CN204883336U - Pas100控制系统的控制器和通信模块冗余构架 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，控制系统的控制层设有至少一组按1:1冗余的主控制器和备用控制器，主控制器执行控制决策，实现与监控层和输入输出层的数据交互,所述备用控制器实时同步主控制器的程序和数据并监控主控制器的运行状态；控制层的主控制器和备用控制器均采用通信网络与监控层进行网络通信；输入输出层设有多个输入输出模块组，各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与控制层的主控制器和备用控制器进行数据交互。本实用新型综合考虑了控制系统的时效性、安全性、可靠性，且成本低。

Description

PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架

技术领域

本实用新型涉及分布式控制系统的冗余构架，具体涉及一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架。

背景技术

PAS100控制系统是基于DCS构架设计的过程自动化控制系统，采用模块化设计思想和开放性的设计理念，使得该系统具备良好的开放性和扩展性，适用于石油、化工、冶金、轻工、能源和环保等行业的过程自动化控制。现有DCS系统（即集散型控制系统或分布式控制系统）采用多级分层结构，综合了常规仪表控制系统和计算机集中控制的优点，弥补了它们各自的不足，具备分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便等特点，其可靠性是DCS系统的关键指标。为了提高DCS系统的可靠性，因此需对DCS系统进行冗余设置。不同厂家的DCS系统的冗余位置、程度和具体实现方式都有所不同，基于成本因素考虑和针对具体行业应用需求不同，不同厂家的部件冗余的实现级别和方式也有所不同，有的采用全部部件冗余，也有采用部分部件冗余的。从理论上来说，系统的冗余设计实现冗余的位置越多、冗余的程度越高，系统的安全性和可靠性就越好。但是从系统的设计和实现角度来说，也增加了系统的复杂度、设计的难度和产品的成本，而高复杂度必然导致更多不可预见的问题，增加了一些潜在的风险。从经济角度考虑，过高的冗余度会大大增加系统的成本，甚至是一种浪费。如：现有控制系统的控制层与输入输出层间之间采用以太网和Modbus/TCP协议进行通信，技术难度相对大，成本高。因此目前急需开发一种设计合理的冗余架构，该冗余架构安全性和可靠性，且成本低。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，该冗余构架合理，综合考虑PAS100控制系统的时效性、安全性、可靠性，且成本低，保证PAS100控制系统能正常运行。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，包括PAS100控制系统的监控层、控制层和输入输出层，其特征在于：所述控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和备用控制器，主控制器和备用控制器按1:1冗余，所述主控制器执行控制决策，实现与监控层和输入输出层的数据交互,所述备用控制器实时同步主控制器的程序和数据并监控主控制器的运行状态；所述控制层的主控制器和备用控制器均采用通信网络与监控层进行网络通信；所述输入输出层设有多个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与控制层的主控制器和备用控制器进行数据交互。

所述控制层的主控制器和备用控制器均由电源模块、CPU模块和公共底座构成，所述电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，所述CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，主控制器和备用控制器之间通过CPU模块的通信网络接口进行数据交互，CPU模块的通信网络接口用于与监控层进行的通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。

所述主控制器的电源模块和CPU模块与备用控制器的电源模块和CPU模块相互独立。

所述主控制器和备用控制器的CPU模块通信总线接口均为RS485总线接口，所述控制层的主控制器和备用控制器分别通过RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互。

所述主控制器和备用控制器的CPU模块均设有两个用于与监控层连接的RJ45以太网接口，所述控制层的主控制器和备用控制器分别通过两个互为冗余的主以太网和备用以太网与监控层进行网络通信。

所述主控制器与备用控制器之间采用光纤进行连接，用于冗余控制器之间数据交互。

所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。

所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。

所述各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块分别采用互为冗余的通信总线与输入输出模块组内各IO模块的进行数据交互。

所述通信总线采用RS485总线。

本实用新型的有益效果：本实用新型的控制层按1:1冗余原理设置为至少一组互为冗余的主控制器和备用控制器，通过主控制器执行控制决策，实现与监控层和输入输出层的数据交互,通过备用控制器实时同步主控制器的程序和数据并监控主控制器的运行状态，实现了控制层的控制器冗余，若主控制器出现异常，则主控制器切换为备用状态。当备用控制器未检测到主控制器的存在或者监测到主控制发生故障，则备用控制器切换为主状态，保证了控制器的正常运行；输入输出层的各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，实现了通信模块冗余，各通信模块实时读取IO模块的输入模块数据，并将数据打包发送给控制器，通信模块解包控制输出命令并分别发送到各IO模块的输出模块，通信模块分担控制器与输入输出层的通信任务，提高了控制器的工作效率。各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过通信总线与控制层的主控制器和备用控制器进行数据交互，通信模块与控制器采用总线通信，相对于以太网和Modbus/TCP协议进行通信，技术难度相对低，运行成本低。本实用新型基于全局考虑，由于控制器是系统的核心部件，一旦控制器发生故障，整个控制回路的功能都将失效；因此本实用新型提出了一种控制器和通信模块冗余方案，且采用1:1冗余原理，有效且简单、配置灵活，易于实现，充分考虑了不同层级的数据流量和通信速率，充分考虑了工控行业和集散型控制系统的特点，符合该行业和本领域的应用需求；减小了系统整体设计的复杂性，具有很好的一致性和实用性，使用方便、可靠性好、通用性高，符合较高的时效性、可靠性和安全性；且成本低。

