CN106950820A - 一种多冗余仲裁的动力定位控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多冗余仲裁的动力定位控制系统及方法，该系统包括控制计算机群和传感器系统，控制计算机群包括多个控制计算机，传感器系统包括多个数据采集单元；还包括仲裁单元，仲裁单元之间电性连接，仲裁单元的数量至少是两个，所述控制计算机群中各个控制计算机均与仲裁单元电性连接，所述传感器系统中的各个数据采集单元均与仲裁单元电性连接。本发明的系统通过设置两个独立仲裁单元，并且分别与所有控制计算机相连接，从而提高了该控制系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种多冗余仲裁的多冗余计算机控制系统及方法。
背景技术
动力定位(Dynamic Positioning)是船舶或海上浮式结构物借助闭环控制系统来实现海上作业位置精确保持的一项技术，被广泛应用于半潜式钻井平台、钻井船舶以及各类辅助作业船舶。在系统组成上，动力定位系统包括四大部分：传感器系统、控制系统、推力器系统以及动力系统。近年来，随着海上油气勘探不断向深海区域拓展，国际海事组织(IMO)与各国船级社对海上动力定位作业的安全性与可靠性提出了很高的要求，动力定位系统单一的控制器结构已不能满足海上油气平台常年不间断的作业要求。
对文献检索发现，专利(201110149060.6)《DP-3级动力定位的半实物仿真其方法》中所述的控制计算与冗余管理在同一台计算机中，只依靠计算机内部进行的软件表决来判断计算机是否有故障。专利(201210458941.0)《一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统》中所述的三冗余控制计算机系统，其仲裁单元和与之相连的独立控制计算机中任何一个出现故障时，由该仲裁单元和控制计算机组成的控制子系统就会失去控制功能。
此外，较多文献提出由一个独立的仲裁单元对三个控制计算机的运行情况进行监控和冗余切换，一旦独立的仲裁单元出现故障就会造成整个动力定位控制系统的故障。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种多冗余仲裁的动力定位控制系统，其能解决动力定位系统的稳定性的技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种多冗余仲裁的动力定位控制方法，其能解决动力定位系统的稳定性的技术问题。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种多冗余仲裁的动力定位系统，包括控制计算机群和传感器系统，所述控制计算机群包括多个控制计算机，所述传感器系统包括多个数据采集单元；
还包括仲裁单元，所述仲裁单元的数量至少为两个，所述仲裁单元之间电性连接，所述控制计算机群中各个控制计算机均与仲裁单元电性连接，所述传感器系统中的各个数据采集单元均与仲裁单元电性连接。
优选的，所述传感器系统包括位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风传感器和海流传感器。
优选的，所述仲裁单元的数量为两个。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种多冗余仲裁的动力定位方法，该方法应用于如上述任意一项所述的动力定位控制系统，包括以下步骤：
S1：设定主仲裁单元，并对主仲裁单元和从仲裁单元进行同步；
S2：通过主仲裁单元对控制计算机群实施同步，同步完成后设定主控制计算机；
S3：主、从仲裁单元同步接收数据采集单元上传的传感器数据，并对传感器数据进行输入仲裁以得到控制输入信号，主仲裁单元将该控制输入信号发送至各控制计算机；
S4：各控制计算机按照同一控制步长，对主仲裁单元发送的控制输入信号进行控制解算，并将得到的解算输出结果发送给主从仲裁单元进行输出仲裁，以获取主仲裁单元输出仲裁的控制输出结果；
