冗余的概念（精选8篇）
冗余的概念 篇1
摘要：总体解析冗余关系概念 (GARRs) 使得基于键合图故障检测和隔离 (FDI) 框架得到发展, 可以对混合动力系统 (包括连续动力学和离散模式) 进行故障诊断。利用这种新开发的方法研究了基于电动液压转向的CyCab移动机器人系统, GARRs可以从一个混合键合图 (HBG) 模型中特殊的因果关系系统地推导出来。应用了诊断和隔离, 并对结果进行了讨论。
关键词：键合图,解析冗余关系,故障诊断,隔离
基于模型的故障检测和隔离 ( fault detection and isolation, FDI) 方法是利用系统动力学模型作为系统正常行为下的一个参考模型, 它的性能取决于模型的质量。键合图 ( bond graph, BG) 对于复杂系统的建模和连续系统的故障检测与隔离是一种有效的工具[1]。BG提供了系统变量之间的因果关系, 并从键合图中系统地得到FDI算法。基于BG建模方法的混合键合图 ( hybrid bond graph, HBG) 为包括有连续的动力学和离散模式的复杂的混合系统的建模提供了一种方法。
基于FDI框架定量混合键合图 ( quantitative hybrid bond graph, QHBG) 已经应用于解决混合动力系统的FDI问题[1—3], 该框架利用HBG统一描述来研究系统的且有效的FDI算法, 是基于一组统一的定量方程相关的所有模式 ( 包括初始和突变参数故障及模式可能出现的故障) 。本文基于总体解析冗余关系 ( general analytical redundancy relations, GARRs) 的FDI框架, 研究了Cy Cab移动机器人电动液压转向系统的故障诊断与隔离 ( FDI) 。
1 QHBG-BASED FDI框架
基于FDI的定量键合图 ( BG) 利用了解析冗余关系 ( analytical redundancy relations, ARRs) 的概念。ARRs表示监控正常的动力学系统, 并构成FDI下的一个残差集合。ARRs用于连续系统或单个模式下的混合动力系统, 其一般形式为
式 ( 1) 中: m为ARRs的个数; P为模型参数的集合;De、Df分别为势和流传感器; u为输入量。
近来, 基于总体解析冗余关系 ( GARRs) 的概念, ARRs已经扩展到了混合动力系统[1—3]。GARRs表示在所有的模式下监控正常的动力学系统的一致关系, 其可以从一个混合键合图 ( HBG) 模型中特殊的因果关系系统地推导出来, 这种HBG被命名为诊断混合键合图 ( diagnostic hybrid bond graph, DHBG) [4]。
HBG建模技术是由Mosterman和Biswas[5]提出的, 并将BG建模框架来扩展到了混合动力系统。它包含了所有标准的BG组件及命名为控制结点的切换元素。单个控制结点有ON和OFF 2 个离散的状态: 当控制结点的状态是ON时, 它的功能相当于一个标准BG结点; 当结点的状态是OFF时, 将使与其相邻键的相同功率变量的值设置为0。
控制结点优先因果关系的目标是对于强键结点使因果关系的变化 ( 由于结点状态变化的结果) 局部化。其他键不受影响并且不需要重新分配因果关系。在所有的模式中, 优先的因果关系可以对控制结点统一描述, 这样模型变量也可以一致描述。结点优先的因果关系是通过由与结点用强健相连的相邻组件定义的。对于FDI, 如果这个元件是以下其中之一, 那么就可以获得控制结点的优先因果关系。
( 1) 是一端口组件 ( 例如R, C, I) 。
( 2) 是一个源 ( 如果源是空当结点是OFF) 。
( 3) 另一个不同的类型控制结点 ( 如果这两个控制结点具有相同的状态) 。
( 4) 是一个具有2 个控制结点的2 端口元件 ( TF, GY) 且两端都具有相同的状态。
这个控制结状态是由一个二进制状态变量ai∈ { 0, 1} 来表示; 当结点是ON时, ai= 1, 当这个结点是OFF时, 状态变量是0。如果HBG有n个独立二进制状态变量ni, 那么混合系统模式定义为
GARR是一个统一的关系, 其一般形式如式 ( 3) 。一些GARRs是根据所有的系统模式和其它可以有效的只有一个子集的模式。
基于GARR的框架混合动力系统的FDI的框架能够跟踪系统模式, 来检测和隔离非一致而引起的系统模式的故障, 有参数故障和模式故障2 种故障类型。对于参数故障, 是一个参数从其标称值偏离到异常值。连续动力学系统在错误的状态下是未知的参数故障, 并且不能把这个错误状态作为一个模式 ( 例如: 石油泄漏和异常的摩擦) , 且假定系统只有一个参数发生故障。对于模式故障, 其定义是如果这个错误的状态可以建模成为一个系统模式, 即所有参数的故障状态是已知的 ( 例如: 烧电机和传动皮带破碎) , 可以通过FDI框架的模式跟踪能力来检测和隔离模式故障。该模式跟踪技术是基于模式变换特征和模式变换特征矩阵; 在此基础上, 框架隔离这些责任不一致的控制结点并生成一个假设模式的集合。在接下来的步骤中, 所有可疑的模式 ( 假设模式) 下的ARRs由GARRs得到并实时评估来识别模式。如果一个新模式不能识别, 那么结论是这种不一致性是由参数故障引起的。一个独立模式下的故障特征矩阵是用于故障的隔离。
2 Cy Cab电动液压转向系统
该Cy Cab机器人是一个四轮驱动的双转向系统小车, 重约350 kg, 最高速度5 m/s。Cy Cab转向系统如图1 所示, 它由运动控制器、油泵、油管、直流电机、液压活塞、齿轮、皮带、车轮等组成。
直流电机通过一个直流电机驱动电路控制。一个减速机 ( 装置) 将电机功率转移到传送带上, 电机速度是利用这个装置输出轴的增量式编码器来衡量。传送带传输电机功率到油泵, 并生成一个油流, 因此, 2 个油管里有压力。油从一个内部油藏注入, 并通过低压管返回到油泵。该泵是一种双向轴向柱塞泵, 油管连接泵液压活塞。液压活塞驱动阿克曼转向机制, 转向角由绝对编码器测量, 2 个压力传感器分别测量汽缸两面的压力。
3 电动液压转向系统的FDI
3. 1 转向系统的DHBG
直流电机和电机驱动的诊断混合键合图 ( DHBG) 如图2 所示。[键合图模型中, 键的箭头指向是根据实际物理模型逐一画出来的, 其因果关系根据键合图中各元素的因果关系规则确定。本文对图2 ~ 图5 中所有键进行了编号, 不同键上的变量用相应键的编号作为下标进行区分。例如: 编号为12 的键上的势变量和流变量可分别表示为e12、f12, 其他键上的势变量和流变量意义与此类同; 公式 ( 8) 后各变量的意义也与此相同。]
输入电压uin控制转向系统, 电机的电流与电压uin及电机生成的转矩正比。图2 中: k1为电压与电流的比率; k2为电流与转矩的比率; R1为电阻; j1为电机惯性系数, 电机电感是可忽略的。电动机的机械摩擦由黏性摩擦R2V和库仑摩擦R2C2 个参数来模拟。在本研究中, 由于机械摩擦, 势和流之间的关系为
如图2, 状态变量a1表示电机烧毁或电机驱动烧毁故障。在这种故障下, a1= 0 并且通过电机的电流也是零[6,7]。
齿轮和皮带的诊断混合键合图 ( DHBG) 如图3所示。
齿轮比率为k3, 传送带比率为k4。一个传感器 (增量编码器) 测量齿轮输出轴的速度。状态变量a2用于传送带破碎故障建模。错误的状态由a2=0表示, 它断开泵 (负载) 电动机 (注意如果转矩不是送到泵, 那么泵的速度为零) 的连接。
液压部分包括油泵、油管和活塞, 其诊断混合键合图 (DHBG) 如图4所示。泵转子是通过机械摩擦{R2V, R3C}和惯性J2来建模。经过泵 (管) 的石油流速正比于泵的角速度, 比率是K5。2个石油管道与油泵连接, 这些油管是由2个0结点建模 (假定的油管是无压降的) 。该泵是双向并安装了2个释放内部压力的阀门。由于这些不影响本文的研究结果, 不需要对其建模。
