CN107255918A - 一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法 - Google Patents

一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法 Download PDF

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郑国昆
苏娟
刘丽媛
刘杰奇
许学雷
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Abstract

一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，应用于运载火箭地面测发控流程中，实现远距离测试时对远程控制计算机的热备冗余切换。首先，两台互为冗余的远程控制计算机的硬件配备双网卡，并且可以通过INTEL的Team技术进行捆绑，对外仅使用一个IP地址，通过双机冗余的以太网交换机组成网络；其次，两台远程控制计算机均可以通过以太网发布网络变量，实现互相监测功能，并通过以太网与可编程逻辑控制器PLC进行数据通信；当一台远程控制计算机出现故障时，另一台无故障远程控制计算机通过监测故障远程控制计算机的状态，然后自动实现将故障计算机当前的控制状态同步至另一台无故障计算机，实现自动切换控制。

Description

一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法
技术领域
本发明属于运载火箭地面设备测试控制领域，设计一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法。
背景技术
运载火箭地面测试流程中，采用将控制计算机设置在测发控制间内，远程对运载火箭进行测试和控制，因此远程控制计算机与运载火箭发射阵地前端的可编程逻辑控制器PLC的控制交互十分重要。
出于对***可靠性等要求，远程控制计算机一般为双机热备冗余方式，由于现有技术并没有一种通用的针对PC的故障检测冗余切换方法；因此，远程控制计算机热备冗余方法中的冗余切换，一般分为三种方式，一为手动切换、一为自动切换、一为完全双机热备，即两台远程控制计算机状态完全相同，均可以进行控制和监测。
对于手动切换的方法，在发生故障时，需要操作手先通过故障的现象确认后，在操作人机界面进行手动切换，需要事先指定判断标准并且需要有决策是否进行切换时间，人工判断效率相对低下；
对于完全双机热备的方法，双机同时具备监测和控制功能，此种方法没有切换时间，双机可无缝切换，但是由于双机同时具备控制功能，可能会引入误操作的风险，误操作发生的可能性和带来的隐患更为严重，因此完全双机热备的方法也存在一定的风险。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种自动检测故障、自动切换的远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，本发明的方法仅有一个远程控制计算机具备控制功能，消除双机热备时误操作的风险；同时本发明为自动切换，效率较手动切换高。
本发明的技术解决方案是：一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，步骤如下：
(1)在运载火箭的发射平台内，即前端，设置可编程逻辑控制器PLC，在运载火箭测发控制间，即远程端，设置远程控制计算机并配有人机界面用于操作手监测和操作，可编程逻辑控制器PLC和远程控制计算机均为双机冗余设置，双机冗余设置即为一主机、一备机；
(2)每台远程控制计算机均配置双网卡，并利用Intel提供的网卡管理驱动进行双网卡绑定，绑定后双网卡作为一个Team使用，即对外仅有一个IP，两块网卡只要有一个或一个以上的网卡正常工作，即可实现网络的正常数据传输功能；
(3)在远程端和前端均设置双以太网交换机，且远程端和前端的以太网交换机通过光网转换设备交叉冗余连接，实现网络拓扑结构的冗余；
(4)远程控制计算机，进行初始化操作之后自动获取远程控制计算机的IP地址，并判断此远程控制计算机为主机或备机；
(5)主机与备机通过以太网TCP协议发布本机的心跳值与本机控制权状态，控制权为真的远程控制计算机具备控制与监测功能，控制权为假的远程控制计算机仅具备监测功能；主机与备机在同一时刻仅有一台控制权为真；
(6)控制权为真的远程控制计算机定期监测本机与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如连接状态正常，则心跳值+1；如连接状态异常，则心跳值保持不变；
(7)控制权为假的远程控制计算机定期读取控制权为真的远程控制计算机的心跳值，如果超过设定阈值时间后控制权为真的远程控制计算机心跳值不变，则判定控制权为真的远程控制计算机出现故障，控制权为假的远程控制计算机将本机的控制权置为真，同时该远程控制计算机开始检测与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如状态正常，则将本机心跳值+1，如状态异常，则本机心跳值保持不变；
