一种安全智能I/O组合系统的控制系统及其控制方法.pdf

本发明公开了一种安全智能I/O组合系统的控制系统，包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。以控制系统为基础，本发明还提供了一种安全智能I/O组合系统的控制方法，控制安全智能I/O组合系统中设备的状态实时采集和命令交互过程，本发明能够有力地保证信息采集的准确性，提高信息传输的可靠性和系统的安全性，主要用于机车股道控制领域的安全智能I/O组合系统中。

1.  一种安全智能I/O组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全智能I/O组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。

2.  一种安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述安全智能I/O组合系统的控制方法包括
在非执行命令状态下，站场设备进行的状态实时采集过程；
在执行命令状态下，系统进行的命令交互过程。

3.  根据权利要求2所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述站场设备状态实时采集过程包括以下步骤：
(1)第一MCU和第二MCU设置自身和对方状态标志位为正常；
(2)第一MCU和第二MCU分别检测自身状态标志位是否正常，若故障，则关闭自己控制的设备驱动与状态采集电路，反之，则通过设备驱动与状态采集电路对控制对象的状态信息进行实时采集；
(3)第一MCU和第二MCU分别判断对方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将自己采集到状态信息数据保存至各自MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)，反之，则通过UART端口将采集到的设备状态信息数据相互传输给对方；
(4)第一MCU和第二MCU收到对方传过来的信息数据后，判断对方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则判断数据传输是否有误；
(5)若数据传输有误，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则比较两个MCU获取的设备状态信息是否相同，若相同，则将状态信息保存至上述两个MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则判断为相应的设备驱动与状态采集电路故障；
(6)若本MCU的设备驱动与状态采集电路故障，则设置自身状态标志位为故障，并将本MCU故障信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则设置对方状态标志位为故障，并将对方MCU故障信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)。

4.  根据权利要求2所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述命令交互过程包括以下步骤：
a.联锁机发出命令数据，将命令数据传输至第一MCU和第二MCU；
b.第一MCU和第二MCU判断收到的命令数据是否传输有误，若传输有误，则丢弃命令数据，直接结束，反之，判断命令数据是否为查询命令；
c.若命令数据为查询命令，则判断该查询命令是否是发给本MCU的，反之，则判断命令数据是否为操作命令；
d.若查询命令不是发给本MCU的，则丢弃命令数据，直接结束，反之，从本MCU内的CANOpen对象字典中查询所需的状态信息，并将查询结果回传至联锁机；
e.若命令数据为非操作命令，则直接结束，反之，则判断该操作命令是否是发给本MCU的；
f.若操作命令不是发给本MCU的，则将收到的命令数据通过UART端口发给另一MCU，反之，保存命令数据，并设定超时时限，等待另一MCU将命令数据发送到本MCU作比较；
g.若在设定的时限内没有收到另一MCU发送过来的命令数据，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，将保存的命令数据和另一MCU发送过来的命令数据作比较，相同则驱动控制对象执行操作命令，不同则直接结束。

5.  根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述步骤a中命令数据传输至MCU的过程包括：
联锁机将命令数据复制成两份，通过两路CAN总线同时将两份命令数据传输至第一MCU和第二MCU，第一MCU和第二MCU根据两路CAN总线的状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输的数据作为收到的命令数据，同时清除另一路CAN总线的命令数据。

6.  根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述步骤d中查询结果回传过程为：
被指定接收命令数据的MCU将查询到的状态信息复制成两份，通过两路CAN总线同时回传至联锁机。

7.  根据权利要求4所述的安全智能I/O组合系统的控制方法，其特征在于，所述步骤g中驱动控制对象执行操作命令的具体步骤包括：
(1)被指定接收操作命令的MCU分别检查自身状态标志位是否为故障，若为故障，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，则检查控制对象是否已经处于该操作状态
(2)若控制对象已经处于该状态下，则直接结束联锁机发出的操作命令，反之，则发出驱动信号，并检测驱动信号是否能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控制对象；
(3)若驱动信号不能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控制对象，则停止发驱动信号，并设置自身状态标志位为故障，反之，设定操作时限；
(4)在设定时限内连续检查控制对象的状态，当检测到控制对象已到达操作命令要求的状态时，停止发送驱动信号，并结束操作命令；当设定时限超过时，停止发送驱动信号，然后设置自身状态标志位为故障，并结束操作命令。

