基于PROFIBUS总线的分布式控制系统冗余容错的关键技术

肖辉 崔刚　吴翔虎

摘要： 在实时嵌入式工控领域中，系统的实时性和高可靠性尤为重要。针对实时嵌入式领域中的工业现场分布式控制系统，设计了双冗余热备份PROFIBUS主站仲裁模块，提出了双冗余主站工作保持数据一致性问题以及双冗余PROFIBUS总线的工作与切换方案，并且设计了虚拟双端口存储器通信协议，提高了系统的可用性和可靠性。

关键词：

中图分类号：TP302.8文献标识码：A文章编号：2095-2163（2012）05-0013-03

0 引言

实时嵌入式系统是计算机应用领域的一个重要分支，被广泛应用于工业过程控制领域中。工业过程控制系统需要进行实时数据采集，不仅对系统的实时性要求高，同时，要求系统不间断运行、可靠性高？眼1-2？演。PROFIBUS总线是一种应用于工业现场控制的总线标准，提供了高速低成本的通信解决方案，保证了系统的实时性。

工业现场控制系统常采用双冗余容错设计。与以前容错研究和设计中使用的多模冗余系统相比，双冗余系统实现不如多模冗余系统复杂，实现成本更低。在单机稳定性不断提高，平均无故障时间不断延长的今天，使用多模容错系统的代价太高，因此对双冗余容错系统的研究具有重要意义。PROFIBUS主站使用双冗余热备份，在单个主站出现故障时，可以无缝切换，系统保持连续运行，提高了系统的可靠性？眼3-4？演。同时，双冗余PROFIBUS总线设计，可以在保证系统实时性的基础之上，提供了总线故障检测和无缝故障切换功能？眼5？演。

本文重点分析了基于PROFIBUS总线的分布式控制系统中的关键容错技术，包括仲裁模块的原理和设计，双冗余热备份PROFIBUS主站数据一致性问题，双冗余PROFIBUS总线切换技术以及虚拟双端口存储器通信协议设计。

1 基本原理

1.1双冗余PROFIBUS总线

PROFIBUS总线是一种广泛应用于工业现场控制系统的现场总线技术，提供高速度低成本的解决方案。使用双冗余PROFIBUS总线，在保持PROFIBUS总线的高速度低成本的基础之上，为系统增加了无缝总线切换，无故障延迟特点，从而保证了系统的可靠性。

1.2 双冗余热备份PROFIBUS主站

PROFIBUS主站由通信板和上位机构成，通信板负责主站和从站的PROFIBUS数据通信，上位机负责数据请求和数据处理。通信板和上位机之间通过虚拟双端口存储器通信。通信板包含四个任务，上位机命令处理任务、双网控制任务以及双网独立的两个通信任务。在收到上位机命令后，双网控制任务负责选择PROFIBUS网络与从站进行数据通信。

仲裁模块是双冗余热备系统的关键组成部分，双冗余热备份主站通过仲裁模块来裁决工作状态，当活动站出现工作故障后，仲裁模块立即将备份站切换为活动站，系统无缝运行。双冗余PROFIBUS热备份容错分布式控制系统整体框图如图1所示。

2 容错技术研究

2.1 仲裁模块

仲裁模块裁决双冗余PROFIBUS主站的工作状态，一个作为活动站，一个作为备份站，并将备份站从PROFIBUS总线中切出。活动站进行正常PROFIBUS通信工作，同时通过心跳线与备份站互检工作状态。仲裁模块的工作状态有以下三种状态，上电识别、故障切换和故障恢复。对其分析如下：

（1）上电识别。系统刚上电时，仲裁模块需要对双冗余PROFIBUS主站的工作状态进行裁决，两个PROFIBUS主站对仲裁模块产生的仲裁信号加以识别，并分别进入活动站和备份站状态。

（2）故障切换。当活动PROFIBUS主站出现故障时，需要进行切换。备份站从接管成为活动站，活动站被仲裁模块从PROFIBUS总线中切出。活动站和备份站的切换分为两种类型。一是主动让出，活动站故障后，看门狗溢出报警，仲裁模块检测到报警信号后，进行仲裁切换。二是被动抢占，双机在通过心跳线互检工作状态时，备份站发现活动站出现故障，自动向仲裁模块发送控制信号，抢占PROFIBUS控制器，成为活动站。

（3）故障恢复。修复后的故障站重新加入系统中，首先通过仲裁模块的仲裁信号判断工作状态。当前另一主站已处于活动站状态，则自己进入备份站状态，系统正常工作。

2.2 双冗余PROFIBUS主站数据一致性分析

在系统出现故障时，进行主备切换，备份站需要快速接管活动站的工作与从站进行通信，这就需要备份站在热备过程中，与活动站的状态保持一致。

（1）双主站同时进入PROFIBUS总线，通过PROFIB-

US总线同步数据。活动站与备份站同时进入PROFIBUS网络，分别设置不同的站地址。活动站收到从站数据后，通过PROFIBUS总线与备份站同步数据。该方案充分利用了PROFIBUS总线进行通信，但是备份站的站地址设置与活动站不同，在活动站出现故障，进行切换时，备份站需要重新进行初始化，切换时间较慢。

（2）备份主站监听PROFIBUS总线，但屏蔽其PROF-

IBUS数据包发送。开始通信前，需要将其总线地址设置为与活动站相同，当活动站与从站进行通信时，备份站也能接收总线上的数据，从而保证双模主站的数据一致。当活动站出现故障时，备份站在规定时间内收不到活动主站发来的心跳数据，即进行故障切换，发送控制信号改变仲裁板的仲裁信号，进入活动站状态，继续与从站通信。当故障站恢复后，通过检测仲裁结果，进入备份状态，并继续与活动主站发送心跳数据。该方案能够减轻活动主站的工作负载，并且避免心跳线成为系统性能瓶颈。但该方案需要修改PROFIBUS总线协议，实现较复杂。

（3）双主站通过心跳线同步数据。备份站在初始化完成后，从PROFIBUS总线中切出，不进行任何PROFIBUS通信，每个周期通过心跳线来接收活动站发来的从站数据。该方案实现更为简单，但是心跳数据周期必须小于PROFIBUS轮询所有从站一圈的通信周期，活动站的工作负载较大。

2.3双冗余PROFIBUS总线切换

PROFIBUS总线是主从式令牌环网络，采用双网设计可以保证系统的高可靠性。为了保证从站采集数据的实时性，双冗余PROFIBUS总线同时工作，活动站能从两条总线上同时发送和接收从站数据，当某个从站或某条总线出现故障时，都能立刻从另外一条总线上获得数据，无需任何切换操作，系统能够保持继续运行。同时，通过双网控制，对上位机隐藏双冗余总线设计，简化上位机软件设计。双冗余PROFIBUS总线的双网控制设计方案如图2所示。

通信任务0和1分别通过双冗余PROFIBUS的0网和1网与从站通信，当通信任务收到从站数据包以后，直接将其转发给双网控制任务。然后双网控制任务通过数据包的状态，判断通信是否出错，如果出错，则标记数据包来源从站在对应网络上通信错误。如果数据包状态正确，则判断其来源，这里假设0网的优先级高于1网，即0网收到的数据正确时，就抛弃1网上接收的数据，只有当0网出错时，才从1网接收数据。

当数据包出错时，根据双网上接收的数据状态来报警，如果只有一个网络上出现错误，则可判断另一网络故障，如果两个网络上都没法收到数据，则可判断是相应从站故障。

2.4 虚拟双端口存储器通信协议