一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統的製作方法

2023-06-04 21:59:06

專利名稱：一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種船舶動力定位系統，具體涉及一種冗餘設置的船舶動力定位控制計算機系統。
背景技術：
船舶動力定位(Dynamic Positioning,DP)系統是指在風、浪、流幹擾的情況下,利用船舶自身的推進器系統抵抗海洋環境力幹擾，動態地控制船舶停在某確定位置或沿著一定的預定航跡運行的閉環控制系統。它的優點是定位成本不會隨著水深增加而增加，並且操作方便。船舶動力定位技術除用於船舶或海洋平臺的定點作業外還可以進行船舶的航行軌跡控制，因此它還應用於海底電纜和管道的敷設、海洋考察、海上救助、挖泥作業、穿梭油船、平臺供應、常規船操縱等。海洋平臺的動力定位系統對其可靠性的要求非常高。如果動力定位系統出現故障，將會導致海洋平臺定位失去控制，造成嚴重的經濟損失和環境災難。 因此海洋平臺的動力定位控制系統要求符合船級社DP-3標誌，要求具有三個獨立的動力定位自動控制系統，一個控制系統故障的情況下，可以自動切換到另一個控制系統。三冗餘計算機系統是採用計算機冗餘的方式達到容錯的目的，也就是允許一臺計算機故障甚至兩臺計算機故障時，系統仍然能夠保持控制功能不喪失。三模冗餘結構是一個高可靠、高安全性的冗餘結構，因此在深海石油鑽井平臺和石油開採平臺的動力定位控制中得到了應用。一套完整的DP-3動力定位控制系統包括冗餘傳感器系統、三冗餘控制計算機系統、三個冗餘操縱臺、冗餘乙太網絡系統、推進器控制站等。三冗餘控制計算機系統是DP-3動力定位控制系統的核心部分，它的主要功能是冗餘傳感器的數據採集、動力定位控制算法的執行和輸出對推進器的推力指令。由於冗餘的要求，三冗餘控制計算機系統包含了三套完全相同的計算機系統、與傳感器相連的串行通訊接口和與操縱臺和推進器系統相連的雙乙太網接口。DP-3動力定位系統的傳感器種類和數目較多，包括風傳感器、電羅經、姿態運動傳感器、位置參考系統。這樣的傳感器有3套，數量一般在12個以上。如果將傳感器直接連接到每臺計算機上會造成計算機接口電路複雜的狀況。經對現有文獻檢索發現，專利《DP-3級動力定位的半實物仿真其方法》(申請號201110149060. 6)設計了一個動力定位半實物仿真系統，採用了三臺計算機同時進行計算。該系統與本發明的不同之處在於該系統沒有仲裁機構，只依靠計算機內部進行的表決結果來判斷計算機是否有故障。有很多文獻提出了三模冗餘計算機系統的設計方法，都是在三個計算機外有一個獨立的仲裁單元，用於對三個計算機的運行情況進行監控和冗餘切換，並且認為仲裁單元是高可靠的，不會出現故障。但仲裁單元一旦出現故障就會形成一個單點故障，整個系統就不能正常運行
發明內容
本發明的目的是提供一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，以克服由一個獨立的仲裁單元對三個計算機的運行情況進行監控和冗餘切換，仲裁單元一旦出現故障就會形成整個船舶動力定位系統故障的缺陷。它包括傳感器組3和相同的三個控制子系統，每個控制子系統包括一臺計算機模塊I和一個與之相連的冗餘仲裁模塊2，三個冗餘仲裁模塊2的通信埠之間形成兩兩互聯的結構，傳感器組3的數據輸出端分別連接在每個 控制子系統的計算機模塊I的數據輸入端。本發明提供了一種符合DP-3標誌的動力定位系統，每個計算機模塊I是一個完整獨立的計算機系統，包括獨立的電源、CPU、內存、硬碟、總線、接口邏輯等。三個控制子系統採用鬆散同步方式進行同步，執行相同的控制任務。冗餘功能主要由冗餘仲裁模塊2實現，在計算機模塊I執行控制任務的同時它可並行地進行冗餘處理。三個冗餘仲裁模塊2中都有錯誤判斷機制和處理策略。由於具有足夠的冗餘資源，在冗餘機制的保證下，系統在出現故障時仍能不間斷運行。