所述控制层的主控制器和备用控制器均由电源模块、CPU模块和公共底座构成，电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，硬件更简单，成本也相对较低。CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，CPU模块通过自身集成的通信总线接口采用通信总线和Modbus协议与输入输出模块组的通信模块进行通信，技术难度相对低，成本低，具有高可靠性和稳定性。

所述主控制器的电源模块和CPU模块与备用控制器的电源模块和CPU模块相互独立，若其中一台控制器出现故障，另外一台控制器不受影响，系统仍然能正常运行，同时系统管理或维护工作人员可以根据系统的错误提示信息对故障控制器实现在线更换。

所述控制层的主控制器和备用控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互，采用冗余RS-485总线稳定性高，易实现，成本相对低，且冗余配置更为灵活。

主控制器和备用控制器均采用两条互为冗余的主通信网络和备用通信网络与监控层进行网络通信，实现了网络冗余，保证了网络的畅通。

所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。实用于中小型控制系统，满足一般和常见的冗余需求，满足市场上用户对控制系统的冗余要求，且成本低。

所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。插拔其中一个模块不会影响其它模块的运行，便于系统管理或维护。

附图说明

图1是本实用新型控制系统的原理框图；

图2是本实用新型控制器的结构示意图；

图3是本实用新型控制层中两冗余控制器的连接示意图；

图4是本实用新型通信模块的结构示意图；

图5是本实用新型控制器与通信模块之间的连接示意图；

图6是本实用新型通信模块与IO模块之间的连接示意图；

图7是本实用新型控制层与监控层之间的冗余网络连接示意图；

图8是本实用新型控制层与监控层之间的非冗余网络连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步地说明。

参见图1至图8所示，一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，PAS100控制系统按照DCS架构设计，主要分为3个层次，包括监控层、控制层和输入输出层。

所述控制层的主要部件是控制器，主要功能是实现输入输出层中输入模块数据的采集，根据组态程序执行控制逻辑，并控制输入输出层中输出模块数据的输出。控制器是运行控制软件、执行控制逻辑，并通过一定的通信机制和策略实现与输入输出层各模块以及监控层各节点的数据信息的交互。控制器是控制系统控制决策执行的核心部件，其稳定性和可靠性对整个系统是至关重要的。理论和实践都证明，冗余技术是一种可以提高系统的稳定性和可靠性的有效方法。由于控制器在控制系统中具有极高的重要性，因此控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和备用控制器，主控制器和备用控制器按1:1冗余。本实施例中，控制层设有一组互为冗余的主控制器和备用控制器，主控制器和备用控制器按1:1冗余。

参见2所示，控制器1A和控制器1B均由电源模块1、CPU模块2和公共底座3构成，电源模块1和CPU模块2通过接插件固定于公共底座3上，并通公共底座3的底板实现互联。电源模块1为控制器供电，CPU模块基于工业级X86核心板设计，是控制器的核心。所述CPU模块2设有三个通信网络接口和一个通信总线接口，CPU模块的其中一通信网络接口用于主控制器和备用控制器之间的数据交互，另两个通信网络接口用于与监控层进行通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。参见图3所示，本实施例中：CPU模块设有两个RJ45以太网接口、一个光纤以太网接口和一个RS485总线接口。两个RJ45以太网接口分别是RJ45-1和RJ45-2，两个RJ45以太网接口用于与监控层通信，光纤以太网接口用于主控制器与备用控制器之间的数据交互，RS485总线接口用于实现与输入输出层各输入输出模块组的通信和数据交互，为最佳实施例。

正常情况下，控制器1A为主控制器，控制器1B为备用控制器。此种情况下，控制器1A执行控制决策，实现与监控层和输入输出层的数据交互；控制器1B实时同步主控制器的程序和数据并监控主控制器的运行状态。若主控制器出现异常，则主控制器切换为备用状态。当备用控制器未检测到主控制器的存在或者监测到主控制发生故障，则备用控制器切换为主状态。

所述主控制器和备用控制器的电源和CPU都相互独立。若主控制器和备用控制器中的一台出现故障，可以切断该控制器的电源对该控制器进行更换，另外一台控制器不受影响，系统仍然能正常运行，同时系统管理或维护工作人员可以根据系统的错误提示信息对故障控制器实现在线更换。

