CN116661346A - 一体化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种一体化控制系统,包括设置在本地机架和N个远程IO机架上的常规控制系统和安全保护系统。常规控制系统与上位机连接,包括常规逻辑控制单元、与常规逻辑控制单元连接的第一常规通信接口模块、N个与第一常规通信接口模块连接的第二常规通信接口模块和N个与第二常规通信接口模块连接的常规IO模块;安全保护系统包括与常规逻辑控制单元连接的安全逻辑控制单元、与安全逻辑控制单元连接的第一安全通信接口模块、N个与第一安全通信接口模块连接的第二安全通信接口模块和N个与第二安全通信接口模块连接的安全IO模块。本方案提出了一种常规控制系统和安全保护系统的集成设计方案,从而降低了一体化控制系统的整体设计成本。
Description
技术领域
本申请涉及自动控制技术领域,更具体地说,涉及一种一体化控制系统。
背景技术
油气管道等长输管线的应用场景中,一般以常规控制系统(如PLC系统)为主,系统形态具有安装尺寸小、容积率高的特点,另外,安全保护系统也是上述应用场景中的必要系统,其用于保证油气管道等长输管线的安全运行。目前上述应用场景中,一般采用常规控制系统与安全保护系统异构集成方案,该方案中采用独立设置的安全保护系统,硬件成本较高,且大大增加了安装的空间成本。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种一体化控制系统,用于满足PLC常规控制的情况下集成安全保护系统,以达到降低整体设计成本,提高机柜安装空间利用率。
为了实现上述目的,现提出的方案如下:
一种一体化控制系统,应用于长输管线应用场景,所述一体化控制系统包括设置在本地机架和N个远程IO机架上的常规控制系统和安全保护系统,N为大于或等于1的整数,其中:
所述常规控制系统与上位机连接,包括常规逻辑控制单元、与所述常规逻辑控制单元连接的第一常规通信接口模块、N个与所述第一常规通信接口模块连接的第二常规通信接口模块和N个与所述第二常规通信接口模块连接的常规IO模块;
所述常规逻辑控制单元与所述第一常规通信接口模块设置在所述本地机架上,一个所述远程IO机架设置有一个所述第二常规通信接口模块和一个所述常规IO模块;
所述安全保护系统包括与所述常规逻辑控制单元连接的安全逻辑控制单元、与所述安全逻辑控制单元连接的第一安全通信接口模块、N个与所述第一安全通信接口模块连接的第二安全通信接口模块和N个与所述第二安全通信接口模块连接的安全IO模块;
所述安全逻辑控制单元和所述第一安全通信接口模块设置在所述本地机架上,所述远程IO机架设置有一个所述第二安全通信接口模块和一个所述安全IO模块。
可选的,所述常规IO模块与所述安全IO模块设置在同一的所述远程IO机架上或不同的所述远程IO机架上。
可选的,所述常规逻辑控制单元与所述安全逻辑控制单元通过内部高速总线实现数据交互。
可选的,所述常规逻辑控制单元包括常规通信核和常规控制核,其中:
所述常规通信核用于接收所述上位机下发的控制指令,并将所述控制控制指令透传给所述常规控制核和安全逻辑控制单元。
可选的,所述安全逻辑控制单元包括安全通信核、第一安全控制核和第二安全控制核。
可选的,所述安全通信核与所述第一安全控制核封装在一个微处理器内,所述第二安全控制核封装于另一个微处理器内。
可选的,所述安全通信核用于对所述常规控制系统发送的控制指令进行检测,并将数据流量超限制的数据包、数据帧异常的数据包或协议完整性异常的数据包予以剔除。
可选的,所述本地机架上设置有冗余的电源保护模块。
可选的,所述电源保护模块内配置有电压检测单元。
可选的,所述本地机架上每个单元的输入端配置有DC-DC隔离转换单元,其中:
所述DC-DC隔离转换单元用于对所述每个单元进行供电。
