1、系统整体架构
PAS200控制系统由控制网络、控制器模块和I/O模块构成，如图1系统结构图所示。工程师站软件组态后通过控制网络将组态的相关信息下载到控制器，控制器运行时加载组态内容。操作站通过控制网络获取连接在各个I/O模块上装置的运行情况，实时监测并进行现场报警【5】。PAS200控制系统冗余的核心部件是控制器模块。控制器采用模块化架构，由电源、控制器、通信卡等构成。对下，通过两路冗余的RS485总线和I/O模块进行数据通信；对上，通过两路冗余的高速以太网实现数据传输。控制器之间通过背板总线进行冗余数据的交换。正常情况下，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序。但只有主控制器进行输出I/O设备的控制。从控制器不断地监测主控制器状态。如果主控制器出现故障，从控制器立即接管对输出I/O的控制，从而实现对系统的冗余控制【6】。
2、系统硬件设计
PAS200冗余控制系统中控制器硬件由电源卡件、控制器卡件、通信卡件、底座等4部分组成。其中，控制器卡件架构如图2所示，其采用AMDGeodeLXProcessor高性能、低功耗嵌入式专用处理器，主频500MHz，在板包含DMA控制器、中断控制器、定时器、实时时钟、256MDDR内存。外部接口有2个串口、3个10/100M自适应网口。其设计充分考虑了恶劣环境下的应用，采取了多种措施，确保系统在各种应用环境中均能稳定、可靠、高效的运行。它采用工业级器件，高智能布线系统，运用防静电及抗干扰电路，尽可能的降低了功耗，提高了可靠性及宽温操作能力。
3、控制器冗余
3.1主从冗余分配
PAS200冗余控制系统中的冗余控制器包括一个主控制器和一个从控制器。主从控制器角色的分配按控制器冗余上电启动两种可能出现的情况进行。一种是两个系统同时上电；在上电后，两个系统将通过同步通道发送信息来相互检测。在一个可配置的时间内一个系统检测到另一个系统，另一个系统回复并且在各自的日期和IEC程序的有效性的基础上，两个系统将协商他们的角色（主或从）。协商首先是根据操作站的联机信息进行主从分配，失败之后再根据自定义条件进行分配。如果必要会建立一个从主系统到从系统的IEC程序同步。然后，两个系统将运行此IEC程序。另一种是一个系统正在运行且另一个系统上电，此情况出现在一个系统掉电并重启的时候。当前，一个系统运行在独立模式且另一个系统上电。已经在运行中的系统成为主系统，上电系统将与主系统程序同步并成为从系统。主系统将在两个任务执行间隙短暂停止，与从系统同步数据。然后，两个系统都执行IEC程序同步。
3.2主从冗余实时通道
PAS200冗余控制系统中的两个控制器都基于Linux+RTAI+RTnet软件平台运行实时系统，并且通过一个实时同步通道同步。实时同步通道基于RTnet实时以太网实现。RTnet是一个基于RTAI的实时网络子系统，其利用标准以太网的硬件设备，支持常用的网络接口控制芯片组，实现了时间确定性的UDP/IP、ICMP和ARP协议,为实时系统的开发提供了一个稳定、实时性高的软件开发平台。这样，通过RTAI及其之上的RTnet就构建了一个实时通道在主从进行数据传输。两个完全相同的控制器并行运行，假设一个系统出现故障，那么另一个系统可以接管，接管使得两个系统紧密的同步在一起。另一个通信通道用于同步实时系统间的时钟源，使两个系统上的调度程序可以选择相同的任务来运行。
3.3主从冗余同步
冗余控制器同步按内容主要划分为任务同步、IEC程序同步、数据同步、时钟同步、RS485通信同步几大部分。其中，任务同步是由主系统的调度程序开始，任务号和全局变量数据发送到从系统；从系统响应一条回复信息；当一个任务完成后，第二个任务同步开始执行。而在RS485通信同步点主系统和从系统都需等待他们的触发信息，此触发信息来自在达到同步点后的主系统。当从系统达到RS485通信同步点后，如果不能收到来自主系统的同步信息，从系统将检测系统状态是否发生变化，如果系统状态未发生变化则报错。当主系统达到RS485通信同步点后，如果不能收到来自从系统的同步信息，主系统记录错误并正常通信。
4、RS485通信冗余
控制器通信扩展卡上有两路RS485通信，系统启动阶段通过诊断获取两路RS485通信状态。如果主控制器上两路RS485均能正常通信。主控制器则选择其中一路RS485作为通信链路，另一路RS485作为诊断链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上一路RS485能正常通信，另一路RS485不能正常通信。主控制器以能正常通信的那路RS485作为通信链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上两路RS485均不能正常通信，且从控制器上RS485能正常通信，则主从控制器进行切换。运行阶段，如果主控制器两路RS485通信正常工作，从控制器两路RS485通信就监听。如果主控制器通信链路失败且另一路诊断成功，则切换诊断为通信链路。如果主控制器通信链路失败，另一路诊断失败，且从控制器监听成功，则主从切换。
5、结束语
文中，根据工业自动化对控制系统可靠性、稳定性的实际需求，设计了以RS485总线通信为基础的PAS200冗余控制系统。实际测试结果表明所设计冗余控制系统不仅灵活地支持多种冗余链路，且具有较高的可靠性及稳定性，特别适用于工业自动化领域的控制应用。
作者：陈小杰 潘云川 程海栗 单位：重庆川仪自动化股份有限公司技术中心
