可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及了一種可降級(jí)的三冗余船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)力定位系統(tǒng)（DynamicPositioningSystem)是一種借助傳感器和自身動(dòng)力使 船盡可能的保持在目標(biāo)位置上或保持航向的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、傳感器 系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)等組成。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，動(dòng)力定位系 統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，這對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性提出了嚴(yán)峻的 考驗(yàn)。而目前的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)僅有一個(gè)同步表決系統(tǒng)，一旦同步表決系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì) 造成整個(gè)控制系統(tǒng)故障的缺陷。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本申請(qǐng)的實(shí)用新型目的在于解決目前的三冗余船舶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)存在的上述 技術(shù)問(wèn)題，而提供一種穩(wěn)定可靠且安全性高的可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，大大提 高了動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)的容錯(cuò)能力。
[0004] 為了完成本申請(qǐng)的實(shí)用新型目的，本申請(qǐng)采樣以下技術(shù)方案：
[0005] 本實(shí)用新型的可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由三套傳感器系統(tǒng)、三臺(tái)數(shù)據(jù) 采集器、三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)和兩臺(tái)同步表決器組成，所述傳感器系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì) 應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器將傳感器數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給對(duì)應(yīng)的控制計(jì)算機(jī)，所述控 制計(jì)算機(jī)與所述同步表決器相連，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)、控制率解算數(shù)據(jù)和指令消息的傳遞，所 述兩個(gè)同步表決器通過(guò)串口互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的交換及相互監(jiān)測(cè)；
[0006] 所述三套傳感器系統(tǒng)與三臺(tái)數(shù)據(jù)采集器一一對(duì)應(yīng)相連，所述傳感器系統(tǒng)通過(guò)串 口通信將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器，所述三臺(tái)數(shù)據(jù)采集器與三臺(tái)控制計(jì)算機(jī) 一一對(duì)應(yīng)相連，所述數(shù)據(jù)采集器將接收到的傳感器數(shù)據(jù)打包后通過(guò)以太網(wǎng)方式發(fā)送給對(duì)應(yīng) 的控制計(jì)算機(jī)；
[0007] 每個(gè)所述控制計(jì)算機(jī)都通過(guò)通信串口和監(jiān)測(cè)串口分別與兩個(gè)同步表決器互聯(lián)，所 述控制計(jì)算機(jī)與同步表決器通過(guò)通信串口完成傳感器數(shù)據(jù)、控制率解算數(shù)據(jù)及指令信息的 交互，所述控制計(jì)算機(jī)與同步表決器通過(guò)監(jiān)測(cè)串口完成心跳檢測(cè)消息的交互。
[0008] 本實(shí)用新型的兩個(gè)所述同步表決器中的一個(gè)為在線狀態(tài)，另外一個(gè)為離線狀態(tài)， 在線狀態(tài)的同步表決器和離線狀態(tài)的同步表決器通過(guò)串口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的交換及相 互監(jiān)測(cè)，當(dāng)在線狀態(tài)的同步表決器故障時(shí)，其降級(jí)為離線狀態(tài)，所述離線狀態(tài)的同步表決器 升級(jí)為在線狀態(tài)使系統(tǒng)繼續(xù)工作。
[0009] 本實(shí)用新型所述同步表決器通過(guò)通信串口的數(shù)據(jù)超時(shí)、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤以及 數(shù)據(jù)表決結(jié)果實(shí)時(shí)檢測(cè)三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)的故障，所述同步表決器通過(guò)監(jiān)測(cè)串口的計(jì)算機(jī)自 檢信息定位控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部故障并結(jié)合通信數(shù)據(jù)定位故障源。
[0010] 本實(shí)用新型所述同步表決器通過(guò)數(shù)據(jù)緩存器將數(shù)據(jù)發(fā)往所述通信串口和監(jiān)測(cè)串 口，所述數(shù)據(jù)緩存器對(duì)故障的控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟隔離。
