ИЗБЫТОЧНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДОБНОГО ТИПА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
REDUNDANT AUTOMATION SYSTEM FOR TECHNICAL DEVICE MANAGEMENT, AND ALSO OPERATING PROCEDURE OF SIMILAR TYPE OF AUTOMATION SYSTEM

Изобретение относится к избыточной системе автоматизации для управления техническим устройством, а также способу для эксплуатации подобного типа системы автоматизации, причем имеются, по меньшей мере, два прибора автоматизации. При этом первый из этих приборов автоматизации эксплуатируют в качестве главного прибора автоматизации, а второй из приборов автоматизации эксплуатируют в качестве резервного прибора автоматизации.
Постоянная готовность приборов и систем в случае автоматизации технического устройства, в частности электростанции, является одним из важнейших требований. По причинам надежности для исключения возможного нарушения, а также по причинам надежного снабжения электрической энергией или материалами должен исключаться выход из строя систем автоматизации и связанный с этим простой важных технических устройств.
Для решения этой проблемы из уровня техники известны так называемые системы автоматизации высокой готовности, например SIMATIC S-7 H фирмы Сименс, в которых практически все компоненты, включая накопительные блоки и блоки питания, имеются с такой избыточностью, что в случае неисправности прибора автоматизации можно без перерыва переключаться на другой, идентично выполненный, прибор автоматизации. Приборы автоматизации при этом относительно выполнения ими команд синхронизированы друг относительно друга так, что в обоих приборах автоматизации могут обрабатываться полностью параллельно по времени те же самые данные и выполняться те же самые команды. Таким образом, является возможным, что эксплуатируемый таким образом резервный прибор автоматизации берет на себя функцию неисправного главного прибора автоматизации.
Подобные системы автоматизации высокой готовности до сих пор практически созданы исключительно на основе так называемых управлений с программируемой памятью (SPS), являются в своем применении сложными и при приобретении очень дорогими.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создания системы автоматизации названного выше типа, которая более просто выполнена и в которой могут быть широко использованы, в частности, стандартные компоненты из техники персональных компьютеров.
Относительно системы автоматизации задача решается посредством избыточной системы автоматизации для управления техническим устройством с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение при этом исходит из соображения, что одну из самых важных предпосылок для реализации избыточной системы автоматизации следует видеть в предоставлении актуальной базы данных, которая описывает состояние технического устройства и системы автоматизации. Переключение с главного прибора автоматизации на резервный прибор автоматизации без заметной задержки является при этом достижимым только тогда, когда в распоряжении обоих приборов автоматизации к моменту времени наступления неисправности находятся одинаковые текущие данные так, что переключение на резервный прибор возможно сразу и без "скачков данных".
В уровне техники (систем) управлений с программируемой памятью высокой готовности это решается за счет того, что оба прибора автоматизации выполнены идентично и, соответственно, содержат, каждый, накопительный блок, в который вследствие описанной выше синхронной по командам обработки записывают одинаковые данные и считывают одинаковые данные.
В отличие от этого в предлагаемом изобретении предусмотрено, что хотя имеются два прибора автоматизации, однако, для них предусмотрен только один общий накопительный блок, на который оба прибора автоматизации имеют доступ на запись и на считывание. Тем самым затраты на реализацию по сравнению с уровнем техники являются значительно уменьшенными, так как, во-первых, необходимым является только один накопительный блок и, во-вторых, отпадают следующие из этого необходимые затраты на синхронизацию между несколькими накопительными блоками приборов автоматизации.
Вне всякого сравнения, большинство отказов приборов автоматизации объясняется неисправной работой, например, карт ввода или вывода, блоков питания или центральных процессоров приборов автоматизации; с этой точки зрения настоящее изобретение предлагает экономичное, упрощенное решение для большинства подлежащих преодолению на практике связанных с избыточностью проблем автоматизации.
Хотя уже существуют некоторые решения по автоматизации на основе персональных компьютеров, до сих пор они еще не могут обеспечить плавное переключение на резервный прибор автоматизации, так как необходимая синхронизация баз данных, на которые имеют доступ приборы автоматизации, не может происходить с известными средствами с необходимой скоростью. Плавное переключение при этом означает, что переключение с главного на резервный (Stand-by) прибор автоматизации происходит практически без воздействий на входные и выходные сигналы системы автоматизации таким образом, что, в частности, регулирование может продолжаться дальше точно с того места, в котором дефектный прибор автоматизации прервал регулирование. Резервной системе автоматизации, следовательно, в момент времени приема сигнала регулирования должны предоставляться в распоряжение так называемые начальные значения, которые касаются прошлого процесса регулирования (охватывающие при этом, в частности, алгоритмы регулирования, которые содержат интегральную и/или дифференциальную составляющую).
Настоящее изобретение решает проблему актуальной базы данных для приборов автоматизации за счет того, что для этого предусмотрен только один общий накопительный блок.