从上述的技术方案可以看出,本申请公开了一种一体化控制系统,包括设置在本地机架和N个远程IO机架上的常规控制系统和安全保护系统。常规控制系统与上位机连接,包括常规逻辑控制单元、与常规逻辑控制单元连接的第一常规通信接口模块、N个与第一常规通信接口模块连接的第二常规通信接口模块和N个与第二常规通信接口模块连接的常规IO模块;安全保护系统包括与常规逻辑控制单元连接的安全逻辑控制单元、与安全逻辑控制单元连接的第一安全通信接口模块、N个与第一安全通信接口模块连接的第二安全通信接口模块和N个与第二安全通信接口模块连接的安全IO模块。本方案提出了一种常规控制系统和安全保护系统的集成设计方案,从而降低了一体化控制系统的整体设计成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种一体化控制系统的示意图;
图2为本申请实施例的一体化控制系统冗余配置架构图;
图3为本申请实施例的一体化控制系统的电气隔离设计示意图
图4为本申请实施例的电源保护模块的框图;
图5为本申请实施例的常规逻辑控制单元和安全逻辑控制单元的通信接口示意图;
图6为本申请的安全通信核的数据包的检测流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
实施例一
图1为本申请实施例的一种一体化控制系统的示意图。
如图1所示,本实施例提供的一体化控制系统应用于油气管道等长输管线的应用场景,该一体化控制系统应用于相应的控制机柜,该控制机柜包括本地机架100和与本地机架通过通信线缆连接的远程IO机架200,本申请的远程IO机架为一个或多个。
该一体化控制系统具体包括与上位机PC连接的常规控制系统以及与该常规控制系统通过内部高速总线相连的安全保护系统。该常规控制系统10包括常规逻辑控制单元11、第一常规通信接口模块GIM1、第二常规通信接口模块GIM2和常规IO模块GI/O;该安全保护系统20包括安全逻辑控制单元21、第一安全通信接口模块SIM1、第二安全通信接口模块SIMS2和安全IO模块SI/O。
该常规逻辑控制单元11、第一常规通信接口模块GIM1、安全逻辑控制单元21和第一安全通信接口模块SIM1安装在上述的本地机架上。第二常规通信接口模块GIM2、常规IO模块GI/O、第二安全通信接口模块SIMS2和安全IO模块SI/O设置在上述的远程IO机架上。
本申请中的远程I/O机架不局限于单个,可以根据应用需要扩展到多个远程I/O机架;常规IO模块和安全IO模块可以安装在不同的远程I/O机架,以实现GIO和SIO的机架隔离。
本申请的第一常规通信接口模块、第二常规通信接口模块、第一安全通信接口模块和第二安全通信接口模块的功能也可以通过一个IM(interface module,通讯接口模块)模块实现,以节省硬件成本,进一步提升系统的容积率。IM模块可通过RJ/45实现机架间互联,或通过光纤实现长距离的跨区域机架间互联。
本申请中的常规控制系统中的各个常规模块在同一个机架中通过常规总线G-Bus进行通信,安全保护系统的各个模块在同一个机架中通过安全总线S-Bus进行通信,常规总线G-Bus和安全总线S-Bus具有不同的通讯编码规则。
常规总线G-Bus和安全总线S-Bus应使用不同的物理通讯链路来支持数据总线隔离。
本申请中的常规逻辑控制单元GCU和安全逻辑控制单元SCU之间通过内部高速总线进行数据的交互以保证数据的实时性和指令的快速响应。
常规逻辑控制单元GCU和安全逻辑控制单元SCU基于多核CPU架构设计。其中常规逻辑控制单元GCU为双核CPU架构,分别包括常规通信核GCU-COM和常规控制核GCU-CON;常规通信核接收上位机PC下发的控制指令并透传给常规控制核和安全逻辑控制单元的安全通信核,同时上送一体化控制系统实时信息;常规控制核用于解析控制指令并执行常规的控制任务同时将收集的常规设备运行数据传输给常规通信核。
安全逻辑控制单元SCU为多核架构,包括安全通信核SCU-COM和两个物理独立的安全控制核SCU-CON,记为第一安全控制核SCU-CON1和第二安全控制SCU-CON2;安全通信核接收由常规通信核GCU-COM分发的控制指令并分发给两个安全控制核;安全控制核解析控制指令并执行安全的控制任务同时将收集的安全设备运行数据传输给安全通信核;两个安全控制核之间通过电容隔离并实现实时数据的高速交互。