[0011] 本實(shí)用新型所述同步表決器采用基于歷史記錄的帶權(quán)重值的表決算法，該算法包 含建立歷史記錄和數(shù)據(jù)表決兩個(gè)過(guò)程。
[0012] 本實(shí)用新型的可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比區(qū)別在于：本 實(shí)用新型提供一種應(yīng)用于船舶動(dòng)力定位中的三冗余同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它克服了由 一個(gè)同步表決單元出現(xiàn)故障造成整個(gè)控制系統(tǒng)故障的缺陷，該系統(tǒng)由三臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的控制 計(jì)算機(jī)、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的同步表決器、三套傳感器系統(tǒng)和三個(gè)數(shù)據(jù)采集器組成，三套傳感器 系統(tǒng)分別通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)相連，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式發(fā)送到數(shù) 據(jù)采集器后由數(shù)據(jù)采集器按設(shè)定格式打包并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)，每臺(tái)控制計(jì)算 機(jī)均通過(guò)串口通信和監(jiān)測(cè)串口分別與兩個(gè)同步表決器相連以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)、控制率解算 數(shù)據(jù)和各種指令消息的傳遞，兩同步表決器通過(guò)串口互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的交換及相互監(jiān) 測(cè)，控制計(jì)算機(jī)協(xié)同同步表決器完成數(shù)據(jù)同步、傳感器數(shù)據(jù)和控制率解算數(shù)據(jù)的表決、故障 檢測(cè)和系統(tǒng)重組等功能。
[0013] 三冗余計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以資源冗余為前提，根據(jù)不同的表決策略對(duì)系統(tǒng)中三臺(tái)控制 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，并以該結(jié)果作為系統(tǒng)的輸出，當(dāng)系統(tǒng)中某控制計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)， 系統(tǒng)可進(jìn)行降級(jí)運(yùn)行，即在雙機(jī)或單機(jī)模式下運(yùn)行，當(dāng)故障控制計(jì)算機(jī)修復(fù)后仍可加入表 決系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)重組，該控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提高了動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的容錯(cuò)能力。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 如圖1所示，本實(shí)施例的可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包含三臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的 控制計(jì)算機(jī)3、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的同步表決器4、三套傳感器系統(tǒng)1和三個(gè)數(shù)據(jù)采集器2,三套 傳感器系統(tǒng)1分別通過(guò)數(shù)據(jù)采集器2與三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3相連，為控制計(jì)算機(jī)3提供傳感 器數(shù)據(jù)，每臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3均通過(guò)通信串口 5、監(jiān)測(cè)串口 6分別與兩個(gè)同步表決器4相連以 完成數(shù)據(jù)信息和監(jiān)測(cè)信息的傳遞，兩同步表決器4通過(guò)串口互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的交換及 相互監(jiān)測(cè)，控制計(jì)算機(jī)3協(xié)同同步表決器4完成數(shù)據(jù)同步、傳感器數(shù)據(jù)和控制率解算數(shù)據(jù)的 表決、故障檢測(cè)和系統(tǒng)重組等功能。
[0016] 具體地，傳感器系統(tǒng)1通過(guò)串口通信將各傳感器信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器2,完成傳 感器信息的采集，數(shù)據(jù)采集器2將接收到的各種傳感器數(shù)據(jù)打包后，通過(guò)以太網(wǎng)方式將傳 感器數(shù)據(jù)發(fā)送給三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3。系統(tǒng)中每臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3都包含控制率解算進(jìn)程、傳感 器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程、同步表決進(jìn)程、心跳進(jìn)程和自檢測(cè)進(jìn)程，傳感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程將采集器中 的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并發(fā)送給同步表決器4,控制率解算進(jìn)程根據(jù)傳感器信息進(jìn)行控制率 的計(jì)算，同步表決進(jìn)程協(xié)同同步表決器4完成數(shù)據(jù)的同步表決，心跳進(jìn)程將自檢測(cè)進(jìn)程的 檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給同步表決器4,作為故障檢測(cè)的依據(jù)。