一种安全智能I/O组合系统的控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制系统及其控制方法，具体地说，是涉及一种运用于机车股道控制领域的安全智能I/O组合系统的控制系统及其控制方法。
背景技术
在机车股道控制领域，站场设备(主要包括信号机、轨道电路、道岔等信号设备)的状态正常与否直接关系着整个运营系统的运行效率和安全性，如果不能对其进行可靠控制和及时发现其异常情况，就会给机车行车埋下安全隐患，甚至可能造成安全事故，因此站场设备的信息监测及控制是一个十分重要的工作。
目前，站场设备的信息检测与控制由执行联锁运算的工控机通过相应的接口电路控制实现的。由于工控机既要运行联锁控制程序，又要控制接口电路，因此所能控制的接口电路数量有限，这就导致了现有的站场设备信息检测与控制系统的扩展性不好，不能应用于较大型的站场。其次，现有技术的系统结构层次不够清晰，使故障排查和检测工作的开展十分困难，进而也造成了系统的可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全智能I/O组合系统的控制系统及其控制方法，应用于站场设备的自动检测和控制，保证信息采集的准确性，提高信息传输的安全性和系统的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种安全智能I/O组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全智能I/O组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。
基于上述安全智能I/O组合系统的控制系统，本发明还提出了一种安全智能I/O组合系统的控制方法，该控制方法包括：在非执行命令状态下，站场设备的状态实时采集过程；以及在执行命令状态下，系统进行的命令交互过程。
所述站场设备的状态实时采集过程包括以下步骤：
(1)第一MCU和第二MCU设置自身和对方状态标志位为正常；
(2)第一MCU和第二MCU分别检测自身状态标志位是否正常，若故障，则关闭自己控制的设备驱动与状态采集电路，反之，则通过设备驱动与状态采集电路对控制对象的状态信息进行实时采集；
(3)第一MCU和第二MCU分别判断对方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将自己采集到状态信息数据保存至各自MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)，反之，则通过UART端口将采集到的设备状态信息数据相互传输给对方；
(4)第一MCU和第二MCU收到对方传过来的信息数据后，判断对方状态标志位是否为正常，若对方状态为故障，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则判断数据传输是否有误；
(5)若数据传输有误，则将收到的数据丢弃，然后执行步骤(2)，反之，则比较两个MCU获取的设备状态信息是否相同，若相同，则将状态信息保存至上述两个MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则判断为相应的设备驱动与状态采集电路故障；
(6)若本MCU的设备驱动与状态采集电路故障，则设置自身状态标志位为故障，并将本MCU故障信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，反之，则设置对方状态标志位为故障，并将对方MCU故障信息保存至本MCU内部的CANOpen对象字典中，然后执行步骤(2)。
所述命令交互过程包括以下步骤：
a.联锁机发出命令数据，将命令数据传输至第一MCU和第二MCU；
b.第一MCU和第二MCU判断收到的命令数据是否传输有误，若传输有误，则丢弃命令数据，直接结束，反之，判断命令数据是否为查询命令；
c.若命令数据为查询命令，则判断该查询命令是否是发给本MCU的，反之，则判断命令数据是否为操作命令；
d.若查询命令不是发给本MCU的，则丢弃命令数据，直接结束，反之，从本MCU内的CANOpen对象字典中查询所需的状态信息，并将查询结果回传至联锁机；
e.若命令数据为非操作命令，则直接结束，反之，则判断该操作命令是否是发给本MCU的；
f.若操作命令不是发给本MCU的，则将收到的命令数据通过UART端口发给另一MCU，反之，保存命令数据，并设定超时时限，等待另一MCU将命令数据发送到本MCU作比较；