Решение для реализации подобного накопительного блока в технике персональных компьютеров в случае соответствующей изобретению системы автоматизации содержит, например, использование так называемых модулей "зеркальной памяти" ("Reflective Memories"), которые имеются в распоряжении в виде приобретаемых коммерческим путем блоков персональных компьютеров.
За счет этого персональные компьютеры, рабочие станции или "встроенные компьютерные системы" ("Embedded-Systems") (в частности, с различными операционными системами) приводятся в состояние способности обращаться к общей базе данных практически в режиме реального времени.
В локальной вычислительной машине модуль зеркальной памяти находится, например, в адресном пространстве общего накопителя участвующей вычислительной машины сети. Тогда данные с любого уровня автоматизации, в частности также пользовательского программного обеспечения, могут записываться непосредственно в эту область памяти и считываться из этой области памяти. Данные, которые локальная вычислительная машина записывает в этот модуль "зеркальной памяти", параллельно и без задержки во времени стоят автоматически в распоряжении всех других локальных вычислительных машин.
Вследствие особого технического выполнения модуля зеркальной памяти происходящая при этом транспортировка данных между вычислительными машинами не влияет на нормальную производительность этой вычислительной машины.
В предпочтительной форме выполнения изобретения, кроме того, предусмотрен контрольный модуль, посредством которого можно контролировать режим эксплуатации главной системы автоматизации и в случае неисправности переключать главный прибор автоматизации на резервный прибор автоматизации, который после этого берет на себя функцию прежнего главного прибора автоматизации.
В этой форме выполнения реализован контроль работы прибора, включая распознавание ошибки. Например, контрольный модуль охватывает при этом оценку так называемого признака жизни главного прибора автоматизации, причем, например, при каждом цикле контроля изменяют характеристический параметр, в случае если главный прибор автоматизации является работоспособным. Если этот характеристический параметр в одном цикле не изменяется, то это является признаком неисправности этого главного прибора автоматизации, и контрольный модуль предпринимает процесс переключения на соответствующий резервный прибор автоматизации.
Возможные неисправности, которые препятствуют изменению названного характеристического параметра, охватывают, например, неисправности аппаратурного обеспечения и/или ошибки операционной системы, и/или ошибки пользовательского программного обеспечения.
В следующей предпочтительной форме выполнения изобретения в общей области памяти имеются данные состояний, которые описывают актуальное рабочее состояние технического устройства и системы автоматизации непосредственно перед моментом времени появления неисправности главного прибора автоматизации.
За счет этого является возможным, что резервный прибор может сразу брать на себя функцию главного прибора автоматизации, так как все необходимые для этого данные отложены в общей области памяти и могут считываться резервным прибором автоматизации без задержки времени.
Данные состояния должны при этом содержать, в частности, такие данные, которые соответствуют начальным значениям алгоритмов регулирования так, что посредством этих начальных значений резервному прибору автоматизации является известной также история соответствующих процессов регулирования и можно непрерывно проводить дальше соответствующие шаги регулирования резервным прибором автоматизации.
Кроме того, данные состояний содержат такие входные и выходные данные технического устройства, которые регистрируются системой автоматизации и/или выдаются на техническое устройство. Совокупность этих данных обозначается как отображение процесса.
Предпочтительно особенно плавное переключение происходит таким образом, если, по меньшей мере, часть имеющихся в общей области памяти данных в качестве текущего отображения состояния технического устройства и системы автоматизации обрабатывается непосредственно дальше резервным прибором автоматизации.
При этом переключение между главным прибором автоматизации и резервным прибором автоматизации происходит практически без задержки при непрерывном продолжении управления техническим устройством посредством резервного прибора автоматизации.
Изобретение приводит далее к способу эксплуатации избыточной системы автоматизации для управления технического устройства с признаками независимого пункта 5 формулы изобретения.
Предпочтительные формы выполнения соответствующего изобретению способа отражены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
В последующем более подробно представлен один пример выполнения изобретения.
При этом он показывает на чертеже соответствующую изобретению избыточную систему автоматизации.
На чертеже представлена соответствующая изобретению избыточная система 1 автоматизации, которая содержит приборы 3а, 3b автоматизации. При этом первый прибор 3а автоматизации выполнен в виде главного прибора автоматизации, который берет на себя управление техническим устройством. Сигналы из технического устройства, а также управляющие команды на техническое устройство обрабатываются при этом полевыми приборами 17 и передаются по полевой шине 15 к приборам 3а, 3b автоматизации.
В случае неисправности первого прибора 3а автоматизации в распоряжении стоит второй прибор 3b автоматизации, который выполнен в качестве резервного прибора 3b автоматизации и может брать на себя управляющие задачи первого прибора 3а автоматизации.