石油的压缩性和管道的弹性由2个存储元件C1和C2来模拟。液压活塞通过2个变压器A1和A2来建模, 这表示活塞从它的两边有2个有效截面区域。活塞内部石油流泄漏的阻力是由R6建模。通过阀或泄漏li (.) 来描述压差 (e) 和石油流 (f) 之间的关系, 即
当系统正常时, R6→";在内部泄漏的情况下, R6是未知的且R6"。压力传感器p1和p2安装在汽缸的两边。状态变量a5表示混合动力系统中活塞的性质。活塞运动受汽缸两端的限制。在两端的限制下, a5=1且活塞运动只能滑向2个方向。当活塞的位置在其中一端, 活塞只能沿1个方向运动。状态变量a5是模式自由变换, 它的值由以下关系确定, 即
式 (6) 中:x是活塞的位置 (当转向角是零时, x=0) ;{xmin, xmax}是汽缸两端;{p38, p40}是油压对活塞两边的作用力。
转向装置和轮子的DHBG如图5 所示。基于阿克曼的几何学转向装置如图6 所示。该装置的作用是改变2 个转向轮的转向角 ( 因此轮胎打滑最小) 。
为了容易建模, 在2 个转向轮的中点用1 个虚拟的轮子代替2 个实物轮子。虚拟轮的转向角为γ , 如图6。转向角由位于D点的绝对编码器 ( 如图5) 测量。编码器测量的角度为 θ2。汽缸固定在移动机器人结构的G点, 活塞的位置由x表示。J3是虚拟转向轮的的惯性系数, { R7V, R7C} 分别是在车轮和道路的摩擦因数。
非线性函数F1 ( θ2) 和F2 ( θ2) 与转向装置速度变量有关, 如式 ( 4) 。由于空间不足, 没有给出详细的f1 (·) 和f2 (·) 。
3. 2 建立GARRs
在Cy Cab电动液压转向系统的诊断混合键合图 ( DHBG) 中, 所有的控制结点和存储元件都分配了FDI的优先因果关系。不需要重新分配模式变换后因果关系, 一致的FDI关系称为GARRs, 推导过程如下。
独立GARRs的最大数量等于传感器的数量, 这些传感器在DHBG分配了由每个传感器结点用于得到GARR的关系构成反向因果关系。利用DHBG的因果路径求出结点方程的所有未知变量, 就可以得到该结点的一个GARR。
第1 个GARR由传感器结点 θ.1的基本关系可得
利用DHBG因果路径求出未知变量, 即
得到GARR1为
利用传感器结点p1得到GARR2。结点的基本关系式为
利用DHBG因果路径, 求出未知变量, 即
得到GARR2为
同理, 可得到传感器结点p2的GARR3为
利用传感器结点的基本关系得到最后一个GARR ( 即, GARR4) , GARR4只有在模式a5= 1 时有效。
求出未知变量, 即
得到GARR为
根据以下假设对GARR进行简化:活塞不能任意两侧地最大限制 ( t , a5= 1 ) ; 石油压缩性可以忽略不计, 且已知A1= A2= A。利用这些假设可知GARR2和GARR3是相同的, 记为GARR2, 3, 即
3. 3 FDI的方法
电动液压转向系统的FDI过程是基于GARR1、GARR2, 3和GARR4这3 个GARRs。模式是由状态变量a1和a2决定, 并且只有3 种模式: 正常工作, [a2a1]=[1 1]; 电机燃烧或电机驱动电路燃烧, [a2a1]=[1 0]; 传送带破碎, [a2a1]=[0 1]。
电机驱动电路利用转向系统控制信号uin生成与之成比例的电机线圈电流。在转向系统组件中摩擦力相对较高, 如果uin小于给定的一个阈值umin, 那么在可靠的FDI下转向速度太低。转向系统的FDI是可以实现的, 只要uin> umin。本文的轮子模型不包括静态摩擦因数, 如果转向速度为零, 将是主导因素 ( 例如: 当开始转向运动时需要很高液压力) 。因此, GARR4只有在的时候有效。为了消除GARRs在实际使用中的误导信息, 3 个GARRs重新写作如下形式, 即
在这种情况下, 假设只有1 个故障发生, 这个故障可以是参数故障或者是模式故障。模式[a2a1]=[1 1]代表正常状态, 且只可能发生参数故障。在此模式下, 只有转向系统的独立模式下的故障特征矩阵 ( MD-FSM) 需要参数故障隔离。这个矩阵如表1所示。
活塞内部泄漏由流动阻力R6表示。如果系统是正常的, 那么R6→ ", 而在故障情况下, R6的值是未知的。轮胎漏气故障由摩擦因数{ R7V, R7C} 表示。如果轮胎漏气, 摩擦力将高于正常情况下的摩擦力。3 个传感器故障表示为:。如果其中1 个压力传感器发生故障, 那么只有 ( p2-p1) 作为故障参数才可以被隔离。重要的一点是: 尽管参数 ( p2- p1) 在所有的GARRs中都有, 但不是所有的GARRs对此故障敏感。当R6是正常的, 那么R6→∞且GARR2 , 3对故障参数 ( p2- p1) 敏感。利用单故障假设, 如果参数 ( p2- p1) 是错误的, 则R6绝对正常, 故障敏感的压力传感器只有GARR1和GARR4 ( 如表2 所示) 。模式跟踪过程是基于模式变换的特征值, 模式变换的特征矩阵如表2 所示。
由表2 可以看出: 所有的模式变换是可检测和可隔离的。在转向系统中, 已知的最初模式[a2a1]=[1 1]有3 个GARRs, 只要未检测到GARRs不一致, 则系统正常; 若检测到GARRs不一致, 则检测到的特征值 ( 也称为相干向量) 可用于隔离模式变换或参数故障[6—9]。如果特征值是[0 0 1]或[0 1 1], 则模式变换从表2 中假设并且触发模式识别过程。在模式识别的过程中, 可疑模式下的ARRs可以由GARRs得到并实时评估。
表1 中MD-MSF和检测到的故障特征值可用于参数故障的隔离。如果检测到的特征值在MCSM中不存在, 那么这种不一致是参数故障引起的, 然后跳过模式变换隔离过程。另外, 如果特征值[0 0 1]在表2 中 ( MCSM) 不存在, 那么也不需要模式识别过程, 即使这个特征值是可检测的 ( 显然不一致是由烧毁电机或烧毁电机驱动电路引起的) 。当功率没有传输到轮子时, 变量c2用于消除由GARR4得到的误导信息, 并确定是由模式故障引起的。
4 试验结果
为了测试Cy Cab转向系统的FDI框架, 在所有得到的结果中, 将信号作为一个开环控制。
本文模拟了3 种不同情况下的故障。
4. 1 压力传感器p1故障
由于在传感器的电路中, 传感器的输出是5 V ( 对于一个正常的传感器相当于25 bar) , 故障发生在t= 30 s时。图7 为压力传感器p1故障的3 个GARRs ( 绝对值) , 可以看出: 故障特征值是[1 0 1] ( 阈值用阴影区表示) 。 结合表1, 隔离参数故障 ( p2-p1) 。
4. 2 活塞内部泄漏参数故障
该故障用1 个已经安装在液压系统的专用阀来模拟: 在t=30 s时, 阀门开放一点, 活塞依然工作, 但其效率降低[6—9]。图8 为活塞内部泄漏参数故障3 个GARRs, 其故障特征值为[0 1 0 ], 由表1 可知参数故障R6是可隔离的。
4. 3 电机驱动电路燃烧模式故障
在t=30 s, 驱动电路不能工作, 并且电动机电流为0 ( 尽管uin≠ 0, 如式 ( 20) ) 。3 个GARRs如图9 所示, 故障特征值为[0 0 1 ]。这个特征值是表2中独有的, 表现在a1不一致性。基于模式变换特征值, 烧驱动 ( 或烧电机) 是可隔离的。
5 结语
应用混合动力系统新的故障诊断框架方法详细研究了Cy Cab移动机器人电动液压转向系统, 并根据案例研究了复杂的混合动力系统混合在1 个框架的模式故障、传感器故障和参数故障诊断, 论证了3种不同情况下的故障。试验结果表明该方法是有效的。
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冗余的概念 篇2
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冗余的概念 篇3
