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【摘 要】为了提高计算机软件系统稳定性、通讯可靠性通常采用计算机双主机冗余设计来降低系统崩溃、通讯故障的几率。在工程应用中，大屏幕显示屏冗余显示控制系统的设计与实现显得尤为重要，本文主要描述了该系统的一种设计和实现方法。
【关键词】冗余；大屏幕显示控制系统
1.引言
在工程应用中，室内外大屏幕显示屏基本由计算机来完成数据接收与显示控制工作。尤其对于要求显示实时数据并且不间断工作的系统，计算机软件故障与通讯故障是整个系统的故障频发点。我们为了提高系统稳定性、通讯可靠性通常采用双主机冗余设计来降低系统崩溃、通讯故障的几率。本文主要阐述了一种大屏幕显示系统双主机冗余控制的设计思路与实现方法。
2.冗余介绍
冗余就是增加备用系统，以保证一个主机在工作中出现致命问题不能恢复时，自动切换由另外一台主机接管，保证两个主机不在同时出现故障时不影响系统正常工作。
目前，控制系统冗余通常采用并联结构，如图1所示。并联结构的热备冗余是使若干同样单元并联运行，只有当组成系统的并联单元全部失效时系统才会停止工作。
图1 并联系统冗余图
假如一个系统由n个子系统组成，设系统各个子系统的可靠性分别用R1，R2…Rn表示，则系统的可靠性R=1-（1-R1）×（1-R2）×…×（1-Rn）。
假如所有子系统的失效率均为：λ，则系统的失效率为：µ
3.系统介绍
在工业自动化控制系统中，控制和系统监视部分主要包含有PLC（可编程控制器）和HMI（人机界面）组成，PLC采集现场传感器等检测设备信号经过计算后发出控制指令到现场执行元件完成设备控制任务。与此同时并将现场采集数据和控制状态数据发送给多个HMI，由HMI通过数据显示或图文表达等多种方式表现设备运行状态供操作人员观察设备状和辅助设备操作。大屏幕安装在设备旁比较醒目的位置，显示重要过程数据，指导操作员进行机旁设备操作。因此该系统稳定运行，显得尤为重要。
本系统是基于双主机热备冗余的基本设计思想，即由两台计算机同时运行大屏幕显示数据采集与数据显示控制程序。大屏幕显示系统与HMI共用计算机，显示数据分别由两台计算机提供的本地DDE接口传送。在同一时刻由一台计算机工作，当出现故障时立即启用备用计算机继续故障，保证整个系统的不间断工作。目前考虑的故障点主要包括数据采集故障、网络故障、大屏幕显示控制故障。
系统结构设计如下图2所示结构：两台HMI计算机、PLC、大屏幕均连接在工业以太网中。HMI计算机通过工业以太网与PLC通讯读取数据，大屏幕显示系统通过本地DDE获取大屏幕显示数据，然后通过工业以太网将数据发送给大屏幕。
图2 系统结构图
3.1 设计基本原则
1）具有大屏幕内容显示控制功能。2）具有与数据源（HMI）自动故障判断，自动故障恢复功能。3）故障在较短时间无法自动恢复时，要求自动冗余切换，不影响大屏幕显示。4）单机网络故障时，自动冗余切换。
3.2 系统组成与工作原理
一般大屏幕显示控制卡给用户提供了二次开发接口，我们可通过板卡厂家提供的控制函数基于高级开发语言进行数据显示软件开发。这种方式相对比较灵活，可通过用户自己编程随意附加其他软件功能。
两台HMI系统分别以DDE数据接口发送实时数据给大屏幕显示系统，同时发送运行状态信号供大屏幕显示系统自动判断HMI系统故障并且自动完成备用系统启动。当其中出现故障状态，软件再次尝试重新初始化，并再次尝试获取数据，当该过程进行过系统设定次数后仍然无法成功通讯，则认为系统状态故障，并发出故障信号。经过后续步骤处理切换到备用计算机工作后，系统继续进行通讯初始化并获取数据，直到通讯正常建立，并根据冗余结构流程处于待命状态。
两台互为冗余计算机间相互传递心跳数据用于判断对方系统运行状态，当工作计算机出现数据源故障或系统内部故障时停止发送心跳数据，此时对方计算机无法正常接收到心跳数据时，系统进行冗余切换，并开始由切换后计算机发送心跳数据。
软件冗余工作机制为两台计算机同时由HMI实时采集数据，任一计算机启动时，进入竞争及检测状态，竞争原则是先启动者为主计算机，后启动者为备用计算机。先由主计算机承担大屏幕显示控制任务，主计算机故障时，备用计算机升为主计算机继续进行大屏幕显示控制；此时主机算计机切换为备用计算机，当该计算机故障修复后，继续进入竞争及检测状态。
系统运行及冗余过程如下：
1）主计算机启动，通过自检，如果数据采集正常，并且能够成功控制大屏幕显示系统工作，此时，主计算机开始发送心跳数据。
2）工作过程中如果主计算机自检到系统工作故障并且无法自动恢复，主计算机停止发送心跳数据。主计算机自动转为备用计算机。
3）备用计算机启动，同时进行数据采集，并且监测主计算机心跳数据，如果心跳数据正常，备用计算机保持数据采集状态，时刻准备竞争为主计算机进入工作状态。
4）若主计算机发生故障，备用计算机不能在规定时间内接收到主计算机发送的心跳数据，备用计算机经核实主计算机已停止工作，此时备用计算机开始启动工作，自动转入主机状态。
5）进入故障状态的计算机给出报警信息，经修复后进入再次竞争状态。
4.开发要点
系统在开发和实际调试应用过程中发现了一些细节性问题需要注意：
1）心跳数据传送传送通道应采用专用通道完成，这样避免由于数据交换繁忙影响心跳数据传送延时而产生系统误判断系统故障。因此，在两台计算机上均采用双网卡设计，一对网卡专用于两台计算机心跳数据传送。
2）由于整个工业以太网中数据交换量比较大，对于故障判断数据应采用滤波处理，减小误判断几率。滤波方法可通过故障保持时间比较的方式来处理，设置时间阈值，当故障保持时间超出阈值范围时认为故障发生。但是这种方法会造成的负面影响是加长故障时系统切换时间。在不影响系统使用的前提下，阈值时间可根据实际工作环境来调整。
3）显示控制板卡应选用稳定性好并且利于进行二次开发的产品，不会因为网络故障或数据发送中断等原因产生板卡宕机等问题出现。
5.结论
本系统通过软件方式实现大屏幕显示系统双机冗余功能，不仅提高了系统稳定性而且大大降低了制造成本。通过这种方式，使系统故障率极大降低，减少了人员维护几率。
参考文献：
[1]机械电子工业部.电气传动自动化技术手册[M].机械工业出版社,1993.
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
作者简介：相岁女（1981―），女，西安外事学院工学院讲师。