所述PAS100控制系统的控制层还可以设置为多组控制器，所述各组控制器可以配置为互为冗余的主控制器和备用控制器，也可以采用非冗余控制器，形成多组全冗余的控制器，或者形成冗余和非冗余混合的多组控制器。

在控制器的所有工作任务中，与输入输出层的IO模块通过通信实现数据交互是最为耗时的一个工作任务。为了提高控制器工作效率，PAS100控制系统引入通信模块以分担控制器的与输入输出层的通信任务。

所述输入输出层用于控制现场信号测量以及PAS100控制系统控制信号的输出，输入输出层由最多8个输入输出模块组构成，每个输入输出模块组包括最多8个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。主通信模块和备用通信模块与IO模块安装在同一机架上组成一个输入输出模块组，主通信模块和备用通信模块统一处理组内IO模块的数据，并与控制器实现数据交互。各IO模块的功能是现场信号测量和输出系统控制信号到现场设备。主通信模块和备用通信模块是控制器实现与各输入输出模块组内数据通信的“信息集散中心”，在IO模块的输入过程中，通信模块实时读取组内各输入模块数据，并打成一个数据包发送给控制器；在IO模块的输出过程中，通信模块解析来自控制器的输出控制指令，然后分别控制各输出模块的输出。

本实施例中：输入输出层设有八个输入输出模块组，分别是第一、第二、第三、第四……第八输入输出模块组。每个输入输出模块组均包括八个IO模块IOX1、IOX2、IOX3、IOX4、IOX5、IOX6、IOX7、IOX8和两个互为冗余的主通信模块CPXA和备用通信模块CPXB。第一输入输出模块组由八个IO模块分别为IO11、IO12、IO13、IO14、IO15、IO16、IO17、IO18，以及主通信模块CP1A和备用通信模块CP1B,八个IO模块和两通信模块位于同一IO机架。第二输入输出模块组由八个IO模块分别为IO21、IO22、IO23、IO24、IO25、IO26、IO27、IO28，以及主通信模块CP2A和备用通信模块CP2B,八个IO模块和两通信模块位于同一IO机架。其余几个输入输出模块组的结构设置均相同，在此省略。主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互。

冗余通信模块的主从状态由控制器决定，即控制器与哪个通信模块进行数据通信则那个通信模块为主通信模块，另一个为备用通信模块。正常情况下，控制器与通信模块CPXA进行数据通信，此时，通信模块CPXA为主通信模块，通信模块CPXB为备用通信模块。此种情况下，主通信模块实现与控制器数据和输入输出模块组内各个IO模块的数据通信；备用通信模块实时监测主通信模块的数据和运行状态。若控制层的控制器检测到主通信模块出现异常，则控制器给出与主通信模块通信故障信息并将数据通信切换到备用通信模块。此时，备用通信模块切换为主状态,主通信模块切换为备用状态。

所述主通信模块和备用通信模块相互独立，若其中任一一个通信模块出现故障，另外个不受影响，系统仍然能正常运行。又因为通信模块和IO模块均具备带电插拔功能，且插拔其中一个模块不会影响其它模块的运行，所以系统管理或维护工作人员根据系统的错误提示信息，可以在不影响系统运行的情况下对故障通信模块实现在线更换。

各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有用于连接控制器的RS485通信接口和用于连接IO模块的RS485通信接口，通过主通信模块和备用通信模块实现对控制器的通信冗余，通过主通信模块和备用通信模块实现对输入输出模块组内IO模块的通信冗余。

参见图5所示，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过RS485通信接口、通信总线与控制层的主控制器和备用控制器进行数据交互，通信总线采用RS485总线，通信协议采用Modbus通信协议，控制层的主控制器和备用控制器与输入输出层的主通信模块和备用通信模块之间均通过RS485总线、Modbus协议实现数据交互。相对于以太网通信，该总线通信硬件更简单，实施技术难度更低，成本也相对于较低，且具有高可靠性和稳定性。

各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块通过RS485通信接口、通信总线依次与各IO模块连接，所述通信总线采用RS485总线，通信协议采用Modbus通信协议，输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块与输入输出模块组内各IO模块基于RS485总线的Modbus协议实现数据交互。主通信模块和备用通信模块与八个IO模块之间通过内置于IO机架底板的两条RS485总线实现连接。主通信模块通过RS485总线读写组内IO模块数据，备用通信模块通过监听该总线获取相应数据。所述各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块还可以采用互为冗余的通信总线与输入输出模块组内各IO模块的进行数据交互。