g.若在设定的时限内没有收到另一MCU发送过来的命令数据，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，将保存的命令数据和另一MCU发送过来的命令数据作比较，相同则驱动控制对象执行操作命令，不同则直接结束。
所述步骤a中命令数据传输至MCU的过程包括：
联锁机将命令数据复制成两份，通过两路CAN总线同时将两份命令数据传输至第一MCU和第二MCU，第一MCU和第二MCU根据两路CAN总线的状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输的数据作为收到的命令数据，同时清除另一路CAN总线的命令数据。
所述步骤d中查询结果回传过程为：
被指定接收命令数据的MCU将查询到的状态信息复制成两份，通过两路CAN总线同时回传至联锁机。
所述步骤g中驱动控制对象执行操作命令的具体步骤包括：
(1)被指定接收操作命令的MCU分别检查自身状态标志位是否为故障，若为故障，则清除保存的命令数据，直接结束，反之，则检查控制对象是否已经处于该操作状态；(2)若控制对象已经处于该状态下，则直接结束联锁机发出的操作命令，反之，则发出驱动信号，并检测驱动信号是否能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控制对象；(3)若驱动信号不能够通过设备驱动与状态采集电路作用于控制对象，则停止发驱动信号，并设置自身状态标志位为故障，反之，设定操作时限；(4)在设定时限内连续检查控制对象的状态，当检测到控制对象已到达操作命令要求的状态时，停止发送驱动信号，并结束操作命令；当设定时限超过时，停止发送驱动信号，然后设置自身状态标志位为故障，并结束操作命令。
本发明的原理：采用两套相同的硬件设备进行组合，并将信息数据进行逐层比较，只有两套硬件设备分别采集的信息相同时，才视为准确信息，并予以保存，以保障数据的准确性，从而为信息查询提供保证；在信息的传输问题上，采用双路CAN总线，每次提取信息时，均通过双路CAN总线同时传输两个信息，并将两个信息进行比较，只有两者相同，才视为正确信息，从而提高信息传输的可靠性；而两个MCU一个使用一个备用的设备则为系统的正常运行提供了保障。
与传统的控制系统相比，本发明不仅采用两套设备同时运行，对于采集信息，还进行了数据比较，只有两个MCU获取的同一时刻的状态信息相同，才视其为准确的状态信息，并在MCU内部划分了用于存储数据的区域——CANOpen对象字典，用以存储控制对象的实时状态信息以及系统的其他信息，同时为联锁机查询控制对象的状态信息时提供可靠的信息数据。在保证了状态信息的准确性后，还需要确保信息的传输线路无误，为此，在每一个MCU与联锁机之间，采用两路双向CAN总线进行连接，数据传输时，将数据分别在两路CAN总线中同时传输，以确保数据传输的可靠性。当联锁机发出命令数据时，联锁机将命令数据复制为两份，并将两份命令数据分别通过两路CAN总线传输给两个MCU，每个MCU都收到两份相同的命令数据，它们选择传输状态较好的一路CAN总线，保留其命令数据，而清除另一路CAN总线传输的命令数据。当MCU向联锁机回传站场设备状态数据时，MCU将设备状态数据复制为两份，并将两份状态数据分别通过两路CAN总线传输给联锁机，联锁机选择传输状态较好的一路CAN总线，保留其数据，而清除另一路CAN总线传输的设备数据。在MCU驱动控制对象的过程中，系统不仅通过两个MCU对命令数据进行了校对，而且对设设备驱动与状态采集电路的状态也进行了检测判断，以此来提高命令执行的安全性，确保系统的运行安全。本系统对站场设备及其控制电路增加了很多检测点，可以十分方便准确地定位故障点，极大地降低了维修检测的工作量。
本发明中所述控制系统可控制安全智能I/O组合系统中的某一个设备，也可以控制多个设备，还可以对整个安全智能I/O组合系统的设备进行控制，相应地实时采集一个设备或多个设备的状态信息，并控制设备进行相应操作。
本发明具有应用范围广泛、控制对象量大、控制灵活的特点，不仅能够保证采集信息的准确性，还能大大提高信息传输的可靠性，有效地保证系统的安全运行，提高系统可靠性，极大地降低维修工作量。
附图说明
图1为本发明中控制系统的系统框图。
图2为本发明中站场设备状态采集过程的流程示意图。
图3为本发明中命令交互过程的流程示意图。
图4为本发明中命令数据传输至MCU的流程示意图。
图5为本发明中驱动控制对象执行操作命令的流程示意图。
具体实施方式
下面通过举例来对本发明进一步说明。