[0017] 如圖1所示，同步表決器4包括通信串口 5、管理串口、監(jiān)測(cè)串口 6、隔離電路及主 控單元，選擇FPGA作為主控芯片，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)同步表決器4的初始配置、表決算法、故 障檢測(cè)、故障隔離、系統(tǒng)重組等功能，參見(jiàn)圖1，兩個(gè)同步表決器4中的一個(gè)為在線狀態(tài)則 另一個(gè)為離線狀態(tài)，同步表決器4初始的在、離線狀態(tài)由配置開(kāi)關(guān)決定，在線狀態(tài)的同步表 決器能夠與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，離線狀態(tài)的同步表決器禁止與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸，在線狀態(tài)的同步表決器和離線狀態(tài)的表決器通過(guò)串口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的交換及相 互監(jiān)測(cè)，當(dāng)在線狀態(tài)的同步表決器故障時(shí)，其降級(jí)為離線狀態(tài)，離線狀態(tài)的同步表決器升級(jí) 為在線狀態(tài)使系統(tǒng)繼續(xù)工作，狀態(tài)切換只執(zhí)行一次。在線狀態(tài)的同步表決器4通過(guò)FIFO(即 數(shù)據(jù)緩存器）將隊(duì)列數(shù)據(jù)發(fā)往通信串口、管理串口或監(jiān)測(cè)串口，并以是否讀取或?qū)懭隖IFO 隊(duì)列數(shù)據(jù)決定是否對(duì)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟隔離。
[0018] 兩同步表決器4在線狀態(tài)和離線狀態(tài)切換流程見(jiàn)如下：
[0019] 兩同步表決器4上電后，由初始配置決定同步表決器4的在線狀態(tài)或離線狀態(tài)，在 線狀態(tài)的同步表決器使能向控制計(jì)算機(jī)輸出，離線狀態(tài)的同步表決器禁止向控制計(jì)算機(jī)輸 出，離線狀態(tài)的同步表決器與在線狀態(tài)的同步表決器同時(shí)都進(jìn)行同步表決、故障檢測(cè)等。
[0020] 離線狀態(tài)的同步表決器定時(shí)向在線狀態(tài)的同步表決器發(fā)送狀態(tài)信息，在線狀態(tài)的 同步表決器結(jié)合心跳信息和該狀態(tài)信息定位是自身故障還是計(jì)算機(jī)故障。
[0021] 在線狀態(tài)的同步表決器定時(shí)向離線狀態(tài)的同步表決器發(fā)送狀態(tài)信息，若在線狀態(tài) 的同步表決器發(fā)生故障則不能正常向離線狀態(tài)的同步表決器發(fā)送狀態(tài)信息，離線狀態(tài)的同 步表決器檢測(cè)到狀態(tài)信息故障時(shí)，自動(dòng)升級(jí)為在線狀態(tài)的同步表決器使能輸出，并將原在 線狀態(tài)的同步表決器進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)表決器的切換。這樣便可以提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，提 高動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)的容錯(cuò)能力。
[0022] 如圖1所示，上述可降級(jí)的同步表決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程 見(jiàn)如下描述：
[0023] 三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3和兩同步表決器4依次上電，其中在線狀態(tài)的同步表決器向三 臺(tái)控制計(jì)算機(jī)同時(shí)發(fā)送包含有主從關(guān)系的握手消息，若握手成功，則三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)根據(jù) 該握手消息確認(rèn)自身的主從狀態(tài)，并向表決器發(fā)送握手響應(yīng)消息，否則表決器報(bào)警需重新 上電，按照上述步驟重新確定主從關(guān)系。
[0024] 控制計(jì)算機(jī)3在每個(gè)控制周期內(nèi)向同步表決器發(fā)送一次同步消息，同步表決器4 接收到該消息后同時(shí)向三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3發(fā)送同步回饋消息，若該同步消息接收超時(shí)，貝1J 同步表決器4對(duì)其進(jìn)行超時(shí)處理。三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3同時(shí)接收到同步回饋消息后，從傳感 器系統(tǒng)1采集進(jìn)程讀取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給同步表決器4進(jìn)行表決，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù) 據(jù)的同步。
[0025]同步表決器4接收到傳感器數(shù)據(jù)后進(jìn)行表決，并同時(shí)將表決結(jié)果發(fā)送給三臺(tái)控制 計(jì)算機(jī)，若某傳感器數(shù)據(jù)接收超時(shí)，則同步表決器對(duì)其進(jìn)行超時(shí)處理。
[0026] 三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3同時(shí)接收到傳感器的表決結(jié)果，通過(guò)控制率解算進(jìn)程進(jìn)行控制 率的解算，并將解算結(jié)果發(fā)送給同步表決器4。同步表決器4接收到控制率解算結(jié)果后進(jìn)行 表決，并同時(shí)將表決結(jié)果發(fā)送給三臺(tái)控制計(jì)算機(jī)3,由主控制計(jì)算機(jī)完成表決結(jié)果的輸出， 控制動(dòng)