本申请中的安全通信核SCU-COM与第一安全控制核SCU-CON1封装在一个微处理器中,第二安全控制核SCU-CON2封装在另一个微处理器中,本方案中两个安全控制核在不同的微处理器中以实现更好的隔离特性和可用性。另外,安全通信核与第一安全控制核也可以封装在不同的微处理器中,同时省略第二安全控制核以降低硬件资源和成本。
本申请能够实现统一控制、独立运行的目的,即通过上位机PC的软件平台统一监控一体化控制系统运行,同时常规控制系统和安全保护系统的通信核COM对交互数据进行分发,不解析控制指令,控制指令由控制核CON解析,并由控制核CON执行各自的任务,控制核的运行互不影响。本申请可以实现系统的冗余配置,具体如图2所示。
从上述技术方案可以看出,本实施例提供了一种一体化控制系统,包括设置在本地机架和N个远程IO机架上的常规控制系统和安全保护系统。常规控制系统与上位机连接,包括常规逻辑控制单元、与常规逻辑控制单元连接的第一常规通信接口模块、N个与第一常规通信接口模块连接的第二常规通信接口模块和N个与第二常规通信接口模块连接的常规IO模块;安全保护系统包括与常规逻辑控制单元连接的安全逻辑控制单元、与安全逻辑控制单元连接的第一安全通信接口模块、N个与第一安全通信接口模块连接的第二安全通信接口模块和N个与第二安全通信接口模块连接的安全IO模块。本方案提出了一种常规控制系统和安全保护系统的集成设计方案,从而降低了一体化控制系统的整体设计成本。
本申请中一体化控制系统在实际实现时的一种风险是常规控制系统的失效扩散到安全保护系统,引起安全保护系统的功能失效。因此本方案中引入隔离方案,以实现单一故障不扩散的目的。如图3所示,常规控制系统和安全保护系统集成安装在同一个机架上,因此需要电气隔离设计,以防止单一系统的电气故障(如短路)影响到另一个独立系统的正常运行。
如图4所示,本申请中的本地机架上配有冗余的电源保护模块,用于能够对AC/DC电源进行电压监视、电压保护的功能,能够避免因AC/DC电源的浪涌、高压故障导致的一体化系统共因失效,使一体化系统在供电网络中稳定地运行;
电源保护模块内的电压检测单元支持对于干路上的24V进行过压/欠压的检测,当检测到上述故障时,可对输出的故障电压起到安全关断的功能;电源保护模块内部具有冗余配置的电压检测单元,当单个开关或检测单元发生粘连失效(stuck-at)导致无法正确执行关断功能,冗余的电压检测单元仍能够执行安全关断的动作使一体化系统始终在供电网络中稳定地运行;
本地机架上各单元的输入端设置有DC-DC隔离转换单元,该DC-DC隔离转换单元具有隔离特性,用于将输入电源转换为二级电源给各单元的内部电路供电;并具有对外通信端口的单元(如GCU和IM单元)通过网络变压器实现对内部电路的保护,隔绝在连接第三方设备时端口上的高压灌入;连接现场设备的IO单元,系统侧电路和现场侧电路通过隔离单元进行防护,防止现场信号侧的静电、浪涌、脉冲干扰灌入一体化系统内部造成故障的扩散;支持DIN导轨安装的保护模块以对现场设备进行独立供电,以实现系统设备供电和仪表设备供电网络的隔离。
本申请中的各个模块除了电气连接外,常规逻辑控制单元GCU和安全逻辑控制单元SCU通过内部通信总线互联,如图5所示。安全逻辑控制单元SCU采用双通道架构,通道间设计有电容隔离,可以隔离由电气故障产生的直流错误信号。当安全通信核侧的CPU由于电气故障失效后,安全逻辑控制单元能够由原来的双通道架构降级为单通道架构继续运行。
此外,安全通信核对由常规通信核传递的数据包具有检测功能,如图6所示。依次对输入控制指令的数据流量、数据帧异常和协议完整性进行诊断,并将检测结果传递给安全控制核进行后续处理,检测不通过的异常数据包将被丢弃,可以有效地将异常通信数据或异常通信状态及其产生的影响隔离在安全控制核之外。