Ethernet Powerlink (以下简称EPL) 是一种高实时性的工业以太网现场总线协议。它基于标准以太网硬件, 定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议, 是一个易于实现、高性能、不被任何人垄断、真正的互连互通的平台[1]。
相对于其他已经很成熟的总线协议来说, EPL是一项“年轻”、高性能的网络协议方案, 现代工厂对效率和自动化程度的要求越来越高, 工厂仅能容忍自动化系统短时 的失效[2~3]。一个可靠的冗余方案是提升网络可用性的有效手段之一, EPL基于标准以太网硬件, 因此EPL可采用标准以太网冗余技术:双环网、环网、多主冗余等[4]。但是 , 它们的可 靠性并不 高 ,比如说, 当传统双网出现故障时选择器根据网络状态来切换网络, 这必然就会有选择和切换时间, 可能造成系 统延迟 ,甚至于可能丢帧, 大大降低网络传输的可靠性[5]。
基于以上讨论, 主要研究基于并行冗余协议 (PRP) 在EPL中实现冗余功能的方案 , 特点是同时运行两个互不干扰的网络, 无需网络切换, 实现无扰通信, 提升EPL网络的可用性; 另外, 它可支持任意的拓扑结构, 树形、星形等。
2 并行冗余协议原理
并行冗余协议将连接网络的节点分为两大类: 双连节点DAN ( Double Attached Nodes) 和单连节 点SAN ( Single Attached Nodes); 此外 , 若SAN要连接到双网则可以通过冗余盒子Red Box (Redundancy Box)。
PRP协议是通过DAN节点实现的 , 在数据链路层实现了一个链路冗余实体 (Link Redundancy Entity, LRE), 上层应用与网络接口通过LRE连接[6], 如图1所示。
EPL是一种建立在标准802.3MAC层之上的协议 , 为了独立于下层 协议从而 定义了自 己的报文 格式 , 并将之封 装在EthernetⅡ帧中来进行传输。EPL基本帧包含5个字段 , 并定义了5种帧, 分别是周期起始帧So C、轮询请求帧PReq、轮询响应帧PRes, 具体的帧格式如图2所示。
为了有效识别节点冗余信息, 每个发送的数据帧会被添加冗余控制尾 (Redundancy Control Trailer, RCT): 16位的序列号、4位的网络标识符、12位的帧长度。以太网帧也包含5个字段, 帧长度范围是64~1518字节, 除去EPL帧头和RCT后还有39~1493字节, 有足够空间用来存放数据, 所以这种方式既有助于冗余功能的实现又能够很好地兼容EPL各种帧。经过LRE处理过后的帧格式如图3所示[7]。
3 冗余实现方案
在纷繁的总线协议中, EPL将是实时以太网的未来, 在Windows系统平台下 , 基于PRP来研究EPL冗余实现 方法 ,开发环境是Visual Studio。
本方案是在数据链路层实现了LRE, 具体的功能设计与实现方案如下:
(1) 发送帧
当要发送帧时, LRE将上层传下来的帧进行复制并填充,经A网发送的帧RCT的LAN=1010, 经B网发送的帧RCT的LAN=1011, RCT的其余部分相同 , 经由2个端口发出。
(2) 接收帧
假定帧序列是连续的, 且收到的帧号是增加的, LRE会把收到的帧序列号提出来存在变量里, 并根据序列号及网络标识符分别维持一个独立窗口, 窗口的下边沿是起始序列号s(start Seq), 是检测帧是否重复的序列片段的开始序数 , 上边沿是期望序列号e (expectedSeq), 当前序列号是c (currentSeq)。
如图4所示, 假设某节点接收到来自某一个网的帧, 则系统会根据该帧的网络标识符去判断该网的窗口状态, 若该网的窗口是非空的, 则该帧被保留, 若该网窗口是零, 则判断c是否落在另一个网的窗口内, 落在窗口内说明该节点已收到过该帧了, 丢弃该帧, 否则保留该帧并转发给上层[8]。丢包算法流程图如图5所示。
(3) 网络状态诊断
LRE还可以检查每个网络数据的接收情况 , 出现线路故障时会将错误信息通知应用程序, 以帮助用户维护网络。对于从站节点, 该信息包含在Poll Response, Status Response, Ident Response这3种数据桢里 ; 对于主站节点 , 将该信息包含在Poll Reques数据桢里发给相应的从站[9]。网络信息标志位在数据帧中的位置如表1所示。
其中, 数据帧第5个字节的第6个和第7个比特位分别代表了两网的状态, 0代表该网连接良好, 1代表该网络故障。
LRE检查网络状态的方法如下 : (1) 假设某个选择器有两个网口, 分别称为A网和B网。对于B网来说, 若cB=eA一直成立则说明数据接收一直都是连续的, 没有问题; 若一旦出现cB! =eA则说明在当下时刻有出现丢帧情况, 由此我们对B网建立一个间隙窗口gap_window=cB-eA。 (2) 若gap_window=0则说明数据传输良好 , 网络运行正常 ; 若gap_window! =0则说明出现丢帧 , 将eA~cB-1之间的帧 号存到gap_trace里面, 之后每接收到一帧将该帧号与gap_trace相比较, 若有相同则将该帧号擦除。对于A网也建立间隙窗口和间隙检测变量来检测A网的运行状态。 (3) 若gap_trace里擦除帧号不连续或出现跳跃, 则说明该网出现故障, 并将故障信息上报给与其相连的EPL节点。
4 结语
本方案使得网络出现故障时系统可以及时检测到并上报该故障信息, 此外两个网络的并行传输保证了通信的不延迟、不丢帧, 实现了无扰通信。这种方式实现了Ethernet Powerlink网络的无 扰通信 , 增强了Ethernet Powerlink网络的可 靠性 ,满足了应用的要求。
摘要：基于并行冗余协议(PRP)完成了Ethernet Powerlink冗余的实现方案研究。方案针对EPL网络冗余通信的延迟和通信干扰问题设计了一个可行的冗余方案,建立了两个同时运行的网络,互不干扰地传输,在数据链路层建立冗余实体(LRE)来实施收发管理和网络监视。
冗余并联机构的精度分析 篇4
1 非冗余并联机构的精度分析
当B的行列式为0时, 第一类奇异性触发, 此时的末端执行器位于工作空间的边界, 无需考虑精度问题。当A的行列式和B的行列式都为0时, 机构不再运动, 也无需考虑精度问题[3]。当A的行列式为0时, 第二类奇异性触发, 需要考虑此时的位形对精度的影响。
当奇异点为第二类时, 行列式为0, sAm=0。越接近第二类奇异点, Am就会变得越小, 很小的驱动误差就会引起很大的末端执行器误差。所以, 在第二类奇异点附近, 并联机构的精度会很低[4]。
2 冗余并联机构的精度分析
3 结语
对于非冗余并联机构, 误差最大值在第二类奇异曲线上。在除去奇异曲线的其他区域内, 越靠近奇异位形, 机构的误差也就越大。
对于冗余并联机构, 误差最小的地方在工作空间的中心, 越接近工作边界误差越大。
摘要：精度和误差是并联机构的重要评价指标, 在实际工程中, 对并联机构都有很高的精度和误差的要求。在理论上, 并联机构应该比串联机构的精度更高, 但由于并联机构具有奇异位形, 因此并联机构的精度甚至还没有串联机构高。该文求出了2自由度非冗余并联机构和冗余并联机构的精度和误差表达式, 分析了一类奇异点和二类奇异点在精度方面的差别。同时指出, 要想部分甚至于完全消除机构的奇异位形, 引入驱动冗余这一概念是个非常好的方法。
关键词：精度,奇异位形,驱动冗余
参考文献
[1]Yuefa Fang, Lung-Wen Tsai.Structure Snythesis of a Class of 4-DOF and 5-DOF parallel Manipulator with Identical Limb Sturctures[J].The International Journal of Robitcis Research, Vol.21 No.9, September 2014, pp 799-810.