S5：将主仲裁单元的控制输出结果发送给各台控制计算机以得到控制指令，并由主控计算机将控制指令传送给推力器系统。
优选的，在步骤S1与步骤S2之间还包括步骤S11：通过从仲裁单元判断该主仲裁单元是否存在故障，如果是，则将从仲裁单元作为主仲裁单元，如果否，则执行步骤S2。
优选的，在步骤S2步骤S3之间还包括步骤S21：通过主仲裁单元判断该主控计算机是否为故障控制计算机，如果是，则将主控计算机的主控权需要被切换至其他任意的控制计算机。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的系统通过设置两个独立仲裁单元，并且分别与所有控制计算机相连接，从而提高了该控制系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的多冗余仲裁的动力定位控制系统的结构图；
图2为本发明的多冗余仲裁的动力定位控制方法的流程图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明提供了一种多冗余仲裁的动力定位控制系统，包括控制计算机群和传感器系统，所述控制计算机群包括多个控制计算机，所述传感器系统包括多个数据采集单元；还包括仲裁单元，所述仲裁单元的数量至少有两个，所述仲裁单元之间电性连接，所述控制计算机群中各个控制计算机均与仲裁单元电性连接，所述传感器系统中的各个数据采集单元均与仲裁单元电性连接。其中任何一个控制计算机、仲裁单元以及数据采集单元即可构成一个完整的动力定位控制系统，而对控制计算机、仲裁单元以及数据采集单元的冗余设计可以保证该控制系统的多次故障-运行能力；每个控制计算机分别与双冗余的仲裁单元相连，每个数据采集单元分别与双冗余的仲裁单元相连，仲裁单元之间通过特定的仲裁算法进行控制切换。
本发明中的控制计算机、仲裁单元、数据采集单元可以根据动力定位附加标志进行配置；以中国船级社的附加标志DP-2、DP-3为例，DP-2要求单个活动部件或系统故障条件下，动力定位系统仍能自动保持船位与艏向；DP-3要求在一舱失火或浸水情况下，动力定位系统仍能自动保持船位与艏向，所以符合DP-3附加标志的动力定位系统主、备控制站必须是带有物理隔离，中国船级社(CCS)规范要求动力定位主、备控制站的隔离标准是A60防火标准。所以，不管主控制站的控制计算机是双重、三重甚至四重冗余，如果没有设置带物理隔离的备用控制站，该系统只符合DP-2附加标志。
如果本发明的系统结构，没有设置物理隔离的备用控制站，故而使得该系统结构只符合DP-2附加标志，但是通过相应的按照规范进行扩展设置，则可以获得DP-3的附加标志。
本发明的优点：它克服了由一个独立的仲裁单元对三个控制计算机的运行情况进行监控和冗余切换，仲裁单元一旦出现故障就会形成整个船舶动力定位系统故障的缺陷；也克服了一个独立仲裁单元对应一台独立控制计算机形成一个控制子系统，多个控制子系统之间通过仲裁单元进行运行情况的监控和冗余切换，当仲裁单元和与之相连的独立控制计算机中任何一个出现故障时，由该仲裁单元和控制计算机组成的控制子系统就失去控制功能的缺陷。
多重冗余控制计算机群的工作方式，冗余控制计算机群中的每台控制计算机功能相同，在系统硬件配置以及软件可实现功能上完全相同。在硬件上，每台控制计算机采用工业级设计标准，包括电源模块、CPU、内存、硬盘、总线、接口等模块，控制计算机之间通过以太网进行通信。多重冗余控制计算机须保持并行运行，同步执行动力定位控制解算的软件任务。控制计算机群的同步由双冗余仲裁单元中的主仲裁单元负责，经同步后，多重冗余控制计算机会以一定时间频率互相持续发送自己的心跳信号并接收其他计算机的心跳信号，以监督同伴是否始终保持同步执行控制解算任务。接收来自主仲裁单元的输入仲裁结果后，各台同步的控制计算机进行各自解算，并将最终的解算结果发送给主、备仲裁单元进行仲裁，最终由主仲裁单元负责将仲裁后的控制结果发送给控制计算机群。
冗余控制计算机群中有且只有一台控制计算机具有主控权，即主控计算机，只有主控计算机具备向执行机构发送控制指令的权利。主控权由主仲裁单元在系统启动时进行指定，当主控计算机出现故障时，主控权可自动切换至另外一台控制计算机，以保证实时的推力器系统输出。