其中,安全通信核的输入数据流量限制在一个正常的水平,如阈值为500帧/秒。如果超过了流量限制的阈值,则将超出的数据包丢弃;
还对接收数据帧的合包头信息进行校验,如checksum(校验码)、数据包首部信息。如果校验不通过,则将错误的数据包丢弃;
协议完整性检测通过通信协议白名单机制对接收的数据命令进行协议完整性的检测,不在通信协议白名单中的数据命令将被丢弃。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现,也可以通过硬件的方式来实现。其中,单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定,例如,第一获取单元还可以被描述为“获取至少两个网际协议地址的单元”。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如,非限制性地,可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括:现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种一体化控制系统,可应用于长输管线等同时需要控制功能和安全保护功能又要求系统高度集成的应用场景,其特征在于,所述一体化控制系统包括设置在本地机架和N个远程IO机架上的常规控制系统和安全保护系统,N为大于或等于1的整数,其中:
所述常规控制系统与上位机连接,包括常规逻辑控制单元、与所述常规逻辑控制单元连接的第一常规通信接口模块、N个与所述第一常规通信接口模块连接的第二常规通信接口模块和N个与所述第二常规通信接口模块连接的常规IO模块;
所述常规逻辑控制单元与所述第一常规通信接口模块设置在所述本地机架上,一个所述远程IO机架设置有一个所述第二常规通信接口模块和一个所述常规IO模块;
所述安全保护系统包括与所述常规逻辑控制单元连接的安全逻辑控制单元、与所述安全逻辑控制单元连接的第一安全通信接口模块、N个与所述第一安全通信接口模块连接的第二安全通信接口模块和N个与所述第二安全通信接口模块连接的安全IO模块;
所述安全逻辑控制单元和所述第一安全通信接口模块设置在所述本地机架上,所述远程IO机架设置有一个所述第二安全通信接口模块和一个所述安全IO模块。
2.如权利要求1所述的一体化控制系统,其特征在于,所述常规IO模块与所述安全IO模块设置在同一的所述远程IO机架上或不同的所述远程IO机架上。
3.如权利要求1所述的一体化控制系统,其特征在于,所述常规逻辑控制单元与所述安全逻辑控制单元通过内部高速总线实现数据交互。
4.如权利要求1所述的一体化控制系统,其特征在于,所述常规逻辑控制单元包括常规通信核和常规控制核,其中:
所述常规通信核用于接收所述上位机下发的控制指令,并将所述控制控制指令透传给所述常规控制核和安全逻辑控制单元。
5.如权利要求1所述的一体化控制系统,其特征在于,所述安全逻辑控制单元包括安全通信核、第一安全控制核和第二安全控制核。
6.如权利要求5所述的一体化控制系统,其特征在于,所述安全通信核与所述第一安全控制核封装在一个微处理器内,所述第二安全控制核封装于另一个微处理器内。
7.如权利要求5所述的一体化控制系统,其特征在于,所述安全通信核用于对所述常规控制系统发送的控制指令进行检测,检测内容包括但不限于数据流量限制、数据帧检测和协议完整性检测,并将检测到异常的数据包予以剔除。
8.如权利要求1~7任一项所述的一体化控制系统,其特征在于,所述本地机架上设置有冗余的电源保护模块。
9.如权利要求8所述的一体化控制系统,其特征在于,所述电源保护模块内配置有电压检测和保护单元。
10.如权利要求8所述的一体化控制系统,其特征在于,所述本地机架上每个单元的输入端配置有DC-DC隔离转换单元,其中:
所述DC-DC隔离转换单元用于对所述每个单元进行供电。
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