[2]Xianwen Kong, Clement M.Gosselin.Type Synthesis of 3T1R 4-DOF Parallel Manipulators Based on Screw Theory[J].IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, VOL.20, NO.2, APRIL 2004.
[3]杨廷力.机器人机构拓扑机构学[M].北京:机械工业出版社, 2004.
冗余系统远程异地切换的探索 篇5
关键词：冗余,远程,控制系统
1 概述
冗余控制系统,做为近年来比较可靠的技术广泛应用于大量系统中,为保障生产的连续及可靠运行起到了极为重要的作用。在我们所接触和应用的系统当中,绝大部分冗余系统的冗余主要体现在了控制器、网络、电源等方面,尤其是控制器的冗余,是冗余系统的核心。因此如何做好冗余,并保证系统的稳定性、可靠性,一直是生产厂家与最终用户极为关心的课题。尤其是故障下对冗余系统的处理及应急策略,做为使用与维护人员,我们对现场运行的冗余系统的稳定与可靠性做了大量研究,以ABB的冗余系统为基础,初步应用远程异地切换的方式,实施系统核心软硬件的切换与故障处理,并初见成效。本文就是针对这项应用,以ABB的AC800F系统为例,介绍一下开发与应用体会。
2 现有冗余系统的一般组成
在现有使用的系统中,以ABB公司的AC800F为例,所涉及到的冗余包括控制器、电源、以太网,Profibus网络,所有的设备均安装在本地,并集中安装在一台DCS柜当中。网络简图如图1所示。
3 存在的缺点
本地冗余控制系统的使用,在莱钢是始于2003年,主要的应用基本上是在高炉鼓风机的控制,冗余系统的应用,为生产的稳定、连续运行提供了坚实的技术与设备保障,尤其是在故障下实现自动切换,避免了风机放风和非计划停机的频率,整体故障率有所降低。但是,我们在使用过程中也发现了一些技术上的难题。比如,正常生产过程中,如果一台控制器或一路网络出现故障,系统完成自动无扰切换以后,仍然能保证系统的运行,对于用户来说,整个系统是没有故障的,但对自动化专业来说,形势就已经非常严峻,如果正在运行的控制器或网络再出现故障,将直接导致控制系统失去对现场的控制,最终将导致停产,因此,在冗余设备或网络出现故障并成功切换后,必须尽快查明原因,分析危害程度,并寻找机会在最短的时间内处理完毕。但在生产过程中,故障的检查、确认、处理一般情况下是非常困难甚至根本不能进行的,否则还会导致故障扩大化,甚至会带来更大的事故,得不偿失。退一步讲,即使公司给出检修时间,由于很难判断故障原因,在本系统中根本没有参照设备或系统,处理的时间不允许太长。因此,必须找出一种更便捷的方法,甚至在无法处理的情况下,尤其是控制器出现故障,能有一套备用的冗余控制器就可以应急,保证生产运行。正是出于此种考虑,远程冗余系统的切换才纳入开发序列。
4 远程冗余异地切换的组成及网络结构
远程冗余异地切换是建立在网络协议与传输媒体二次转换的基础上的一种探索,由于生产要求与技术上的限制,所开发的系统暂时只能在离线情况下实现切换。系统的组成包括两套冗余系统,四个冗余的控制器、电源、以太网卡以及Profibus网卡,而且每一种类型的卡件是完全相同的设备。两套光纤传输媒体、四个网络协议转换器及其它附件。其中网络协议转换器的作用完成Profibus协议与以太网协议之间协议转换的编码与解码,实现远程数据的传输,保证网络与数据的畅通。在这个系统中,I/O模块是同一套,安装于生产现场,与本地控制器在同一个机柜当中,而实际运行过程中,控制站分别在不同的时间受不同的控制器控制,新的系统网络简图如图2
数据的传输过程是这样的。异地运行时,首先运行数据从控制器以太网卡传输到工程师站和操作员站,通过PROFIBUS网卡传到从站,网卡通过连接器,分不同的网络,将相同的数据传输到从站主模块,从站主模块再传输到各个I/O模块,反之亦然,冗余数据也是通过另外一组以太网卡传输到热备的控制器当中。当远程运行时,远程冗余系统的数据首先传输到PROFIBUS网卡,再通过网卡传输到连接器,通过连接器再到协议转换器,由PROFIBUS协议转换为以太网协议,通过光纤传输到解码器,由以太网协议转换为PROFIBUS协议,由解码器传到从站主模块,再传送到相应的I/O模块。
5 实现的功能
新的系统可以实现远程切换、快速诊断与处理等功能.必要时可以做为一种很好的培训平台使用。具体如下。
5.1 实现远程切换功能
当原冗余系统出现故障时,即两个控制器在实现内部切换的情况下仍然不能保证运行时,可以迅速切换到远程的冗余系统当中,由于远程异地的冗余系统与现场正在运行的系统所有配置、程序、卡件完全相同,相当于整个系统中的核心控制实现了转移,实施异地控制,因此对于底层的模件与网络不会造成任何技术上的影响,完全可以保证系统的正常运行。但这种方式受技术与操作的限制,只能是极为短暂的运行或者是做为应急处理办法,
5.2 实现诊断与处理功能
由于原冗余系统只有一对控制器,存在于一个单独的冗余系统当中,当冗余出现问题时,如互相切换不成功,两台控制器中止工作、冗余网络故障等,绝大部分故障在短时间内是无法得到解决的,同时,由于生产与检修时间的严格限制,又必须立即处理,这种情况下,远程冗余系统可以做为一个参照系统,被引入到故障分析当中,做为一个有效的测试工具,对故障系统进行全方位分析,分析的内容包括了程序运行情况、以太网负载情况、冗余网络负载情况、控制器内存占用比等参数,可以有效的查找故障原因,及时恢复系统运行。
5.3 实现有效的培训
由于远程控制器直接与现场的设备相连,在培训过程中,可以利用设备停机状态时做一些很有针对性的实验,比如停机、开机、操作模拟,工艺模拟等试验,相对于比较单纯的课堂培训和理论上模拟更为实际、有效一些,对培训职工的操作能力有很大的帮助,培训的效果和效率上大为改观。
6 效果及需要解决的问题
冗余的概念 篇6
西门子S7-400H冗余PLC系统主要采用热备硬冗余的方式实现“主/从PLC”系统故障时的无扰动切换,但实际应用中常出现冗余故障影响上位机通信的情况,同时故障模板的报警指示纷繁复杂,加大了故障排查难度。本文通过介绍一起典型的S7-400H冗余PLC系统冗余故障的现象及处理过程,探讨S7-400H冗余PLC系统冗余故障处理方案。
1 故障现象
某S7-400H冗余PLC系统报故障,“主/从PLC”系统硬件模板上多个指示灯报警闪烁,上位机上的反馈信号显示冗余PLC系统出现异常。S7-400H冗余PLC系统CPU各指示灯含义如下。
INTF:红色,内部故障,例如用户程序运行超时,用户程序错误。
EXTF:红色,外部故障,例如电源故障,I/O模块故障。
FRCE:黄色,至少有一个I/O被强制时点亮。
RUN:绿色,运行模式。
STOP:黄色,停止模式。
BUS1F:红色,MPI/Profibus-DP接口1的总线故障。
BUS2F:红色,MPI/Profibus-DP接口2的总线故障。
MSTR:黄色,CPU运行。此CPU为主CPU0。
REDF:红色,冗余错误。
RACK0:黄色,CPU在机架0中。
RACK1:黄色,CPU在机架1中。
IFM1F:红色,接口子模块1故障。
IFM2F:红色,接口子模块2故障。
“主/从PLC”系统的主要硬件模板指示灯情况如下。