(8)控制权为假的远程控制计算机进行了控制权置为真的操作时，执行同步状态操作，即将出现故障的远程控制计算机的人机界面上的状态通过以太网同步至本机，保证进行控制权切换时不会影响远程控制计算机的人机界面控制状态；
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的方法在信号链路上全链路交叉冗余设计，在***出现一度故障，即***中的一点出现故障时，可在不进行任何处理的情况继续进行流程操作，而不影响***功能和性能的实现。
(2)本发明方法可实现自动检测IP判断主机或备机、自动执行初始化操作，自动进行故障检测和控制权切换，提升了切换效率，比手动切换时操作人员人工判断切换的及时性高。
(3)本发明的方法同时仅有一台远程控制计算机可实现控制功能，对可编程控制器PLC的控制只能通过具备控制功能的远程控制计算机完成，另一台远程控制计算机不具备控制功能，仅能实现监测功能，这样就降低两台远程控制计算机同时控制而引入了误操作的风险，
(4)本发明的远程控制计算机在发生控制权切换时，可自动将原具备控制权的远程控制计算机人机界面的状态同步，避免了在故障切换时，两台远程控制计算机的控制状态不一致而导致的风险。
(5)本发明中远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法中涉及到硬件拓扑结构简单，开发难度较低，而控制方法工程实现简单，可实现快速开发实现的目的。
附图说明
图1为本发明的数据流向图；
图2为本发明的硬件连接图。
具体实施方式
本发明一种适用于多种故障模式的远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法,应用于运载火箭地面测发控流程中，实现远距离测试时对远程控制计算机的热备冗余切换。首先，两台互为冗余的远程控制计算机的硬件配备双网卡，并且可以通过INTEL的Team技术进行捆绑，对外仅使用一个IP地址，通过双机冗余的以太网交换机组成网络；其次，两台远程控制计算机均可以通过以太网发布网络变量，实现互相监测功能，并通过以太网与可编程逻辑控制器PLC进行数据通信；再次，两台远程控制计算机中一台具备监测可编程逻辑控制器PLC状态的功能，另一台既具备监测可编程逻辑控制器PLC状态的功能，也具备控制可编程逻辑控制器PLC进行输出的功能；当一台远程控制计算机出现故障时，另一台无故障远程控制计算机通过监测故障远程控制计算机的状态，然后自动实现将故障计算机当前的控制状态同步至另一台无故障计算机，且无故障远程控制计算机取得控制权限，实现自动切换控制。
本发明的基本思路为：一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)在运载火箭的发射平台内，即前端，设置可编程逻辑控制器PLC，在运载火箭测发控制间，即远程端，设置远程控制计算机并配有人机界面用于操作手监测和操作，可编程逻辑控制器PLC和远程控制计算机均为双机冗余设置，双机冗余设置即为一主机、一备机；
(2)每台远程控制计算机均配置双网卡，并利用Intel提供的网卡管理驱动进行双网卡绑定，绑定后双网卡作为一个Team使用，即对外仅有一个IP，两块网卡只要有一个或一个以上的网卡正常工作，即可实现网络的正常数据传输功能；
(3)在远程端和前端均设置双以太网交换机，且远程端和前端的以太网交换机通过光网转换设备交叉冗余连接，实现网络拓扑结构的冗余；
(4)远程控制计算机，进行初始化操作之后自动获取远程控制计算机的IP地址，并判断此远程控制计算机为主机或备机；
(5)主机与备机通过以太网TCP协议发布本机的心跳值与本机控制权状态，控制权为真的远程控制计算机具备控制与监测功能，控制权为假的远程控制计算机仅具备监测功能；主机与备机在同一时刻仅有一台控制权为真；
(6)控制权为真的远程控制计算机定期监测本机与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如连接状态正常，则心跳值+1；如连接状态异常，则心跳值保持不变；
(7)控制权为假的远程控制计算机定期读取控制权为真的远程控制计算机的心跳值，如果超过设定阈值时间后控制权为真的远程控制计算机心跳值不变，则判定控制权为真的远程控制计算机出现故障，控制权为假的远程控制计算机将本机的控制权置为真，同时该远程控制计算机开始检测与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如状态正常，则将本机心跳值+1，如状态异常，则本机心跳值保持不变；
(8)控制权为假的远程控制计算机进行了控制权置为真的操作时，执行同步状态操作，即将出现故障的远程控制计算机的人机界面上的状态通过以太网同步至本机，保证进行控制权切换时不会影响远程控制计算机的人机界面控制状态；
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在运载火箭加注发射过程中，运载火箭立于发射平台上，由于运载火箭推进剂有毒、低温等特点，因此需要发射平台操作人员在加注开始前提前撤离，因此运载火箭加注发射过程中的操作都是在处于远离发射平台的安全范围的测发控制间内完成，即通过远程控制发射平台完成加注发射流程中的工作。
