本發(fā)明涉及裝置故障診斷系統(tǒng)領域，具體涉及一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)。

背景技術：

1、隨著工業(yè)系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，對控制器的功能與性能提出了越來越高的要求，這直接導致控制器的軟硬件也愈發(fā)復雜，復雜的軟硬件系統(tǒng)在帶來豐富功能與強大性能的同時，也在一定程度上增加了控制器發(fā)生故障的概率，同時也給故障排查帶來了極大的困難。工業(yè)控制系統(tǒng)作為工業(yè)控制系統(tǒng)的大腦，負責整個控制系統(tǒng)信號的匯聚運算以及輸出，其穩(wěn)定性可靠性直接關乎整個工業(yè)生產(chǎn)過程的安全，因此關于控制器故障診斷的研究具有重要意義。目前工業(yè)故障診斷方面的研究主要還是集中在整個工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，而控制器本身的故障診斷與可靠性的保證主要還是依賴于研發(fā)過程的質(zhì)量管控。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)。用于監(jiān)視控制器狀態(tài)及快速定位控制器問題。

2、所述系統(tǒng)包括監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)；所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間通過冗余以太網(wǎng)鏈路進行連接；

3、所述工業(yè)控制系統(tǒng)用于將控制器運行狀態(tài)信息通過冗余以太網(wǎng)鏈路推送到監(jiān)視系統(tǒng)；

4、所述監(jiān)視系統(tǒng)對收到的控制器運行狀態(tài)信息進行分析處理、展示記錄，并對異常數(shù)據(jù)進行告警提示。

5、所述控制器運行狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡狀態(tài)、網(wǎng)絡負荷、cpu負荷、內(nèi)存負荷、背板總線狀態(tài)和控制器冗余狀態(tài)，通過讀取網(wǎng)卡中相應寄存器收集網(wǎng)絡負荷，利用操作系統(tǒng)提供的接口獲取cpu和內(nèi)存負荷，由can?bus驅(qū)動程序探測背板總線狀態(tài)。

6、所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括兩個冗余控制器模塊、io模塊和背板總線，所述冗余控制器模塊和io模塊通過背板總線進行通訊。

7、所述兩個冗余控制器模塊包括主控制器和從控制器，如果主控制器異常，從控制器會繼續(xù)進行控制器的運行狀態(tài)信息的收集上報，同時將主控制器的異常狀態(tài)上報給監(jiān)視系統(tǒng)。

8、所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊；

9、所述數(shù)據(jù)采集模塊基于冗余以太網(wǎng)接口接收工業(yè)控制系統(tǒng)推送上來的數(shù)據(jù)；

10、所述數(shù)據(jù)分析模塊負責對數(shù)據(jù)進行分析處理和故障判別；

11、所述數(shù)據(jù)展示模塊將分析處理完成的數(shù)據(jù)展示在計算機畫面中，對異常數(shù)據(jù)給出告警提示；

12、所述數(shù)據(jù)記錄模塊將需要記錄的數(shù)據(jù)存儲到本地計算機的磁盤中。

13、所述冗余以太網(wǎng)鏈路為雙環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路，監(jiān)視系統(tǒng)通過兩根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機上，控制器系統(tǒng)中的兩個互為冗余的控制器模塊通過四根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機上；所述環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路包括一個專用交換機和兩個以上普通交換機構(gòu)成，所述專用交換機中包含一個cpu和一個交換核心，cpu負責環(huán)網(wǎng)檢測功能，交換核心負責業(yè)務數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；正常運行時，交換核心其中一個端口是關閉的；cpu有兩個網(wǎng)口，cpu周期性地從其中一個網(wǎng)口發(fā)送帶有cpu唯一id的以太網(wǎng)報文，從另一個網(wǎng)口接收以太網(wǎng)報文，如果未接收到報文或者報文中的id不一致則判定網(wǎng)絡故障，立即控制交換核心開啟另一個端口，恢復正常通信。

14、所述網(wǎng)絡負荷包括單播、組播和廣播；所述網(wǎng)絡負荷由8個64位數(shù)據(jù)組成，每個網(wǎng)口占兩個64位數(shù)據(jù)，分別表示輸入輸出流量，網(wǎng)絡負荷分為三種狀態(tài)：常規(guī)工況、調(diào)試工況、異常工況；所述常規(guī)工況指的是控制器編程完成投入生產(chǎn)后的正常運行工況，調(diào)試工況指的是工程師正在對控制器進行組態(tài)編程，異常工況指的是控制器流量明顯超出正常范圍，具體范圍由特定控制器型號決定；