(1)主(主控)CPU0:RUN绿灯常亮,REDF红灯常亮,MSTR和RACK0黄灯常亮,IFM1F和IFM2F红灯常亮;电源模板和CP443-1以太网模板指示正常,数据收发指示灯正常闪烁。
(2)从(热备)CPU1:CPU面板所有有效指示灯以2Hz频率闪亮;CP443-1以太网模板指示正常,RUN绿灯常亮,STOP灯没亮,数据发送指示灯没亮,接收数据指示灯间隔很长一段时间闪烁1次,反映出收发数据不正常。
(3) ET200M扩展机架的某些IM153-2总线接口模块报BF和SF故障并亮红灯。
针对以上情况,先以文本格式导出PLC故障“诊断记录”,然后对离线程序作在线比较,在确认程序完全匹配后对程序和画面作备份,并在确认风机未投运后尝试恢复。为了便于分析与表达,暂且约定RACK0机架上的CPU为“主CPU0”,RACK1机架上的CPU为“从CPU1”,与实际CPU模板硬件选择开关拨定方向一致。PLC冗余系统的网络拓扑结构简图如图1所示。
2 故障处理过程
2.1 常规重启“从CPU1”
重启故障表现明显的“从PLC”系统(位于RACK1机架),先将CPU1模块启停选择开关拨到STOP,然后再拨到RUN,热启CPU1,但未启动成功,RUN灯持续闪烁,其它指示灯快速闪烁。
2.2 常规冷、热启动“主/从CPU”
停用“从CPU1”,关闭“从PLC”系统电源,保持“主PLC”系统不变,冷启动“从PLC”系统,但“从CPU1”仍未启动成功,故障指示依旧,另外“从PLC”系统的CP443-1以太网模板STOP黄灯亮,再无法启动到RUN状态。
停用“主/从PLC”系统电源模板,启动“主PLC”系统,成功;启动“从PLC”系统,CPU1和“从CP443-1以太网模板”均启动失败。采用Step 7软件暖启动“从CP443-1以太网模板”和“从CPU1”,仍无效,提示“当前模式下不允许进行此项操作”。进行反向操作,启动RACK1上的CPU1,仍无法启动,CPU1的REDF、EXTF、BF故障指示灯均亮,初步判断RACK1上的“从PLC”系统有来自Profibus-DP总线上的外部故障。但是,由于CPU上所有指示灯均闪烁,因此又推断CPU1本身可能存在故障,于是先将故障处理的焦点放在“从CPU1”和“从CP443-1以太网模板”。
在导出的“故障诊断”文件中有多行如下类似记录:
Event 109 of 120:Event ID 16#73A3
DP:loss of redundancy at DP slave
Address of the affected DP slave:station number:16
DP-master system ID:2
Log.base address of the DP slave:Input address:8175
Log.base address of the DP master:8181
Requested OB:I/O redundancy error OB (OB70)
2.3 重新下装程序
S7-400H冗余PLC系统一般由两组冗余CPU通过光纤通信交换数据实现硬件热冗余功能。冗余原理是:主CPU故障后,备份CPU与主CPU的同步连接自动建立,备份CPU发出Link-up请求,主站在关闭删除、拷贝和建功能块功能后将所有数据发送给备份CPU;备份CPU执行自测后,向主站发出更新请求;主站在终止已组态连接的通信和禁止低级别的报警后,将动态数据拷贝给备份CPU;主站运行用户程序,在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据;备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息,主CPU使能报警、中断和通信,主、备CPU进入冗余、同步操作过程。S7-400H冗余PLC系统冗余实现过程如图2所示。
重启CPU无效后,尝试通过重新下装程序到PLC来解决。清空存储器,重新下装备份程序,发现直接DOWN程序至“从PLC(CPU1)”找不到目标模板,采用改IP或屏蔽IP直接用MAC物理地址也未能找到(西门子PLC以太网通信有两条通道:一是采用ISO协议,通过MAC物理地址;二是采用TCP/IP协议,通过IP逻辑地址),但可直接DOWN程序到RACKO上的“主CPUO”。于是先启动“主PLC”系统,再利用两对冗余光纤以硬件冗余到热备CPU1的方式传送数据,但一直报REDF冗余故障和BF总线故障。为解决总线及CPU可能存在的故障,考虑通过检查和更换硬件模块来进一步排查。
2.4 更换CPU模板、检查DP总线接头和下装程序
鉴于CPU存储器没有完全清零会影响程序和组态的下装,在下装程序和组态前对冗余CPU中的存储器数据进行清零。S7-400 CPU的存储区划分为系统存储器、工作存储器和装载存储器。扩展装载存储器空间使用S7-400的MMC卡,扩展空间的地址与系统原有的空间地址在分配逻辑上是连续的。在清空CPU中所有存储空间数据的过程中,涉及到CPU的存储器复位及MMC卡数据清零。
2.4.1 CPU存储器复位
(1)设置模式选择器至STOP位置,直到STOP指示灯亮。
(2)设置模式选择器至MRES位置并保持,直到STOP指示灯熄灭1s亮1s,然后保持点亮状态。
(3)将模式选择器置于STOP位置,然后在3s内拨至MRES,再拨回STOP位置,STOP指示灯以2Hz的频率至少闪3s,执行存储器复位,然后持续点亮。
2.4.2 MMC卡数据清零
用MRES模式开关进行复位,不能删除MMC中的数据,只能删除工作存储器中的内容。下面介绍可以删除MMC中数据的方法,本次故障处理中采用第3种方法。
(1)使用Step 7中的“VIEW>ONLINE”菜单命令,在线打开Blocks,选中要删除的块,用Delete键删除。
(2)用“PLC>Download User Program to Memory card”下载一个空的程序。
(3)关闭CPU电源,取下后备电池,拔出MMC卡后等待两三分钟再插上MMC卡和后备电池。
2.4.3 正确的Step 7程序下装方法
(1)点击SIMATIC MANAGER→OPTION→SET PG/PC,选择相应的通信接口。
(2)在SIMATIC MANAGER→PLC下选择“Download”将用户程序装入CPUO。在同步连接建立后,CPU0中的用户程序通过同步光纤自动传送到热备CPU1。
(3)将模式选择器开关拨到RUN或RUN-P位置启动S7-400H。先启动CPU0,再启动CPU1。CPU0作为主CPU启动,CPU1作为热备CPU启动。在热备CPU建立同步连接并更新缓存区数据后,S7-400H转换到冗余工作方式并执行用户程序。
(4)程序下装完成。若程序改动较多无法下装(提示工作存储器空间不够等),则在下装前后可对CPU模板的存储器进行“编译压缩”后再操作(通过硬件组态中的CPU“模板信息”来编译压缩)。
2.4.4 存储器数据MRES清零、更换CPU及下装组态和程序
更换CPU前,先对原CPUO、CPU1进行存储器数据MRES清零操作。清零结束后,关闭CPU模板电源、电源模板电源,拔出CPUO、CPU1上的MMC卡,并取出两CPU的后备电池。