冗餘計算機系統採用動態可重組結構，利用冗餘仲裁模塊和通信接口等構成的表決機構和相應算法，對表決點傳感器數據、輸出推力數據進行表決，同時監控計算機模塊I定時發送的心跳信號來檢測計算機模塊I的故障。系統不但可以在單個控制子系統出現故障時，降級為雙冗餘系統，保障系統能夠正常運行，而且在兩個控制子系統先後出現故障的情況下，系統降級為單模系統仍然能夠正常保持控制功能。本發明的系統採用模塊化設計，採用三個相同的冗餘仲裁模塊2分別與三個計算機模塊I相連，構成同構的三個控制子系統，實現系統的故障檢測、系統降級、系統重構和數據表決。基於高速通信的分布式三模冗餘結構，每個計算機模塊都是獨立的計算機系統，具有獨立的電源，通過通信總線相互通信實現任務級同步。本發明的優點(1)採用模塊化設計。三個同構的控制子系統，每個控制子系統包括一個計算機模塊和一個冗餘仲裁模塊。計算機模塊和冗餘仲裁模塊在物理上可以做在一塊電路板上，實現小型化和模塊化設計，提高系統可靠性和可維修性。發現有模塊出故障了，更換該模塊即可。(2)三個仲裁模塊的設計消除了仲裁模塊的單點故障，提高了系統可靠性。三個仲裁模塊之間可以互相檢測故障。冗餘仲裁模塊基於FPGA設計，可靠性高。冗餘仲裁模塊通過互連的通訊接口獲取需要進行仲裁的數據，運用仲裁算法來進行數據表決。表決算法配置在FPGA裡，可根據需要通過軟體進行修改。(3)系統可在三模、雙模、單模之間進行冗餘狀態轉換。冗餘仲裁模塊之間通過互連的線纜來傳遞與之相連的計算機的狀態信息，以判定當前工作的冗餘系統狀態。當三模冗餘時，檢測到有計算機出現故障，則由三模冗餘切換為雙模冗餘，當再有計算機出現故障時，切換為單模工作狀態。有修復的計算機加入系統後，系統恢復為雙模或三模冗餘狀態。


圖I是本發明的結構示意圖，圖2是冗餘設置的傳感器組3的結構示意圖，圖3是本發明的工作流程示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖I具體說明本實施方式。本實施方式包括傳感器組3和相同的三個控制子系統，每個控制子系統包括一臺計算機模塊I和一個與之相連的冗餘仲裁模塊2，三個冗餘仲裁模塊2的通信埠之間形成兩兩互聯的結構，完成仲裁模塊之間的同步信息傳遞和心跳信號的傳遞。傳感器組3的數據輸出端分別連接在每個控制子系統的計算機模塊I的數據輸入端。三個計算機模塊I分別與三個冗餘仲裁模塊2通過通信總線相連。冗餘仲裁模塊2通過監測計算機模塊I的心跳信號來判斷計算機模塊I的故障情況，通過同步信息的傳遞來保證三臺計算機模塊I程序的同步運行。三個冗餘仲裁模塊2通過三者之間的通信總線實現主從關係傳遞、心跳信號監測、同步信息交換等功能。三個數據採集模塊採集6採集三套傳感器的數據。每套傳感器包括風傳感器、電羅經、姿態運動傳感器和位置參考系統各一臺，其中位置參考系統有兩種水聲定位系統和差分GPS。每個數據採集模塊6將採集的數據同時發送給三個計算機模塊I。三個計算機模塊I中，只有和主仲裁模塊相連的計算機模塊I可以向推進器系統輸出。三個冗餘仲裁模塊2默認只有一個冗餘仲裁模塊2處於主控地位，當主控仲裁模塊發生故障時，由下一個優先級的冗餘仲裁模塊2升級為主控模塊，完成同步、表決功能。通過撥碼開關設定三個冗餘仲裁模塊2的 優先級，在初始上電時，優先級最高的冗餘仲裁模塊2為主仲裁模塊，與之相連的計算機模塊I為主控計算機。由主控計算機通過冗餘仲裁模塊2的通信總線，向另兩臺計算機模塊I發送同步命令巾貞，實現三臺計算機模塊I的同步採集數據、同步控制計算。由主控計算機輸出控制結果給推進器系統，控制推進器系統產生需要的推力，進行動力定位控制。三個計算機模塊I運行相同的控制程序，控制程序在實時作業系統下運行，採用多進程的方法編程。進程包括控制進程、數據採集進程、心跳信號進程。控制進程實現控制解算、與仲裁模塊2的數據交換、冗餘重構等功能；數據採集進程實時接收來自數據採集模塊6發送來的三套傳感器的數據；心跳信號進程向冗餘仲裁模塊2定時發送包含了計算機自檢信息的心跳信號，三個進程同時運行，保證系統各個功能的實時性。三個進程通過進程間通訊交換數據。每個數據採集模塊6採集四個不同種類的傳感器的數據，並將採集的數據打包通過乙太網接口分別發送給三個計算機模塊I。