15、所述網(wǎng)絡狀態(tài)由四個字節(jié)組成，四個字節(jié)分別指示四個網(wǎng)口狀態(tài)，每個字節(jié)的最高位表示網(wǎng)口當前狀態(tài)，0表示正常，1表示異常，低七位表示每分鐘網(wǎng)口狀態(tài)切換次數(shù)，其中網(wǎng)口每分鐘網(wǎng)絡狀態(tài)切換次數(shù)的合理性判定依據(jù)如下：0次為正常，1～3次為檢修狀態(tài)，大于3次為網(wǎng)絡異常。數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)所述合理性判定依據(jù)對上傳的網(wǎng)口狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理并給出狀態(tài)指示。

16、所述cpu負荷支持對具體cpu核、具體進程進行獨立監(jiān)控；所述cpu負荷由一個變長數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長度取決于cpu核心數(shù)和進程數(shù)，每個數(shù)據(jù)包分為兩個以上子數(shù)據(jù)包，每個子數(shù)據(jù)包包含類型、線程名稱、所在cpu核心、負荷三個字段，包類型占1個字節(jié)，線程名稱占10個字節(jié)，cpu核心占1個字節(jié)，負荷占1個字節(jié)，包類型分為cpu包和線程包，cpu包不含線程名稱字段；數(shù)據(jù)處理過程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個字段，解析出各個cpu總負荷及線程負荷并進行運算，判斷各個線程負荷累加之和是否等于cpu總負荷，然后再逐個判斷各個線程負荷是否異常，在常見工況下要求系統(tǒng)單核心運算負荷低于20％，在一些數(shù)據(jù)同步要求較高的運動控制系統(tǒng)中可能會占用70％以上負荷，具體異常閾值取決于特定應用場景，可以通過監(jiān)視系統(tǒng)界面設置。

17、所述內(nèi)存負荷支持對單獨進程資源占用進行獨立監(jiān)控；所述內(nèi)存負荷由一個變長數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長度取決于進程數(shù)，每個數(shù)據(jù)包包含一個總包頭和兩個以上子數(shù)據(jù)包，包頭包含總內(nèi)存大小及總內(nèi)存消耗，每個子數(shù)據(jù)包包含包線程名稱、內(nèi)存負荷兩個字段，線程名稱占10個字節(jié)，負荷占4個字節(jié)；數(shù)據(jù)處理過程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個字段，解析出各個內(nèi)存總負荷及線程負荷并進行運算，判斷各個線程內(nèi)存負荷累加之和是否等于內(nèi)存總負荷，然后再逐個判斷各個線程內(nèi)存負荷是否異常，在不集成opc?ua、profinet主站、dds等內(nèi)存占用較大的第三方組件的情況下，常規(guī)工業(yè)控制器應用所占用內(nèi)存一般不高于50mb，具體異常閾值取決于特定應用場景，可以通過監(jiān)視系統(tǒng)界面設置。

18、通過采用上述技術方案，本發(fā)明取得的有益效果是：

19、通過冗余控制器以及冗余以太網(wǎng)鏈路，故障診斷信息可以得到可靠采集與傳輸，極大地降低了因診斷信息的丟失而診斷失效的概率，基于工業(yè)控制系統(tǒng)的工作場景特點選取相應診斷信息，基本覆蓋常見的故障點，使得故障診斷更具針對性，減少了故障診斷的時間，提升了故障診斷的效率。

技術特征：

1.一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)；所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間通過冗余以太網(wǎng)鏈路進行連接；

2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器運行狀態(tài)信息包括網(wǎng)絡狀態(tài)、網(wǎng)絡負荷、cpu負荷、內(nèi)存負荷、背板總線狀態(tài)和控制器冗余狀態(tài)，通過讀取網(wǎng)卡中相應寄存器收集網(wǎng)絡負荷，利用操作系統(tǒng)提供的接口獲取cpu和內(nèi)存負荷，由can?bus驅(qū)動程序探測背板總線狀態(tài)。

3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括兩個冗余控制器模塊、io模塊和背板總線，所述冗余控制器模塊和io模塊通過背板總線進行通訊。

4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個冗余控制器模塊包括主控制器和從控制器，如果主控制器異常，從控制器會繼續(xù)進行控制器的運行狀態(tài)信息的收集上報，同時將主控制器的異常狀態(tài)上報給監(jiān)視系統(tǒng)。

