【摘 要】為了提高計算機軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性、通訊可靠性通常采用計算機雙主機冗余設(shè)計來降低系統(tǒng)崩潰、通訊故障的幾率。在工程應(yīng)用中，大屏幕顯示屏冗余顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)顯得尤為重要，本文主要描述了該系統(tǒng)的一種設(shè)計和實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】冗余；大屏幕顯示控制系統(tǒng)

1.引言

在工程應(yīng)用中，室內(nèi)外大屏幕顯示屏基本由計算機來完成數(shù)據(jù)接收與顯示控制工作。尤其對于要求顯示實時數(shù)據(jù)并且不間斷工作的系統(tǒng)，計算機軟件故障與通訊故障是整個系統(tǒng)的故障頻發(fā)點。我們?yōu)榱颂岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性、通訊可靠性通常采用雙主機冗余設(shè)計來降低系統(tǒng)崩潰、通訊故障的幾率。本文主要闡述了一種大屏幕顯示系統(tǒng)雙主機冗余控制的設(shè)計思路與實現(xiàn)方法。

2.冗余介紹

冗余就是增加備用系統(tǒng)，以保證一個主機在工作中出現(xiàn)致命問題不能恢復(fù)時，自動切換由另外一臺主機接管，保證兩個主機不在同時出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)正常工作。

目前，控制系統(tǒng)冗余通常采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱備冗余是使若干同樣單元并聯(lián)運行，只有當組成系統(tǒng)的并聯(lián)單元全部失效時系統(tǒng)才會停止工作。

圖1 并聯(lián)系統(tǒng)冗余圖

假如一個系統(tǒng)由n個子系統(tǒng)組成，設(shè)系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的可靠性分別用R1，R2…Rn表示，則系統(tǒng)的可靠性R=1-（1-R1）×（1-R2）×…×（1-Rn）。

假如所有子系統(tǒng)的失效率均為：λ，則系統(tǒng)的失效率為：micro;

3.系統(tǒng)介紹

在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，控制和系統(tǒng)監(jiān)視部分主要包含有PLC（可編程控制器）和HMI（人機界面）組成，PLC采集現(xiàn)場傳感器等檢測設(shè)備信號經(jīng)過計算后發(fā)出控制指令到現(xiàn)場執(zhí)行元件完成設(shè)備控制任務(wù)。與此同時并將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給多個HMI，由HMI通過數(shù)據(jù)顯示或圖文表達等多種方式表現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)供操作人員觀察設(shè)備狀和輔助設(shè)備操作。大屏幕安裝在設(shè)備旁比較醒目的位置，顯示重要過程數(shù)據(jù)，指導(dǎo)操作員進行機旁設(shè)備操作。因此該系統(tǒng)穩(wěn)定運行，顯得尤為重要。

本系統(tǒng)是基于雙主機熱備冗余的基本設(shè)計思想，即由兩臺計算機同時運行大屏幕顯示數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)顯示控制程序。大屏幕顯示系統(tǒng)與HMI共用計算機，顯示數(shù)據(jù)分別由兩臺計算機提供的本地DDE接口傳送。在同一時刻由一臺計算機工作，當出現(xiàn)故障時立即啟用備用計算機繼續(xù)故障，保證整個系統(tǒng)的不間斷工作。目前考慮的故障點主要包括數(shù)據(jù)采集故障、網(wǎng)絡(luò)故障、大屏幕顯示控制故障。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖2所示結(jié)構(gòu)：兩臺HMI計算機、PLC、大屏幕均連接在工業(yè)以太網(wǎng)中。HMI計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通訊讀取數(shù)據(jù)，大屏幕顯示系統(tǒng)通過本地DDE獲取大屏幕顯示數(shù)據(jù)，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給大屏幕。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 設(shè)計基本原則

1）具有大屏幕內(nèi)容顯示控制功能。2）具有與數(shù)據(jù)源（HMI）自動故障判斷，自動故障恢復(fù)功能。3）故障在較短時間無法自動恢復(fù)時，要求自動冗余切換，不影響大屏幕顯示。4）單機網(wǎng)絡(luò)故障時，自動冗余切換。

3.2 系統(tǒng)組成與工作原理

一般大屏幕顯示控制卡給用戶提供了二次開發(fā)接口，我們可通過板卡廠家提供的控制函數(shù)基于高級開發(fā)語言進行數(shù)據(jù)顯示軟件開發(fā)。這種方式相對比較靈活，可通過用戶自己編程隨意附加其他軟件功能。