優點是簡化了傳感器數據採集接口電路。每個數據採集模塊採集四個不同種類的傳感器數據，並將數據打包通過三個乙太網接口分別發給三個計算機模塊I。這樣每個計算機模塊I只需有三個乙太網接口就可以接收三套共12個傳感器的數據。冗餘切換原理三模冗餘計算機系統能在三模、雙模和單機工作狀態中靈活轉換狀態模式。三臺計算機模塊I通過自檢功能，讀取自身的內部狀態信息來判斷本機的工作狀態，將包含本機狀態信息的心跳信號發給與之相連的冗餘仲裁模塊2，冗餘仲裁模塊2將此心跳信號發送給相鄰的兩個冗餘仲裁模塊2。當其中一臺計算機模塊I發生故障，其他兩臺控制計算機模塊I的冗餘仲裁模塊2接收到故障信息或在一定時間間隔內接收不到此計算機模塊I的心跳信號，則認為此計算機模塊I出現故障，從而改變運行模式，進入雙模冗餘狀態。同時主控計算機模塊將故障報警信息通過冗餘網絡發送到動力定位操縱臺進行故障報警。詳細的冗餘切換流程見如下描述I)系統上電後，在三臺計算機模塊I工作正常的情況下，由撥碼開關選擇的優先級最高的冗餘仲裁模塊進入仲裁工作狀態，與之相連的計算機模塊A為主控計算機；2)三臺計算機模塊I通過互聯總線各自以相同的頻率向其他兩臺計算機模塊I發送自身的自檢信息；3)計算機模塊I通過檢測另外兩臺計算機模塊I的自檢信息或檢測一定時間內另外兩臺計算機模塊I有沒有發送自檢信息，來判斷其他兩臺計算機模塊I是否處於正常工作狀態； 4)如果計算機模塊A故障a)如果計算機模塊A部分接口故障，計算機模塊A本機禁止各接口往外發送數據；b)如果計算機模塊A的CPU故障，計算機模塊A不會往外發送數據； c)計算機模塊B接收到計算機模塊A故障的自檢信息或一定時間內接收不到計算機模塊A發送的自檢信息，計算機模塊B改變模式，接替計算機模塊A的工作，成為同步與冗餘仲裁的主控計算機；d)計算機模塊C接收到計算機模塊A故障的自檢信息或一定時間內接收不到計算機模塊A發送的自檢信息，計算機模塊C改變模式，接收計算機模塊B發送的同步數據；e)計算機系統由三模冗餘轉變為兩模冗餘狀態；5)如果計算機模塊B或C故障a)如果計算機模塊B或C部分接口故障，計算機模塊B或C本機禁止各接口往外發送數據；b)如果計算機模塊B或C的CPU故障，計算機模塊B或C癱瘓，不會往外發送數據；c)計算機模塊A接收到計算機模塊B或C故障的自檢信息或一定時間內接收不到計算機模塊B或C發送的自檢信息，計算機模塊A改變模式，只往工作正常的計算機發送同步數據；d)計算機系統由三模冗餘轉變為雙模冗餘狀態。6)雙模冗餘時，又有計算機故障a)雙模冗餘時，兩臺計算機模塊I中優先級較高的作為主控計算機，由這臺計算機模塊I發送同步指令；b)當從控制計算機模塊發生故障時，計算機系統由雙模冗餘轉變為單模；c)當主控計算機模塊發生故障時，剩餘的從控制計算機模塊改變模式，變為主控計算機，計算機系統由雙模冗餘轉變為單模。7)系統運行在單模狀態時，當一臺故障計算機模塊經過修理排出故障後，重新加入到系統。系統從單模狀態轉換為雙模狀態，但主控計算機狀態不變。8)系統運行在雙模狀態時，當另一臺故障計算機模塊經過修理排出故障後，重新加入到系統。系統從雙模狀態轉換為三模狀態，但主控計算機狀態不變。同步和表決原理與主控冗餘仲裁模塊相連的計算機為主控計算機模塊I。在每個控制周期的開始，主控計算機向與之相連的冗餘仲裁模塊2 (也就是主仲裁模塊)輸出同步命令幀，主仲裁模塊收到此幀後，向三臺計算機模塊I同時輸出同步命令幀，當三臺計算機模塊I接收到同步命令幀，將從數據採集模塊6發送來的傳感器數據發送至主仲裁模塊，由主仲裁模塊對這三個數據進行表決處理，再將表決完成後的數據發送至三臺計算機模塊I。表決數據包括四個不同類的傳感器數據。進行表決的三份數據，一份來自主計算機模塊，另兩份由其他兩個仲裁模塊通過總線傳送而來。上述過程保證了三個計算機模塊I用於表決傳感數據是在同一時刻採集的數據。三臺計算機模塊I收到表決後的傳感器數據後，用該數據進行控制計算，然後將計算結果發送到主仲裁模塊。主仲裁模塊對三臺計算機模塊I的控制計算結果進行三選二表決，並將表決後的結果發送回三臺計算機模塊。只有主控計算機將控制計算結果輸出到推進器控制系統，控制推進器產生相應的推力。主控計算機發送下一周期的同步指令，進入下一個控制周期。