5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊；

6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余以太網(wǎng)鏈路為雙環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路，監(jiān)視系統(tǒng)通過兩根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機上，控制器系統(tǒng)中的兩個互為冗余的控制器模塊通過四根6類屏蔽雙絞線連接到環(huán)形冗余鏈路中的交換機上；所述環(huán)形冗余以太網(wǎng)鏈路包括一個專用交換機和兩個以上普通交換機構(gòu)成，所述專用交換機中包含一個cpu和一個交換核心，cpu負責環(huán)網(wǎng)檢測功能，交換核心負責業(yè)務數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；正常運行時，交換核心其中一個端口是關閉的；cpu有兩個網(wǎng)口，cpu周期性地從其中一個網(wǎng)口發(fā)送帶有cpu唯一id的以太網(wǎng)報文，從另一個網(wǎng)口接收以太網(wǎng)報文，如果未接收到報文或者報文中的id不一致則判定網(wǎng)絡故障，立即控制交換核心開啟另一個端口，恢復正常通信。

7.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡負荷包括單播、組播和廣播；所述網(wǎng)絡負荷由8個64位數(shù)據(jù)組成，每個網(wǎng)口占兩個64位數(shù)據(jù)，分別表示輸入輸出流量，網(wǎng)絡負荷分為三種狀態(tài)：常規(guī)工況、調(diào)試工況、異常工況；所述常規(guī)工況指的是控制器編程完成投入生產(chǎn)后的正常運行工況，調(diào)試工況指的是工程師正在對控制器進行組態(tài)編程，異常工況指的是控制器流量明顯超出正常范圍，具體范圍由特定控制器型號決定。

8.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡狀態(tài)由四個字節(jié)組成，四個字節(jié)分別指示四個網(wǎng)口狀態(tài)，每個字節(jié)的最高位表示網(wǎng)口當前狀態(tài)，0表示正常，1表示異常，低七位表示每分鐘網(wǎng)口狀態(tài)切換次數(shù)，其中網(wǎng)口每分鐘網(wǎng)絡狀態(tài)切換次數(shù)的合理性判定依據(jù)如下：0次為正常，1～3次為檢修狀態(tài)，大于3次為網(wǎng)絡異常；數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)所述合理性判定依據(jù)對上傳的網(wǎng)口狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理并給出狀態(tài)指示。

9.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述cpu負荷支持對具體cpu核、具體進程進行獨立監(jiān)控；所述cpu負荷由一個變長數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長度取決于cpu核心數(shù)和進程數(shù)，每個數(shù)據(jù)包分為兩個以上子數(shù)據(jù)包，每個子數(shù)據(jù)包包含類型、線程名稱、所在cpu核心、負荷三個字段，包類型占1個字節(jié)，線程名稱占10個字節(jié)，cpu核心占1個字節(jié)，負荷占1個字節(jié)，包類型分為cpu包和線程包，cpu包不含線程名稱字段；數(shù)據(jù)處理過程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個字段，解析出各個cpu總負荷及線程負荷并進行運算，判斷各個線程負荷累加之和是否等于cpu總負荷，然后再逐個判斷各個線程負荷是否異常。

10.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)存負荷支持對單獨進程資源占用進行獨立監(jiān)控；所述內(nèi)存負荷由一個變長數(shù)據(jù)包決定，數(shù)據(jù)包長度取決于進程數(shù)，每個數(shù)據(jù)包包含一個總包頭和兩個以上子數(shù)據(jù)包，包頭包含總內(nèi)存大小及總內(nèi)存消耗，每個子數(shù)據(jù)包包含包線程名稱、內(nèi)存負荷兩個字段，線程名稱占10個字節(jié)，負荷占4個字節(jié)；數(shù)據(jù)處理過程中首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式提取各個字段，解析出各個內(nèi)存

技術總結(jié)
本發(fā)明提供了一種工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，包括監(jiān)視系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)、冗余以太網(wǎng)鏈路，所述監(jiān)視系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包括控制器模塊、IO模塊，所述工業(yè)控制系統(tǒng)包含兩個冗余控制器模塊。所述監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間采用冗余以太網(wǎng)鏈路連接，提高通信可靠性。本發(fā)明所提供的工業(yè)控制器故障診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集控制器運行狀態(tài)信息并通過畫面展示，并基于預置的專家經(jīng)驗來判斷運行信息是否異常，如果異常則通過畫面給出告警，并記錄下異常發(fā)生時的狀態(tài)快照，極大提升了分析定位問題原因的速度，能夠有效提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

技術研發(fā)人員：殷仕佳,辛克廷
受保護的技術使用者：南京科遠智慧科技集團股份有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17