MRES清零结束后,更换CPU1模板。用版本号为V4.5.5的CPU固件替换原版本号为V4.5.3的CPU1固件后,在两CPU插槽不插入MMC卡的情况下,只下装硬件组态到“主/从PLC”系统,顺序为先RACK0后RACK1,CPU1和CPU0均下装成功。然后将硬件组态和程序一起按主从顺利下装,也成功完成。在下装程序和组态的过程中,需同时勾选上以太网模板的MAC和IP地址类型。单独下装程序和组态到RACK1上的CPU1,也顺利完成,彻底解决了程序不能下装到CPU1的问题。这说明程序清空不彻底可使上位机与CPU的以太网通信无法建立,造成硬件组态或程序下装失败。现在,CPU1指示灯已停止闪烁,表明系统已基本正常。
此时CPU的“BF总线故障”、“EXTF外部故障”和“REDF冗余故障”红灯常亮。其最主要问题是,在“主CPU0”已先成功启动运行后,“从CPU1”无法启动,其RUN绿灯闪烁几秒熄灭后,STOP黄灯点亮,通过上位机程序热启和直接手动拨动切换开关启动CPU1均未成功,只能保持“主CPU0”处于RUN运行状态,而“从CPU1”处于STOP停止状态。
2.4.5 检查扩展机架的总线DP接头
为了解决“从CPU1”无法启动成功的问题,根据“故障诊断记录”和以往的安装调试经验,检查了扩展机架A3和A4的DP接头是否线芯松脱,同时也不排除IM153-2接口模板有问题。拆开第2个扩展机架(DP Address Number:32)、第3个扩展机架(DP Address Number:16)的DP接头(注意是BF2总线上的DP接头,故障诊断记录中亦有提示),反复多次拔插压紧,BF总线故障、外部故障EXTF消除,还余下REDF冗余故障。
值得注意的是,一套S7-400H的冗余系统,其ET200M从站的有源底板型号必须一致,否则也会产生类似的总线故障和外部故障。
2.5 冗余故障REDF的处理
经过试验发现,只可能“主CPUO”启动成功并运行,而“从CPU1”无法启动到RUN状态。通过程序组态在线监控模板信息也发现,此时的“主/从CPU”一个是RUN状态,一个是STOP状态,两块CPU虽然是“主/从关系”,但当前模式显示的是SOLO MODE模式(即单机模式),而非Redundant冗余模式。在此模式下,在上位机上进行启泵操作试验,画面通信仍不正常,反馈信号时断时续。
最后,通过查询资料获知,在S7-400H冗余PLC系统中,“两块CPU”的硬件版本完全一致才能形成冗余关系。又换上最初用的CPU,重新清空程序后再下装程序,S7-400H冗余PLC系统恢复正常,REDF冗余故障消失。CPU0和CPU1及以太网模板均能正常启动运行。
3 故障原因总结
最初是ET200M从站接口模板IM153-2上的DP接头线芯松脱造成总线故障,主要发生在“从PLC”的系统总线BF2上,因此“从PLC”系统的CPU1报BF总线故障;又由于CPU找不到DP挂接的从站,因此CPU报EXTF外部故障。在恢复过程中,人为造成“两块CPU”版本不一致,冗余故障再次出现。前后两次故障的根本原因不同,但叠加在同一表象上,使得故障查找更加困难。
虽然CPU报EXTF和DP总线故障,但是CPU仍处于RUN状态,其原因是程序组态中加入了冗余相关的OB块,如OB70、OB72、OB73、OB80～OB86等。
S7-400H冗余PLC系统数据同步检测程序组态设置的时间为90min,即每90min检测1次主从CPU中的程序和配置是否一致,但是“从PLC”系统存在总线故障,因此PLC不断尝试启停RACK0和RACK1上的CPU来进行主/从切换。由于故障一直存在,因此“从PLC”系统的CPU1的RUN灯一直闪,STOP灯一直亮。故障持续时间达到某个限度后,“从CPU”系统会使所有指示灯均闪烁。虽然MMC存储卡损坏时也出现所有指示灯全闪,但经检验MMC卡并未损坏。
通过诊断记录也可看出S7-400H冗余PLC系统发生故障时自动切换的过程(“日期时间1”先发生):
4 排查S7-400H冗余PLC系统故障注意事项
排查S7-400H冗余PLC系统故障时,需要注意以下几点。
(1)S7-400H冗余PLC系统的冗余CPU的固件版本号必须一致,否者需通过降级和升级的方式来处理。
(2)紧固DP接头线芯时,螺钉紧固式优于卡压式。
(3)中心机架(RACK0和RACK1,是同一机架的主从部分)的CPU存储器最好都下载硬件组态。
(4)S7-400H的两块MMC卡(扩展CPU装载存储器容量)容量必须一致。
(5)S7-400H冗余PLC系统的ET200M分布式扩展机架中的有源底板型号应一致。
(6)故障处理应以“故障诊断记录”提示为参照,从易到难排查故障。
(7)新型S7-400 PLC的以太网模板可只填写MAC,利用网线就可以下装程序到CPU存储器。
(8)如果REDF冗余故障和EXTF外部故障无法消除,且无法启动CPU到RUN状态,那么CPU可能存在强制的I/O硬件点(“FRCE”黄灯亮)。通过S7软件取消CPU0和CPU1中的强制点后重启CPU即可消除故障。
(9)IFM1F或IFM2F红灯亮时,可尝试对调CPU0和CPU1的FM1或FM2来判断是否为同步子模块问题。但是IFM1F或IFM2F红灯亮不能代表FM子模块有故障,如本次故障。
(10)鉴于S7-400H冗余PLC系统维护经验的缺乏,建议加强点巡检,以便及时发现问题,同时,操作人员应及时通报设备故障及报警信息。
5 结束语
云存储中副本冗余技术的研究 篇7
云存储是云计算的热点之一, 是指通过集群技术、网格计算和分布式文件系统等技术, 将海量的存储设备通过应用软件构建存储资源池, 共同对外提供数据存储和管理的一个系统。云存储为云计算提供了海量存储的基础, 当云计算系统运算和处理的核心是大量数据的存储和管理时, 云计算系统中就需要配置大量的存储设备, 那么云计算系统就转变成为一个云存储系统, 所以云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。
2 云存储的发展
随着全球信息总量的爆发式增长, 以及物联网的发展, 对大规模海量数据的存储要求也越来越高, 传统的数据存储方式已经日益不能满足需求, 伴随着智能手机、Pad等多终端的日渐普及, 用户对数据的同步与分享功能的重视, 云存储给我们带来了海量数据存储的解决方案。云存储服务已经成为各IT巨头争抢的一块蛋糕, 国外如微软的Sky Drive、苹果的i Cloud和Amazon的S3都已经开始在云存储服务领域发力。国内也有大量的云存储产品问世, 比如DBank、115网盘、金山快盘、酷盘、百度网盘、360云盘等。
3 云存储的特征
云存储的发展为何会如此火热?主要与其自身的特点有关, 如低成本、高可靠性和可用性、按需所取、存储资源虚拟化等。具体特征如下表:
4 云存储相关技术
关于云存储, 目前研究的热点在于数据副本策略、元数据管理、安全性以及数据中心架构的研究等。本文主要研究云存储中副本策略中的副本冗余技术。
根据墨菲定律:如果硬件有可能出错的, 那它总会出错。假设单个服务器的故障率是运行三年 (1000天) 有一次故障, 对于一万个服务器, 每天就有10个服务器出现故障。在云存储中, 一般采用廉价的计算机作为存储节点, 因此节点失效是常态。为了提高数据存储的可靠性和可用性, 通常采用副本冗余技术来实现:将数据对象按照一定的粒度进行分块, 每一个数据块按照复制因子被复制成若干份, 然后按照副本分布策略分别被放置在云存储系统中不同的存储节点上 (最好可以跨数据中心) , 以保证数据的可靠性和可用性。实践证明大量普通服务器的集群可以比高性能主机提供更快的性能和更高的可靠性。选用一个好的副本策略对云存储的系统性能和可靠性都有着很大的影响。