具體實施方式
二 下面結合圖2具體說明本實施方式。本實施方式相對於實施方式一的改進之處是傳感器組3包括相同的三個數據採集模塊6和相同的三套傳感器；每套傳感器的信號輸出端分別連接在一個數據採集模塊6的信號輸入端，每個數據採集模塊6的三個數據輸出端分別連接在一個控制子系統的計算機模塊I的數據輸入端上。 冗餘傳感器數據採集原理船舶動力定位系統的傳感器有風傳感器，用於測量風速風向；姿態傳感器，用於測量船舶姿態，包括縱搖、橫搖、升沉；電羅經，用於測量船舶艏向；差分GPS，用於測量船舶絕對位置；水聲定位系統，用於測量船舶的相對位置。DP-3級動力定位系統要求有三套獨立的傳感器系統，其中位置測量要求有兩套不同工作原理的位置參考系統。三冗餘動力定位系統的傳感器數量較多，一般多於12個，控制系統計算機要同時採集這些傳感器的數據，接口數量多，造成系統複雜度增加。為了簡化數據採集電路，提高系統可靠性。本發明的數據採集系統有三個數據採集模塊6。數據採集模塊6上有四路RS422串行通信接口用於連接四個不同類的傳感器，三路乙太網接口用於連接三個計算機模塊I。數據採集模塊6將四個串口接收的數據打包，轉換成乙太網網口數據發送給計算機模塊I。串口的通訊波特率為240(Tll5200bps，而乙太網帶寬為10、100Mbps，所以一個乙太網口可以同時傳送多路串口數據。數據採集模塊6能實現串行鏈路和乙太網鏈路之間的轉換，將來自串行鏈路一方的四個串口的傳感器數據轉化為TCP/IP協議數據流後，通過乙太網鏈路的三個網口，分別發送給三臺計算機模塊I。綜上所述，整個三冗餘系統的工作流程如圖3所示(I)系統上電後，計算機模塊I運行初始化程序，三個進程的程序開始運行。心跳信號進程開始定時向與之相連的冗餘仲裁模塊2發送心跳信號。數據採集進程不斷地接收來自數據採集模塊6發送來的傳感器系統的數據。(2)每個冗餘仲裁模塊2讀取撥碼開關設置，優先級最高的冗餘仲裁模塊2成為主仲裁模塊，主仲裁模塊向主計算機模塊和相鄰的兩個冗餘仲裁模塊2發送主從信息。計算機模塊I接收到主從信息後，確定系統的主從關係。並將採集到的傳感器數據發送給主仲裁模塊。(3)主仲裁模塊對三個計算機模塊I採集的四個種類的傳感器數據分別進行三選二的表決。表決結果作為判斷這些傳感器是否正常工作的依據，如果某個傳感器與其他兩個同類傳感器的數據總是不一致，可以認為該傳感器故障，系統進行報警處理。(4)傳感器表決的結果發送給三臺計算機模塊1，計算機模塊I將其作為動力定位控制器的傳感器數據輸入，進行控制計算。(5)三臺計算機模塊I將控制計算的結果發送給主仲裁模塊，主仲裁模塊對三個計算機模塊的控制結果進行三選二的表決。表決結果可以作為判斷計算機模塊I是否正常工作的依據，如果某個計算機模塊I輸出的控制結果與其他兩個計算機模塊的輸出總是不 一致，可以認為該計算機故障，系統進行報警，並進行故障處理和冗餘重構。
權利要求
1.一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，它包括傳感器組(3)和相同的三個控制子系統，其特徵在於每個控制子系統包括一臺計算機模塊(I)和一個與之相連的冗餘仲裁模塊(2)，三個冗餘仲裁模塊(2)的通信埠之間形成兩兩互聯的結構，傳感器組(3)的數據輸出端分別連接在每個控制子系統的計算機模塊(I)的數據輸入端。
2.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於三個計算機模塊(I)分別與三個冗餘仲裁模塊(2)通過通信總線相連，實現主從關係傳遞、心跳信號監測和同步信息交換。
3.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於三個冗餘仲裁模塊(2)之間通過兩兩互聯的結構完成仲裁模塊之間的同步信息傳遞和心跳信號的傳遞；冗餘仲裁模塊(2)通過監測計算機(I)的心跳信號來判斷計算機(I)的故障情況，通過同步信息的傳遞來保證三臺計算機(I)程序的同步運行。