双冗余仲裁单元负责对控制计算机群的控制输入与控制输出进行仲裁，并实时诊断控制计算机以及传感器的故障。每个仲裁单元的软、硬件系统与可实现功能完全相同，均采用高性能处理器设计，包括FPGA、ARM、PowerPC等。双冗余仲裁机构有主、备之分，只有主仲裁单元具备将仲裁结果发送给控制计算机群的权利，系统在任何时间有且只有一个主仲裁单元。系统上电后，仲裁单元的主控权由上位机进行最初设定，如果在系统运行过程中，主仲裁单元发生故障，则主仲裁权可自动切换至备用的仲裁单元，备用仲裁单元即可开始实施主仲裁单元的职责。主、备仲裁单元之间通过现场总线进行通信，实现同步后，主、备仲裁单元并行实施相应的仲裁功能。
数据采集单元群由功能相同的数据采集单元组成，主要负责实时采集动力定位解算所需的各类传感器信息。每个数据采集单元配备功能与数量相同的、可扩展的数据接口，包括：DI/DO接口、AI/AO接口、RS232串行接口、RS485接口、CAN接口、以太网接口等。因为根据动力定位不同附加标志的要求，传感器的冗余配置情况会不同，但本发明所描述的控制系统所连的传感器不限于附加标志DP-2或DP-3的要求，如果传感器种类与数量增加，则可以相应增加数据采集单元。只要保证每个数据采集单元至少采集1套位置传感器、1套航向传感器、1套姿态传感器、1套风速传感器和1套海流传感器的数据，即至少满足动力定位控制解算所需传感器的种类要求。
如图2所示，本发明提供了一种多冗余仲裁的动力定位控制方法，该方法应用于如上述所描述的动力定位控制系统，其包括以下步骤：
S1：设定主仲裁单元，并对主仲裁单元和从仲裁单元进行同步；在步骤S1与步骤S2之间还包括步骤S11：通过从仲裁单元判断该主仲裁单元是否存在故障，如果是，则将从仲裁单元作为主仲裁单元，如果否，则执行步骤S2；当从仲裁单元通过对控制计算机群以及主仲裁单元的联合监控与诊断，发现主仲裁单元持续异常或故障时，可将仲裁权切换至原从仲裁单元，隔离原主仲裁单元；
S2：通过主仲裁单元对控制计算机群实施同步，同步完成后设定主控制计算机；
S3：主、从仲裁单元同步接收数据采集单元上传的传感器数据，并对传感器数据进行输入仲裁以得到控制输入信号，主仲裁单元将该控制输入信号发送至各控制计算机；仲裁单元的输入仲裁是仲裁单元对各数据采集单元所采集的各类传感器信息进行裁决，正确的传感器输入是解算出正确控制输出的前提。根据每种传感器配备的数量进行相应仲裁机制或算法的选择，最终裁决出进入动力定位解算的控制输入数据，对故障传感器进行报警；对于传感器输入的裁决算法，须结合实际控制系统所配备的测量同种数据的传感器的种类与数量来决定。例如，对于测量动力定位船舶的艏向信息，假如配备了3个相同的传感器，则可以采用三选二的投票机制进行裁决，以决定最终的传感器输入数据；假如配备的是不同测量原理的3个不同的传感器，则可以根据一定信任权值，根据施工经验赋予每种传感器不同的信任权值，最后通过加权平均来获取最终的裁决值。
在步骤S2步骤S3之间还包括步骤S21：通过主仲裁单元判断该主控计算机是否为故障控制计算机，如果是，则将主控计算机的主控权需要被切换至其他任意的控制计算机，如果当前的主控计算机不是故障控制计算机，而其他的控制计算机存在故障计算机，则对该故障计算机进行隔离；
S4：各控制计算机按照同一控制步长，对主仲裁单元发送的控制输入信号进行控制解算，并将得到的解算输出结果发送给主从仲裁单元进行输出仲裁，以获取主仲裁单元输出仲裁的控制输出结果；仲裁单元的输出仲裁是仲裁单元对各控制计算机所解算出的控制输出进行裁决，需要结合冗余控制计算机的具体数量进行相应裁决机制或算法的选择，最终裁决出输出给推力器系统的控制指令，对故障控制计算机进行报警。对于控制器输出的裁决算法，须结合实际控制系统的冗余程度进行裁决机制设计。例如，当控制计算机是N模冗余时，则至少(N+1)/2台计算机达成一致结果时，才输出控制结果，否则输出上一次的控制结果；如果(N+1)/2台计算机未达成一致结果的次数超过限定值，则对相应的控制计算机启动相应的故障诊断程序，找到可能的原因。