在GFS中, 采用的副本策略是:数据对象首先按照固定大小64M划分为若干数据块, 每个数据块复制3个副本, 分别按照相应策略随机分布在不同的Chunk Server节点上。第一个副本放置在离用户最近的那个Chunk Server上。其余两个副本被随机分布在不同的存储节点上。在HDFS中, 其副本策略是将每一个文件的数据进行分块存储, 同时每一个数据块又保存有多个副本, 这些数据块副本分布在不同的机器节点上。通过机架感知策略采用了客户端选择与之拓扑距离最短的副本的策略, 即将一个副本存放在本地机架节点上, 一个副本存放在同一个机架的另一个节点上, 最后一个副本放在不同机架的节点上。这种策略减少了机架间的数据传输, 提高了写操作的效率。机架的错误远远比节点的错误少, 所以这种策略不会影响到数据的可靠性和可用性。与此同时, 因为数据块只存放在两个不同的机架上, 所以此策略减少了读取数据时需要的网络传输总带宽。
5 副本冗余技术
副本冗余技术有完全副本备份冗余和纠删码技术两种。
完全副本冗余在存储系统中为同一文件创建同多个拷贝以提高数据资源的可用性。对于完全副本冗余, 关键问题在于副本数量的选取和分布策略。完全副本冗余简单、直观, 但存储空间消耗比较大, 能有效提高系统的可用性、降低访问延迟、避免热点的产生、实现负载平衡, 通常副本数越多, 数据的可靠性越高。但是副本数量也不是越多越好, 不合理的副本数量和分布方法, 可能会带来不必要的开销, 影响系统的总体性能。
纠删码技术是把k个源数据编码为n (n>k) 个数据, 使得用这n个数据中任意k个编码数据均可重构原来k个源数据。它作为一种高效的数据冗余方式, 将其运用于存储系统中。首先将用户要存放的文件划分成固定大小的数据块, 然后利用纠删码编码理论, 对其进行冗余编码。对于k个数据块根据纠删码编码生成n个一样大小并唯一标识的数据块 (n>k) , 存放在相应的存储系统中, 这样只要保证网络存储系统中有任意k个数据块是正确的, 那么就认为这个存储系统就是可靠的。常用的纠删码技术有RS纠删码和奇偶阵列码LDPC码等。
纠删码可以在与完全副本得到相同可用性的条件下, 极大地节约系统中的存储空间和维护带宽。在动态性不是非常高的环境下, 纠删码能提高系统的可靠性和数据的可用性。由于文件性质和重要性的不同, 用户对不同文件的可靠性要求是不同的, 对所有文件应用统一的可靠性保证策略, 将浪费大量的存储资源和网络带宽, 是不必要和低效的。副本数量的增加会给存储系统直接带来空间、带宽、性能等方面的额外开销。
虽然在拥有相同容错能力前提下, 基于纠删码的容错技术的存储开销更低.但是当数据块失效以后, 基于复制的容错技术只需下载一块同样大小的数据就可以完成修复过程, 而基于纠删码的容错技术则需要下载至少k个同样大小的数据块才能解码恢复原始数据, 要占用更多的网络带宽资源, 给数据中心中本来就比较紧张的带宽资源带来了巨大的压力, 也给数据的读取带来很大的性能损失, 极大地限制了基于纠删码的容错技术应用和推广。
HDFS虽然在最初的实现中采用的是基于复制的容错技术, 但是作为具有良好结构的开源分布存储系统, 为纠删码的研究和测试提供了良好的平台.微软研究院的Zhang Zhe等人通过修改HDFS, 使其支持纠删码的容错方案。另外为了节省存储空间, 可以对那些生命周期超过一定期限的数据块采用纠删码冗余。
6 结语
本文对当前云存储系统中的常用的数据冗余技术进行了分析和对比, 虽然纠删码在容错能力和存储空间上占有绝对优势。但是在节点可用性不高的环境下, 容错修复成本较高。而完全副本冗余在负载均衡、优化带宽、提高传输效率方面具有明显优势。因此, 在选择副本冗余技术时, 应考虑各种综合情况, 权衡其利弊, 从而构建适合的云适应需求的云存储系统。
摘要：本文介绍了云存储的概念、发展现状以及特征。研究了云存储关键技术之一:副本冗余技术。分析并比较了云存储中常用的两种副本冗余技术:完全副本冗余和纠删码技术。通过分析两种技术的优缺点, 得出结论:构建云存储时要充分考虑其应用需求, 权衡利弊, 选择合适的冗余技术。
关键词：云存储,副本冗余,纠删码,完全副本技术
参考文献
[1]吴吉义, 等.基于Kademlia的云存储系统数据冗余方案研究, 电信科学, 2011年2月.
[2]何润润.基于纠删码的数据冗余策略研究, 机电技术, 2010年第5期.
[3]葛君伟, 等.云存储环境下基于分散式服务器的Erasure Code算法, 计算机应用, 2011年9月.
嵌入式系统的冗余设计研究 篇8
1、冗余的基本方式与设计方法
1.1 冗余的基本方式
采用冗余设计的目的是为了使系统在出现局部故障时仍能完成规定的功能。系统可在不同意义上实现冗余, 主要包括几个方面:
(1) 硬件冗余。硬件冗余是利用增加额外的硬件设备来达到消除故障影响的目的, 保证系统在局部发生故障时, 通过额外硬件的工作使系统仍能实现规定的功能。
硬件冗余可在元器件级、部件级、分系统级乃至系统级上进行, 利用这种措施提高系统的可靠性是显而易见的。但是, 硬件冗余要增加硬件, 同时也必然增加了系统的体积、重量、功耗及成本。
(2) 软件冗余。对如何提高软件可靠性做了比较详细地介绍。在这些措施中, 有许多都是采用了软件冗余的手段。例如, 软件容错技术中, 无论是多版本程序设计技术, 还是恢复块技术都是采用了软件冗余的思想, 又如, 在检错及纠错编码技术中同样是利用增加冗余软件及信息, 从而达到提高可靠性的目的[1]。
(3) 信息冗余。信息冗余就是利用硬件或软件手段, 增加一些冗余信息, 达到在信息传输、存储过程中的可靠性要求。例如, 前面已经介绍过的奇偶校验、海明码校验、循环冗码校验等都采用了信息冗余的设计思想。
(4) 时间冗余。时间冗余是利用增加系统的运行时间来达到消除故障的目的。例如, 程序回卷、对外设接口指令的重复执行等都属于时间冗余。
1.2 冗余设计一般过程
可靠性设计与系统设计是协同进行的。冗余设计就是可靠性设计的一部分, 必然与系统设计密不可分。冗余设计的基本过程和应注意的问题如下。
(1) 明确任务。根据系统设计及可靠性分配及预估, 应当明确在哪些级别上需要采取冗余技术。可以是在系统级、分系统级、部件级甚至元器件级上需要采用冗余措施。接着就要具体考虑需要采用什么样的冗余类型可以满足要求, 同时还应注意具体的约束条件。在这里的主要工作是对冗余设计的需求进行分析, 明确设计任务。
(2) 权衡利弊。在保证系统可靠性, 决定采取冗余措施的基础上, 要仔细考虑采用的冗余措施的类型、实现这种形式的冗余在成本、功耗、技术难度等方面的投入。认真权衡利弊, 选择最佳方案。
(3) 具体设计:1) 冗余度的选择:在决定了需要采用什么样的冗余类型后, 很重要的是决定采用几个冗余度。目前人多选择2冗余度、3冗余皮或4冗余度达到高可靠性的目的。除非特殊用途的系统, 不必选择更高的冗余度。冗余度愈高, 相应的故障检测、判决、隔离、切换装置就会增加。这不仅使系统成本增加, 而且由于这些硬件是串联工作的, 它们的可靠性必然会影响到系统的可靠性。为此, 可以拟订几个方案, 提出多种不同的系统结构进行分析和评审, 最后确定最佳的系统结构。2) 判决与监控面的设置:冗余系统有可能在多级多重部件上冗余, 这就存在着将判 (表) 决与控制面设置在什么地方更加合理的问题。一般设置原则是:满足系统可靠性指标的要求;满足部件级容错能力的要求, 当部件故障进行切换后信号与判决监控面兼容;满足信号一致性的要求;满足减少故障扩散和故障瞬态影响的要求。3) 信号传递方式的选择:在冗余系统设计中, 信号的传递是利用部件间或通道间的信息交换与传输实现的。很显然, 信号的传递与所设置的判决及控制面的位置有关。同时, 信号的传递还与设计者所采用的信号传递方式有关。4) 监控方式的选择:在冗余系统中, 根据系统各通道的状态检测并隔离故障的方法称为对冗余系统的监控。显然, 监控技术或方法对冗余系统来说是十分重要的。比较监控可以由软件来实现, 也可以由硬件来实现。显然, 也可以用硬件和软件相结合的方式来实现。至于采用什么形式来实现比较监控, 则应由系统设计者根据系统的设计要求做多方面的权衡来决定。