Для распознавания неисправности и переключения с первого прибора 3а автоматизации на второй прибор 3b автоматизации предусмотрен контрольный модуль 23. Он оценивает, между прочим, признак жизни 25 первого прибора 3а автоматизации и в случае неисправности переключает на второй прибор 3b автоматизации, который после этого берет на себя управляющие задачи прежнего главного прибора 3а автоматизации.
Приборы 3а, 3b автоматизации, соответственно, содержат центральный процессор 5а, 5b и, при необходимости, накопитель 6а, 6b. Они выполнены предпочтительно в виде персонального компьютера, в котором управляющие задачи опрашивают и выводят в виде задач 7а, 7b. По сравнению с обычными управлениями с программируемой памятью эти задачи 7а, 7b автоматизации выполняются значительно быстрее, поэтому в случае выполненных подобным образом приборов автоматизации на основе персональных компьютеров имеет место не синхронизация команд, а синхронизация задач. Синхронизация соответствующих задач 7а, 7b имеет место посредством сигналов 11 прерывания.
В нормальном режиме, если первый прибор 3а автоматизации безошибочно функционирует в качестве главного прибора автоматизации, данные из технического устройства, которые зарегистрированы полевыми приборами 17, вводятся последовательно обоими приборами 3а, 3b автоматизации с помощью, по меньшей мере, одного процесса 19 считывания; выдача команд управления и прочих воздействий на компоненты технического устройства, однако, имеет место только главным прибором автоматизации посредством, по меньшей мере, одного процесса 21 записи.
После переключения в случае неисправности на резервный до этого прибор автоматизации этот процесс 21 записи берет на себя второй прибор 3b автоматизации; это отражено на чертеже в виде штрихового соединения второго прибора 3b автоматизации с полевой шиной 15.
При синхронизации задач 7а, 7b автоматизации посредством сигналов 11 прерывания перед каждым запросом задачи происходит синхронизация таймеров, счетчиков, данных процесса и, при необходимости, других внутренних, а также внешних данных.
Согласно изобретению обоим приборам 3а, 3b автоматизации соответствует накопительный блок 9, к которому имеют доступ оба прибора 3а, 3b автоматизации. В этом накопительном блоке, в основном, запомнены данные состояний приборов 3а, 3b автоматизации, причем накопительный блок 9 содержит, по меньшей мере, одну область памяти, которая допускает запись и считывание обоими приборами 3а, 3b автоматизации. Таким образом, имеющиеся, по меньшей мере, в этой области памяти данные параллельно предоставлены в распоряжение приборам 3а, 3b автоматизации. Так как оба прибора 3а, 3b автоматизации тем самым располагают общей базой данных в виде накопительного блока 9, к которому они, соответственно, имеют доступ, в случае неисправности главного прибора автоматизации не должно производиться согласование памяти между приборами 3а и 3b автоматизации, по меньшей мере, что касается согласования вышеназванных данных состояний. Поэтому в случае неисправности переключение с главного прибора автоматизации на резервный прибор 3b автоматизации может происходить очень быстро и плавно, причем по сравнению с известными избыточными системами автоматизации затраты на реализацию снижены. Отложенные в общей области памяти накопительного блока 9 данные состояний приборов 3а, 3b автоматизации содержат все данные, которые описывают текущее рабочее состояние приборов 3а, 3b автоматизации как, например, текущие значения сигналов, переданных от технического устройства на приборы автоматизации (отображение процесса), текущие значения сигналов, переданных от главного прибора автоматизации на техническое устройство, и команды, а также, при необходимости, текущие начальные значения алгоритмов регулирования, которые охватывают, по меньшей мере, одно дифференцирующее и/или интегрирующее звено регулирования.
Знание текущего начального значения к моменту времени появления неисправности главного прибора автоматизации является важным, чтобы до сих пор резервный прибор автоматизации мог непрерывно проводить дальше соответствующие регулирования, в частности без скачка регулируемой величины.
Накопительный блок 9 предпочтительно выполнен в виде так называемого модуля "зеркальной памяти" ("Reflective Memory"), который существует в виде модуля для применения в персональных компьютерах. Физически этот модуль устанавливают предпочтительно в одном из приборов 3а, 3b автоматизации, причем данные, которые записывает в модуль этот прибор автоматизации, затем имеются также в распоряжении всех других приборов автоматизации.
В заключение настоящее изобретение может быть описано следующим образом:
в избыточной системе (1) автоматизации, согласно изобретению, а также в способе для эксплуатации такой системы (1) автоматизации предусмотрены два прибора (3а, 3b) автоматизации, которые снабжены общим накопительным блоком, в котором запоминаются данные состояния приборов (3а, 3b) автоматизации. Тем самым приборы (3а, 3b) автоматизации имеют непосредственный доступ к общей базе данных, и в случае неисправности согласование памяти при переключении на резервный прибор (3b) автоматизации отпадает.