S5：将主仲裁单元的控制输出结果发送给各台控制计算机以得到控制指令，并由主控计算机将控制指令传送给推力器系统。
本发明方法的具体工作流程：
系统上电，控制计算机、仲裁单元、数据采集单元各自完成相应的初始化程序与自检程序。正常启动后，设定主仲裁单元，主、从仲裁单元完成同步后，由主仲裁单元对控制计算机群实施同步，同步完成后设定主控计算机。
主、从仲裁单元开始同步接收数据采集单元上传的数据，并对传感器数据进行输入仲裁，经裁决后的控制输入数据经主仲裁单元发送给各控制计算机。同时，各控制计算机按照同一控制步长，结合主仲裁单元发送的输入数据，进行控制解算，并将解算完成的控制结果发送给主、从仲裁单元进行仲裁。经主仲裁单元裁决的控制输出结果将发送给各台控制计算机，最终由主控计算机负责将控制指令传送给推力器系统。
当主、从仲裁单元均工作正常时，通过输入仲裁与输出仲裁可以分别诊断出故障控制计算机与故障传感器，如果故障控制计算机刚好是主控计算机，则主控计算机的控制权需要被切换，可将控制权切换至系统软件默认设定的计算机上，主控权的设定可以由最初的时候，设定一个优先级，从而为主控计算机的切换提供一种依据；使得其不影响整个系统的运行；如果故障计算机不是主控计算机，则隔离当前故障计算机，不影响整个系统的运行。
双冗余仲裁单元同时监控并诊断控制计算机群以及数据采集单元的工作情况，同时主、从仲裁单元互相诊断。当从仲裁单元通过对控制计算机群以及主仲裁单元的联合监控与诊断，发现主仲裁单元持续异常或故障时，可将仲裁权切换至原从仲裁单元，隔离原主仲裁单元。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多冗余仲裁的动力定位控制系统，包括控制计算机群和传感器系统，所述控制计算机群包括多个控制计算机，所述传感器系统包括多个数据采集单元；
其特征在于，还包括仲裁单元，所述仲裁单元的数量至少为两个，所述仲裁单元之间电性连接，所述控制计算机群中各个控制计算机均与仲裁单元电性连接，所述传感器系统中的各个数据采集单元均与仲裁单元电性连接。
2.如权利要求1所述的多冗余仲裁的动力定位控制系统，其特征在于，所述仲裁单元的数量为两个。
3.如权利要求1所述的多冗余仲裁的动力定位控制系统，其特征在于，所述传感器系统包括位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风速传感器和海流传感器。
4.一种多冗余仲裁的动力定位控制方法，该方法应用于如权利要求1-3中任意一项所述的动力定位控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定主仲裁单元，并对主仲裁单元和从仲裁单元进行同步；
S2：通过主仲裁单元对控制计算机群实施同步，同步完成后设定主控计算机；
S3：主、从仲裁单元同步接收数据采集单元上传的传感器数据，并对传感器数据进行输入仲裁以得到控制输入信号，主仲裁单元将该控制输入信号发送至各控制计算机；
S4：各控制计算机按照同一控制步长，对主仲裁单元发送的控制输入信号进行控制解算，并将得到的解算输出结果发送给主从仲裁单元进行输出仲裁，以获取主仲裁单元输出仲裁的控制输出结果；
S5：将主仲裁单元的控制输出结果发送给各台控制计算机以得到控制指令，并由主控计算机将控制指令传送给推力器系统。
5.如权利要求4所述的多冗余仲裁的动力定位控制方法，其特征在于，在步骤S1与步骤S2之间还包括步骤S11：通过从仲裁单元判断该主仲裁单元是否存在故障，如果是，则将从仲裁单元作为主仲裁单元，如果否，则执行步骤S2。
6.如权利要求所述4的多冗余仲裁的动力定位控制方法，其特征在于，在步骤S2步骤S3之间还包括步骤S21：通过主仲裁单元判断该主控计算机是否为故障控制计算机，如果是，则将主控计算机的主控权需要被切换至其他任意的控制计算机。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200331 |