兩臺HMI系統(tǒng)分別以DDE數(shù)據(jù)接口發(fā)送實時數(shù)據(jù)給大屏幕顯示系統(tǒng)，同時發(fā)送運行狀態(tài)信號供大屏幕顯示系統(tǒng)自動判斷HMI系統(tǒng)故障并且自動完成備用系統(tǒng)啟動。當其中出現(xiàn)故障狀態(tài)，軟件再次嘗試重新初始化，并再次嘗試獲取數(shù)據(jù)，當該過程進行過系統(tǒng)設(shè)定次數(shù)后仍然無法成功通訊，則認為系統(tǒng)狀態(tài)故障，并發(fā)出故障信號。經(jīng)過后續(xù)步驟處理切換到備用計算機工作后，系統(tǒng)繼續(xù)進行通訊初始化并獲取數(shù)據(jù)，直到通訊正常建立，并根據(jù)冗余結(jié)構(gòu)流程處于待命狀態(tài)。

兩臺互為冗余計算機間相互傳遞心跳數(shù)據(jù)用于判斷對方系統(tǒng)運行狀態(tài)，當工作計算機出現(xiàn)數(shù)據(jù)源故障或系統(tǒng)內(nèi)部故障時停止發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，此時對方計算機無法正常接收到心跳數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)進行冗余切換，并開始由切換后計算機發(fā)送心跳數(shù)據(jù)。

軟件冗余工作機制為兩臺計算機同時由HMI實時采集數(shù)據(jù)，任一計算機啟動時，進入競爭及檢測狀態(tài)，競爭原則是先啟動者為主計算機，后啟動者為備用計算機。先由主計算機承擔(dān)大屏幕顯示控制任務(wù)，主計算機故障時，備用計算機升為主計算機繼續(xù)進行大屏幕顯示控制；此時主機算計機切換為備用計算機，當該計算機故障修復(fù)后，繼續(xù)進入競爭及檢測狀態(tài)。

系統(tǒng)運行及冗余過程如下：

1）主計算機啟動，通過自檢，如果數(shù)據(jù)采集正常，并且能夠成功控制大屏幕顯示系統(tǒng)工作，此時，主計算機開始發(fā)送心跳數(shù)據(jù)。

2）工作過程中如果主計算機自檢到系統(tǒng)工作故障并且無法自動恢復(fù)，主計算機停止發(fā)送心跳數(shù)據(jù)。主計算機自動轉(zhuǎn)為備用計算機。

3）備用計算機啟動，同時進行數(shù)據(jù)采集，并且監(jiān)測主計算機心跳數(shù)據(jù)，如果心跳數(shù)據(jù)正常，備用計算機保持數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，時刻準備競爭為主計算機進入工作狀態(tài)。

4）若主計算機發(fā)生故障，備用計算機不能在規(guī)定時間內(nèi)接收到主計算機發(fā)送的心跳數(shù)據(jù)，備用計算機經(jīng)核實主計算機已停止工作，此時備用計算機開始啟動工作，自動轉(zhuǎn)入主機狀態(tài)。

5）進入故障狀態(tài)的計算機給出報警信息，經(jīng)修復(fù)后進入再次競爭狀態(tài)。

4.開發(fā)要點

系統(tǒng)在開發(fā)和實際調(diào)試應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)了一些細節(jié)性問題需要注意：

1）心跳數(shù)據(jù)傳送傳送通道應(yīng)采用專用通道完成，這樣避免由于數(shù)據(jù)交換繁忙影響心跳數(shù)據(jù)傳送延時而產(chǎn)生系統(tǒng)誤判斷系統(tǒng)故障。因此，在兩臺計算機上均采用雙網(wǎng)卡設(shè)計，一對網(wǎng)卡專用于兩臺計算機心跳數(shù)據(jù)傳送。

2）由于整個工業(yè)以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)交換量比較大，對于故障判斷數(shù)據(jù)應(yīng)采用濾波處理，減小誤判斷幾率。濾波方法可通過故障保持時間比較的方式來處理，設(shè)置時間閾值，當故障保持時間超出閾值范圍時認為故障發(fā)生。但是這種方法會造成的負面影響是加長故障時系統(tǒng)切換時間。在不影響系統(tǒng)使用的前提下，閾值時間可根據(jù)實際工作環(huán)境來調(diào)整。

3）顯示控制板卡應(yīng)選用穩(wěn)定性好并且利于進行二次開發(fā)的產(chǎn)品，不會因為網(wǎng)絡(luò)故障或數(shù)據(jù)發(fā)送中斷等原因產(chǎn)生板卡宕機等問題出現(xiàn)。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)通過軟件方式實現(xiàn)大屏幕顯示系統(tǒng)雙機冗余功能，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性而且大大降低了制造成本。通過這種方式，使系統(tǒng)故障率極大降低，減少了人員維護幾率。

參考文獻：

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[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，1999.

作者簡介：相歲女（1981—），女，西安外事學(xué)院工學(xué)院講師。