(4) 实现。在通过对可靠性的具体设计后, 明确了对系统的可靠性要求和系统结构, 在此基础上与前面提到的系统设计步骤协同进行。在每一步骤的设计中都需要通过可靠性的分配及预估来指导选择元器件, 指导对硬件各部分的具体设计和实现。通过硬件设计与可靠性的协同工作, 达到系统功能与可靠性等性能要求, 实现用户所提出的要求。
2、几种冗余设计技术
2.1 部件级的冗余
在某些系统中, 对某种部件的可靠性要求特别高, 用一个部件难以达到如此高的要求, 所以要采用多个同样的部件并联冗余。
2.2 计算机双机并联
计算机双机并联系统如图1所示。图中, 2个计算机是相互独立的, 各自都有自己的CPU、内存、总线和输入/输出接口。对系统的检测控制来说, 2个计算机中只有其中一个用来完成用户的检测控制任务, 另一个处十并行工作的待命状态。它与另一计算机执行同样的程序且2个计算机在运行用户程序过程时, 是同步进行的。一旦发现主控机出现故障, 则处于待命状态的备份机立即自动切换上去, 代替原主控机的工作, 使整个检测控制系统维持正常工作。这时可对出故障的计算机进行检修。这种工作方式有时也称为双机热备份工作。显然, 这比提供一台冷备份计算机要好得多。因为冷备份机在进行代换时, 必然对系统的正常工作产生影响, 而热备份可以实现双机的无扰动切换。要实现双机热备份工作, 在系统设计时需在硬件、软件诸方面做工作。主要是解决好如下几个问题:
(1) 同步问题:在双机并联冗余系统中, 要做到主控机出现故障时, 能实现自动无扰动切换, 必须保证两个计算机的工作是同步的。为了使实现同步, 常采用事件同步的方法。所谓“事件”实际上就是一段独立的、可再入执行的程序模块。因此, 事件可由系统设计者自己定义。例如, 在过程控制中, 可以将控制过程定义如下几个事件:由输入接口采集被控对象的各种状态参数;利用采集数据和预先设定的数据完成某种控制算法的计算;对被控对象实施控制;显示、报警等人机界面。
当系统起动工作时, 两个计算机开始执行同样的用户程序。假定从采集数据开始, 半两机均采集数据完成时, 认为这一个事件完成, 并且把两机所采集的结果相互比较, 若正确, 则两机同时执行下一个事件;各自进行控制算法的计算。它们相互等待, 直到两个计算机均完成。而后比较所得结果并依次同步工作下去。在执行结果的比较中, 一定留有可以允许的误差。右在这误差范围内, 仍认为两者执行结果是—致的。这期间, 如果发现在执行某个事件上, 主控机有故障, 则可以用备份机取代主控机并重新执行该事件。
(2) 故障检测:在双机并联系统中, 故障检测是实现这样系统的关键, 而且检测故障也是比较困难的。
前面在事件同步中提到, 2个计算机执行每一个事件结果, 相互传送给对方, 进行比较, 确定所得结果是否一致。如果结果不一致, 一般比较难以确定哪一台计算机正确, 哪一台计算机有故障。除非有的结果十分特殊, 一看就知道是错误的。
为了进行故障检测, 可采用如下几种力法:第一, 发现结果不一致时, 2个计算机再重新执行刚才执行的事件, 再比较所得的结果。这样进行几次 (例如3次) , 看有无一致的情况。这就可以排除在事件执行过程中所遇到的暂时性干扰所造成的故障。这就是所谓的程序回卷的一种形式。第二, 采用前面所提到的在线故障检测方法, 以便及时发现故障。第三, 如果系统允许, 可以起动各自的自检程序, 对计算机实施自检, 以期发现哪台计算机出现了故障。
第四, 适当地减少每个事件的程序长度, 有利于发现故障。也就是说, 多设置事件对及时发现故障有利, 但会降低系统的效率。此外, 还可以在每个计算机中设置定时器, 利用时间准则来判断哪个计算机可能有故障。合理性判别。如果发现某一计算机提供的结果违背常理, 则可以断定该计算机可能合故障。
(3) 无扰动切换:2个计算机的状态和其他信息可以利用输入/输出接口、通信接口或双端口存储器进行交换。当备份机发现主控机有故障时, 即可发出控制信号, 使主控机退出控制, 同时, 备份机将自己的各种信息送出, 实现无扰动切换。由于2个计算机是同步工作的, 而且每一个事件都是可再入的。因此, 当在某一事件上主控机出现故障时, 自动切换到备份机上重新执行该事件, 两机必然是同步的。
在图1所示的双机并联系统中, 只要利用模拟门, 即可切换模拟信号, 利用三态门或数据选择器, 可以切换开关量信号, 因而比较容易实现信号的切换。
2.3 三机表决系统
在双机并联系统中, 如果2个计算机执行某个事件结果不一致, 则难以判别是哪一台计算机出现了故障。如果采用3台计算机并联工作, 则对故障机做出判断就容易得多。理论和实践已证明, 3台计算机中, 2台或2台以上同列出现故障的概率较其中某一台出现故障的概率要小得多。因此, 在三机并联系统中, 可采用表决的办法来解决故障检测问题。三机表决系统的工作原理与双机热备份系统类似, 即3个计算机以事件同步的方式执行同样的用户程序。执行事件的结果均送到高可靠表决器上进行表决。表决器采取大数判决的推则, 选取2个在精度范围内一致的数据作为正确的结果, 则与这2个不同的那个数据为错误数据。当然, 大多数情况下, 3个数据都是一致的[2]。在特别危险领域中所用到的嵌入式系统时, 对系统的可靠性的要求非常高。这时可以考虑采用更大冗余度的系统, 一个5冗余度系统。
2.4 冷备份
冷备份也是一种简中的冗余手段。冷备份可以备份部件, 也可以备份系统。所备份的部件或系统平时不加电, 而是将它们保存在仓库中。只是在系统的部件或系统出现故障时, 才用它们代替故障部件或故障系统[3]。在我国目前条件下, 许多用户单位没有可能冷备份部件和系统, 只能备份一些元器件, 在发现系统有故障时, 需要判断是哪一个元器件故障, 以便更换上新的元器件。
冷备份的计算机, 在结构上与工作的计算机完全一样, 并且软件、硬件接口、内存及各电线插头、插座均已准备好。当工作计算机发生故障时, 只要很短时间就能将故障机拆下来, 换上备份机, 使系统投入运行。当然, 备份一套系统的代价是很高的。有时, 可以只备份一些最易出现故障的部件、电路板或元器件。
此外, 在嵌入式系统中, 有时要增加一些硬件来提高可靠性, 而这些硬件并不是系统所必需的。例如, 为了指示输入输出接口的工作状态, 可以增加发光二极管显示。这些发光二极管, 在系统工作过程中显示接口的工作状态。利用它们的亮、灭或闪光的情况, 能为检查、发现故障提供方便。
参考文献
[1]张明, 刘志宏, 方伟奇.嵌入式软硬件系统的可靠性设计[J].电子产品可靠性与环境试验, 2010, (05) .
[2]马连川, 刘波.一种分布式三模冗余控制系统的实现[J].北方交通大学学报, 2000, (05) .