在运载火箭发射平台的内部，即前端，设有可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC运行发射平台控制程序，用于控制发射平台的摆杆的开合，火箭箭体的垂直度调整，火箭发射平台上的导流孔的盖板的下翻，发射平台上的导流孔用于火箭点火起飞时尾焰的导流，导流孔上有一个盖板，在火箭点火之前盖板下翻露出导流孔，其余时间盖板盖住导流孔，防止操作人员跌落入导流槽内确保人员安全；在测发控制间，即远程端，设有远程控制计算机，远程控制计算机设有人机界面，用于发射平台状态的监测和控制，每台远程控制计算机均设有双网卡，并可以通过Intel的TEAM技术进行双网卡绑定，绑定后，双网卡共用同一IP地址，对外可通过一个IP地址进行数据通讯，即使一个网卡出现故障，也可以正常进行数据通信，按照TEAM技术提供的双网卡工作模式，将绑定后的双网卡模式设置为交换器容错模式，并且双网卡设为一主网卡、一从网卡。
人机界面设有指示灯和参数显示仪表，用于发射平台状态的监测，即远程控制计算机的监测功能；并且设有开关和旋钮等，用于控制发射平台各项功能的实现，即远程控制计算机的控制功能；在远程控制计算机具有控制权限，即远程控制计算机的控制权为真时，才可以实现人机界面的控制功能，远程控制计算机的控制权为假时，仅具备人机界面的监测功能；远程控制计算机可通过以太网发布自己的控制权状态以及心跳值，心跳值为64位整型数据，心跳值的初始值为0。
远程控制计算机为双机冗余，分别为主机和备机，二者通过预定设定的不同的IP地址来判定是主机或者备机。可编程逻辑控制器PLC为双机冗余，分别为主PLC和备PLC，每个PLC均设有双网卡，用于通过以太网进行数据通讯。
如图2所示，为本发明硬件连接图。每台远程控制计算机的双网卡分别连接至远程端以太网交换机(主)和远程端以太网交换机(备)；远程端以太网交换机(主)和远程端以太网交换机(备)通过光网转换设备交叉连接至前端以太网交换机(主)和前端以太网交换机(备)，光网转换设备是将以太网转换为光纤进行数据通讯，以提升数据通讯速度；主PLC和备PLC的双网卡分别连接至前端以太网交换机(主)和前端以太网交换机(备)。
这样，在图2中任意一条连接出现故障的情况下，均可完成远程端和前端数据通讯功能实现。
远程控制计算机与可编程逻辑控制器PLC的数据通讯硬件连接为以太网，通讯协议选用OPC协议，OPC协议是工业控制界广泛应用的通信协议，可以实现PLC和远程控制计算机的可靠数据通讯。
远程控制计算机的人机界面启动之后进行初始化操作：首先，自动获取本机的IP地址，并自动判断本机为远程控制计算机的主机或者备机；其次，一台远程控制计算机先读取另一台远程控制计算机发布的控制权状态，如果为真，则本机控制权置为假，如果为假，则本机控制权置为真。
如图1所示，初始化操作完成，主机和备机通过以太网TCP协议发布本机的心跳值与本机控制权状态得到控制权为真的远程控制计算机具备控制与监测功能，控制权为假的远程控制计算机仅具备监测功能；主机与备机在同一时刻仅有一台控制权为真。
控制权为真的远程控制计算机定期监测本机与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如连接状态正常，则心跳值+1；如连接状态异常，则心跳值保持不变。实际应用时，通过监测OPC协议连接的错误状态位，此错误状态位是一个布尔变量，OPC协议运行时其本身自动检测连接是否正常，如连接正常，错误状态位为0，如连接异常，错误状态位为1。
控制权为假的远程控制计算机定期读取控制权为真的远程控制计算机的心跳值，如果超过设定阈值时间t1后控制权为真的远程控制计算机心跳值不变，则判定控制权为真的远程控制计算机出现故障，控制权为假的远程控制计算机将本机的控制权置为真，同时该远程控制计算机开始检测与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如状态正常，则将本机心跳值+1，如状态异常，则本机心跳值保持不变。
控制权为假的远程控制计算机进行了控制权置为真的操作时，需要执行同步状态操作，即将出现故障的远程控制计算机的人机界面上的控制开关和旋钮的状态通过以太网同步至本机，保证进行控制权切换时不会影响远程控制计算机的人机界面控制状态。同步状态操作中，将人机界面的开关状态整定为布尔量数组，将人机界面的N位操作旋钮，即旋钮非连续，而是有若干个位置，整定为整形量数组，将人机界面的连续操作旋钮整定为单精度浮点数数组，控制权为真的远程控制计算机通过TCP协议定期向控制权为假的远程控制计算机发送布尔量数组、整形量数组及单精度浮点数数组三个数组，控制权为假的远程控制计算机保存三个数组的状态，并在收到新的数组后刷新保存区的值，当发生控制权切换时，将保存区的三个数组的数值进行解析，得到本机的布尔量、整形量及浮点数量，赋给本机人机界面；此过程耗时为t2。
实际工程实现时，当发生控制权切换操作前，需要检测超过设定阈值时间后控制权为真的远程控制计算机心跳值不变，此阈值时间按照指标要求的动作延迟时间t0进行设置。控制权切换过程中，上述的阈值时间以及同步状态操作的耗时为控制权切换的延迟时间t，则有t＝t1+t2＜t0。
本发明的方法由于在运行过程中，控制权为假的远程控制计算机在监测及切换过程中，需同时监测与可编程逻辑控制器PLC的连接状态和控制权为真的远程控制计算机的心跳值，可以避免由于控制权为假的远程控制计算机本身的网络故障或死机故障等造成的误判，相较于现有的监测机制可适应的故障模式更多，方法本身的可靠性更高。