4.根據權利要求I至3中任意一項權利要求所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於傳感器組(3)包括相同的三個數據採集模塊(6)和相同的三套傳感器；每套傳感器的信號輸出端分別連接在一個數據採集模塊(6)的信號輸入端，每個數據採集模塊(6)的三個數據輸出端分別連接在一個控制子系統的計算機模塊(I)的數據輸入端上。
5.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於與主控冗餘仲裁模塊相連的計算機模塊為主控計算機，主控計算機輸出同步命令幀，主控仲裁模塊收到此同步命令幀後，向三臺計算機模塊(I)同時輸出同步命令幀，當三臺計算機模塊(I)收到同步命令幀，將採集到的傳感器數據發送至主控冗餘仲裁模塊，主控冗餘仲裁模塊對三套傳感器的數據進行表決處理，並將表決完成後的數據發送至三臺計算機模塊(I);三臺計算機模塊(I)收到此數據後，開始控制計算。
6.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於根據三臺計算機模塊(I)的故障狀況，在三模、雙模和單模狀態下進行切換；三臺計算機模塊(I)通過自檢功能，讀取自身的內部狀態信息來判斷本機的工作狀態，將包含本機狀態信息的心跳信號發給與之相連的冗餘仲裁模塊(2)，冗餘仲裁模塊(2)將此心跳信號發送給相鄰的兩個冗餘仲裁模塊(2);當其中一臺計算機模塊(I)發生故障，其他兩臺控制計算機模塊(I)的冗餘仲裁模塊(2)接收到故障信息或在一定時間間隔內接收不到此計算機模塊的心跳信號，則認為此計算機模塊出現故障，從而改變運行模式，進入雙模冗餘狀態。
7.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於三個冗餘仲裁模塊(2)中默認只有一個冗餘仲裁模塊(2)處於主控地位，當主控冗餘仲裁模塊發生故障時，由下一個優先級的冗餘仲裁模塊(2)升級為主控模塊，完成同步、表決功能；在三個冗餘仲裁模塊(2)中，通過撥碼開關位置的不同，設定優先級關係，在初始上電時，優先級最高的為主控冗餘仲裁模塊。
8.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於三個計算機模塊(I)運行相同的控制程序，控制程序在實時作業系統下運行，採用多進進程的方法編程；進程包括控制進程、數據採集進程、心跳信號進程；控制進程實現控制解算、與冗餘仲裁模塊(2)的數據交換和冗餘重構功能；數據採集進程實時接收來自數據採集模塊(6)發送來的三套傳感器的數據；心跳信號進程向冗餘仲裁模塊(2)定時發送包含了計算機自檢信息的心跳信號；三個進程同時運行，保證系統各個功能的實時性。
9.根據權利要求I所述的一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，其特徵在於傳感器組(3)中的傳感器有風傳感器、姿態傳感器、電羅經、差分GPS和水聲定位系統。
全文摘要
一種三冗餘的船舶動力定位控制計算機系統，本發明涉及一種船舶動力定位系統，具體涉及一種冗餘設置的船舶動力定位控制計算機系統。它克服了由一個獨立的仲裁單元對三個計算機的運行情況進行監控和冗餘切換，仲裁單元一旦出現故障就會形成整個船舶動力定位系統故障的缺陷。它包括傳感器組(3)和相同的三個控制子系統，其特徵在於每個控制子系統包括一臺計算機模塊(1)和一個與之相連的冗餘仲裁模塊(2)，三個冗餘仲裁模塊(2)的通信埠之間形成兩兩互聯的結構，傳感器組(3)的數據輸出端分別連接在每個控制子系統的計算機模塊(1)的數據輸入端。
文檔編號G05B15/02GK102929157SQ20121045894
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者趙大威, 丁福光, 林孝工, 陳興華, 王成龍, 劉建旭, 王元慧, 劉向波, 邊信黔 申請人:哈爾濱工程大學