由于PAS100控制系统的通信模块与控制器之间采用RS-485总线通信，因此输入输出层的主通信模块和备用通信模块可以分别接入到主控制器和备用控制器上，也可以单独接到任一台控制器上；通信模块与控制器之间可以采用冗余的双RS-485总线通信，也可以采用单RS-485总线通信，从而使得PAS100控制系统可以单独实现控制器冗余、通信模块冗余和总线冗余。

参见图4和图6所示，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块还可以设置为一个用于连接控制器的RS485-U1通信接口和两个用于连接IO模块的RS485-D1和RS485-D2通信接口，实现输入输出模块组内通信模块与IO模块之间的通信冗余，各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块通过两条互为冗余RS485总线依次与各IO模块连接，通信协议采用Modbus通信协议实现了数据交互。

主通信模块和备用通信模块与八个IO模块之间通过内置于IO机架底板上的两条RS485总线实现连接，两条RS485总线分别为RS485-1和RS485-2。正常情况下，RS485-1为主通信总线，RS485-2为备用通信总线，主通信模块和备用通信模块均通过主通信总线RS485-1与各IO模块通信。主通信模块通过主通信总线RS485-1读写IO模块数据，则备用通信模块监听该主通信总线RS485-1获取相应数据；主通信模块通过备用通信总线RS485-2读写IO数据，则备用通信模块监听备用通信总线RS485-2获取相应数据。即主通信模块的通信总线切换了，备用通信模块的通信总线也进行相应切换。若主通信模块和备用通信模块通过主通信总线RS485-1与某一IO模块通信失败，则启用备用通信总线RS485-2与该IO模块通信；若主通信模块和备用通信模块通过主通信总线RS485-1与输入输出模块组内各IO模块通信失败个数超过n(该值可设置，默认为4)，则备用通信总线RS485-2切换为主通信总线。由于RS485-1和RS485-2相互独立，若RS485-1和RS485-2其中任一一条通信总线发生故障或异常，或者主通信总线的某一节点发生故障或异常，备用通信总线不受影响，系统可以正常运行和工作。

所述监控层是运行于PC平台上的PAS-HMI监控软件、组态软件以及PAS-CONFIG等工具软件，用于系统监控、工程组态和调试。监控层设有服务器、多个操作站（1……n个操作站）和工程师站。

参见图7所示，该PAS100控制系统中，监控层与控制层之间的网络连接配置为冗余。控制层的主控制器和备用控制器均提供了对监控层的两个RJ45以太网接口，通过这两个RJ45以太网接口主控制器和备用控制器可以分别接入两条互为冗余的主通信网络和备用通信网络，主通信网络和备用通信网络均采用100M/1000M以太网，通用Modbus/TCP或专用SicModbus-UDP通信协议，最大网络节点数为247，实现了监控层与控制层之间的通信网络冗余。在网络冗余的系统中，其中一条网络默认作为主通信网络，另一条网络为备用通信网络，若主通信网络出现故障，则启用备用通信网络；若某一节点与主通信网络接口出现故障，则该节点启用与备用通信网络接口。

参见图8所示，所述监控层与控制层之间的网络连接也可以配置为非冗余网络。

Claims (10)

1.一种PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，包括PAS100控制系统的监控层、控制层和输入输出层，其特征在于：所述控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和备用控制器，主控制器和备用控制器按1:1冗余，所述主控制器执行控制决策，实现与监控层和输入输出层的数据交互,所述备用控制器实时同步主控制器的程序和数据并监控主控制器的运行状态；所述控制层的主控制器和备用控制器均采用通信网络与监控层进行网络通信；所述输入输出层设有多个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过通信总线与控制层的主控制器和备用控制器进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述控制层的主控制器和备用控制器均由电源模块、CPU模块和公共底座构成，所述电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，所述CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，主控制器和备用控制器之间通过CPU模块的通信网络接口进行数据交互，CPU模块的通信网络接口用于与监控层进行的通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。

3.根据权利要求1或2所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述主控制器的电源模块和CPU模块与备用控制器的电源模块和CPU模块相互独立。

4.根据权利要求1或2所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述主控制器和备用控制器的CPU模块通信总线接口均为RS485总线接口，所述控制层的主控制器和备用控制器分别通过RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互。

5.根据权利要求1或2所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述主控制器和备用控制器的CPU模块均设有两个用于与监控层连接的RJ45以太网接口，所述控制层的主控制器和备用控制器分别通过两个互为冗余的主以太网和备用以太网与监控层进行网络通信。

6.根据权利要求1或2所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述主控制器与备用控制器之间采用光纤进行连接，用于冗余控制器之间数据交互。

7.根据权利要求1所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。

8.根据权利要求1或7所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。

9.根据权利要求1所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块分别采用互为冗余的通信总线与输入输出模块组内各IO模块的进行数据交互。

10.根据权利要求1或9所述的PAS100控制系统的控制器和通信模块冗余构架，其特征在于：所述通信总线采用RS485总线。