如图1所示，一种安全智能I/O组合系统的控制系统，其特征在于，所述安全智能I/O组合系统的控制系统包括联锁机、设备驱动与状态采集电路1、设备驱动与状态采集电路2、第一MCU和第二MCU，所述第一MCU、第二MCU分别与联锁机通过两路CAN总线连接，而第一MCU、还与设备驱动与状态采集电路1，第二MCU还与设备驱动与状态采集电路2连接，且第一MCU与第二MCU还通过UART端口相互连接。
在MCU内部，完全由软件来实现其功能：MCU首先接收联锁机发出的命令数据，然后根据命令数据进行相应的操作，或从CANOpen的对象字典中查询状态信息，或发出驱动信号驱动控制对象执行操作命令；而在状态实时采集过程中，两个MCU还需要不断地比较两个MCU获取的状态信息是否相同，并将相同的状态信息保存至CANOpen的对象字典中。
下面根据上述硬件系统和软件设置详细描述本发明的具体工作过程：
一.站场设备的状态实时采集过程
如图2所示：首先两个MCU分别设定自身和对方的状态标志位为正常，然后两个MCU检查自身状态标志是否正常，若为故障状态，则关闭相应的设备驱动与状态采集电路，反之，则对控制对象进行状态实时采集。MCU采集到控制对象的状态信息后，检查对方的状态标志位是否为正常，若对方状态标志位为故障，则直接保存自身采集到的状态信息至CANOpen的对象字典中，并返回继续检查自身状态标志位是否为正常，从而循环采集控制对象的状态信息。当采集到控制对象的状态信息后，检查对方状态标志位为正常时，两个MCU将各自采集到的状态信息传输给对方，并再次检查对方状态标志位是否正常，此时，若对方状态标志位为故障，则丢弃对方传输过来的信息，反之，则判断数据传输是否有误，若有误，则丢弃对方传输过来的信息，若无误，则比较两个MCU采集到的状态信息是否相同，若相同，则两个MCU保存各自采集到的状态信息至CANOpen的对象字典中，若不相同，则设定设备驱动与状态采集电路为故障状态。两个MCU分别判断各自控制的设备驱动与状态采集电路是否出现故障，若出现故障，则设定相应的MCU为故障状态，并将故障信息保存至相应的MCU内的CANOpen的对象字典中；若自身控制的设备驱动与状态采集电路状态为正常，则将对方MCU状态标志位设为故障，将对方故障信息保存至自身的CANOpen的对象字典中。
二.命令交互过程
如图3所示，联锁机同时向两个MCU发出命令数据，MCU收到命令数据后，检查数据传输是否出错，若传输出错，则直接结束，反之，则判断命令数据是否为查询命令。若命令数据为查询命令，则判断该命令是否是发出自身MCU的，若是，则从自身MCU内的CANOpen对象字典中查询相应的信息，并回传给联锁机；若命令数据不是传输给自身MCU的，则直接丢弃命令数据，并结束程序。若MCU收到的命令数据不是查询命令，则判断其是否为操作命令，若不是操作命令，则直接结束，若为操作命令，则判断该命令是否是发给本MCU的，若不是，则将操作命令传输给对方MCU，若是，则保存该操作命令，并设定该操作命令的执行时限，并在该时限内判断是否收到另一MCU传输的操作命令。若本MCU位收到对方MCU传输过来的操作命令，则清除本MCU内的操作命令；若收到对方MCU传输的操作命令，则比较两个MCU获取的操作命令是否相同，若相同，则驱动控制对象执行相应的操作，反之，则结束命令。
三.命令传输至MCU的方式
如图1、图4所示，在本发明中，命令传输采用两路CAN总线，向两个MCU同时发送。首先，联锁机将命令数据复制为两份，然后通过两路CAN总线分别传输给两个MCU，最后比较两路CAN总线的传输状态，保留传输状态较好的一路CAN总线传输过来的命令数据，同时清除另一路CAN总线传输的命令数据。
四.操作命令执行过程
在MCU收到操作命令并确认数据传输无误的情况下，MCU将驱动控制对象执行操作命令，如图5所示。MCU首先要检查自身的状态标志位是否正常，若状态标志位为故障，则清除操作命令，并结束；若自身状态正常，则检查控制对象是否已处于要求的状态，若控制对象已经处于要求的状态下，则结束联锁机发出的操作命令，若控制对象还未处于要求的状态下，MCU便发出驱动信号，此时再检查驱动信号是否作用于控制对象，若未作用于控制对象上，则停止发送驱动信号，并设置自身状态标志位为故障，若驱动信号已作用于控制对象上，则设定该操作命令的操作时限，并在操作时限内连续检查控制对象是否已处于要求的状态下，当控制对象已经处于要求的状态下，则停止发送驱动信号，若在操作时限内控制对象一直未处于要求的状态下，则停止发送驱动信号，并设置自身状态标志位为故障。
在上述信息查询过程控制和设备操作过程控制中，一旦系统无法完成联锁机所要求的工作，则说明系统出现故障，系统维护人员可根据CANOpen对象字典内保存的信息快速地找到出现故障的地方，以便对其进行检修，从而提高系统维护的效率，保证系统的正常运行。