-11：判断是否退出，若是则转到B-12，若不是则返回B-2；
B-12：退出；
冗余时间判决器RTD的错误处理过程：
BB-1：发出请求切换为主时间判决器MTD的请求帧；
BB-2：判断是否收到允许切换的应答帧，若没有收到，转到BB-3，否则转到BB-6；
BB-3：B_c_role加1；
BB-4：判断B_c_role是否大于3，若大于则转到BB-5，否则转到BB-8；
BB-5：发出强制时间信息t_force，转到BB-8；
BB-6：切换角色为主时间判决器MTD，接替主时间判决器MTD的工作；
BB-7：0→B_c_role；
BB-8：退出RTD错误处理；
时间从设备TSD运行过程包括下列步骤：
C-1：开始；
C-2：设置0→c_local； c_local为本地错误计数器；
C-3：估算主时间判决器MTD到本设备的传送时延t_delay；
C-4：接收来自主时间判决器MTD的时钟信息t3；
C-5：判断|t3+t_delay-t_local|>Terror，若大于则转到C-6，否则转到C-9；
C-6：本地错误计数器c_local加1；
C-7：判断c_local是否大于3，若大于则转到C-8，否则转到C-9；
C-8：发送误差超限错误帧到主时间判决器MTD；
C-9：使用t_delay+t3更新本地时钟t_local；
C-10：0→c_local；
C-11：判断是否接收到来自冗余时间判决器RTD的t_force，若是则转到C-12，否则转到C-13；
C-12：使用t_force更新本地时钟t_local；
C-13：判断是否退出，若是则转到C-14，若不是则返回C-3；
C-14：退出。
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Publications (2)
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|---|---|---|---|---|
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