Claims (3)

1.一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)在运载火箭的发射平台内，即前端，设置可编程逻辑控制器PLC，在运载火箭测发控制间，即远程端，设置远程控制计算机并配有人机界面用于操作手监测和操作，可编程逻辑控制器PLC和远程控制计算机均为双机冗余设置，双机冗余设置即为一主机、一备机；
(2)每台远程控制计算机均配置双网卡，并利用Intel提供的网卡管理驱动进行双网卡绑定，绑定后双网卡作为一个Team使用，即对外仅有一个IP，两块网卡只要有一个或一个以上的网卡正常工作，即可实现网络的正常数据传输功能；
(3)在远程端和前端均设置双以太网交换机，且远程端和前端的以太网交换机通过光网转换设备交叉冗余连接，实现网络拓扑结构的冗余；
(4)远程控制计算机，进行初始化操作之后自动获取远程控制计算机的IP地址，并判断此远程控制计算机为主机或备机；
(5)主机与备机通过以太网TCP协议发布本机的心跳值与本机控制权状态，控制权为真的远程控制计算机具备控制与监测功能，控制权为假的远程控制计算机仅具备监测功能；主机与备机在同一时刻仅有一台控制权为真；
(6)控制权为真的远程控制计算机定期监测本机与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如连接状态正常，则心跳值+1；如连接状态异常，则心跳值保持不变；
(7)控制权为假的远程控制计算机定期读取控制权为真的远程控制计算机的心跳值，如果超过设定阈值时间后控制权为真的远程控制计算机心跳值不变，则判定控制权为真的远程控制计算机出现故障，控制权为假的远程控制计算机将本机的控制权置为真，同时该远程控制计算机开始检测与可编程逻辑控制器PLC的连接状态，如状态正常，则将本机心跳值+1，如状态异常，则本机心跳值保持不变；
(8)控制权为假的远程控制计算机进行了控制权置为真的操作时，执行同步状态操作，即将出现故障的远程控制计算机的人机界面上的状态通过以太网同步至本机，保证进行控制权切换时不会影响远程控制计算机的人机界面控制状态。
2.根据权利要求1中所述的一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的初始化操作方法为：当程序开始运行时，一台远程控制计算机先读取另一台远程控制计算机发布的控制权状态，如果为真，则本机控制权置为假，且执行同步状态操作，将另一台远程控制计算机的人机界面上的状态通过以太网同步至本机；如果为假，则本机控制权置为真，本机的人机界面保持默认的操作状态即可。
3.根据权利要求1中所述的一种远程控制计算机热备冗余自动切换控制方法，其特征在于：所述的步骤(8)中的同步状态操作为：将人机界面的操作状态分为布尔量数组、整形量数组及单精度浮点数数组，并按规定顺序进行赋值操作，控制权为真的远程控制计算机通过TCP协议定期向控制权为假的远程控制计算机发送布尔量数组、整形量数组及单精度浮点数数组三个数组，控制权为假的远程控制计算机保存三个数组的状态，并在收到新的数组后刷新保存区的值，当发生控制权切换时，将保存区的三个数组的数值进行解析，得到本机的布尔量、整形量及浮点数量，赋给本机人机界面。
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