CN205539996U - 控制器、i/o通信总线和通信模块冗余的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，控制系统的控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和从控制器，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序，控制系统的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、主通信模块和从通信模块，主通信模块和从通信模块相互独立，主通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，从通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块与输入输出层的各输入输出模块组进行信息交互。本实用新型可靠性及稳定性好。

Description

控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统

技术领域

本实用新型涉及控制器冗余技术，具体涉及一种控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统。

背景技术

随着工业生产现场控制对象的增多、数据量的增大、数据实时性和可靠性要求的不断提高，对工业自动化领域中控制系统的可靠性、稳定性需求越来越高。设计高效、可靠的冗余控制系统具有重要的实际意义。冗余控制是一种可满足实时不间断控制、提高系统可用性的有效手段，使用冗余系统可以有效地保证控制系统的安全运行，是提高整机及系统可靠性的一种重要设计技术，特别是对于要求不停机维修的控制系统或设备和有高可靠性、长寿命要求的大、中型设备。

虽然现有冗余方法很多，但是仍存在冗余机制不完善，冗余失效等问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，该控制系统可靠性及稳定性好。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种控制器、I/O 通信总线和通信模块冗余的控制系统，包括监控层、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从控制器，所述主控制器和从控制器之间通过以太网进行冗余同步，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序，所述主控制器用于控制输入输出层的各IO模块,所述从控制器实时监控主控制器，同时接收到来自主控制器的同步数据；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、主通信模块和从通信模块，主通信模块和从通信模块分别与各个IO模块相连，所述主通信模块和从通信模块相互独立，所述主通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述从通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块与输入输出层的各输入输出模块组进行信息交互。

所述控制层的主控制器和从控制器均由电源、CPU、通信卡和底座构成，所述电源、CPU、通信卡通过接插件固定于底座上，所述CPU上设有三个以太网接口，所述通信卡上设有两路隔离的RS485通信总线接口，主控制器和从控制器之间通过以太网进行数据交互，主控制器和从控制器分别通过以太网与监控层进行通信；主控制器和从控制器通过RS485通信总线接口与输入输出层各输入输出模块组的主通信模块和从通信模块进行数据交互。

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。

所述控制层的主控制器和从控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和通信协议与输入输出层的主通信模块和从通信模块进行数据交互。

所述控制层的主控制器和从控制器与主通信模块和从通信模块的通信协议包括地址、校验地址、功能码、数据和CRC校验。

所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块一次通信获取输入输出层中各输入输出模块组的IO数据和IO状态。

本实用新型的有益效果：所述控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和从控制器，所述主控制器和从控制器之间通过以太网进行冗余同步，以备控制系统的无扰切换，大大提高了控制器和I/O模块通信的实时性和可靠性。主、从控制器同步数据量不仅提高同步速度，而且减少主控制器的负担，让主控制器只专注于过程控制从而缩短控制周期。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、主通信模块和从通信模块，所述主通信模块和从通信模块相互独立，保证了主通信模块故障时，从通信模块可以接替主通信模块正常工作。所述主通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述从通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块与输入输出层的各输入输出模块组进行信息交互。RS485总线实施简单方便、成本低廉。本实用新型所实现的控制器对下I/O 485通信冗余技术不仅灵活地支持多种冗余链路，且具有较高的可靠性及稳定性，特别适用于工业自动化领域的控制应用。

所述控制层的主控制器和从控制器与主通信模块和从通信模块的通信协议包括地址、校验地址、功能码、数据和CRC校验。通过校验地址与地址双重校对，一旦校验地址与地址不同，变反馈到控制器，通过控制器进行核对后再次发送，避免了地址错误的情况发生。

所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块一次通信获取输入输出层中各输入输出模块组的IO数据和IO状态，缩短了通信时间。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型的控制器、I/O 通信总线和通信模块冗余部分的原理框图。

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和图2所示，一种控制器、I/O 通信总线和通信模块冗余的控制系统，包括监控层、控制层和输入输出层，监控层设有操作站1、操作站2、操作站N、工程师站，所述控制层设有至少一组互为冗余的主控制器和从控制器，所述主控制器和从控制器采用1：1冗余，所述控制层的主控制器和从控制器均由电源、CPU、通信卡和底座构成，所述电源和CPU通过接插件固定于底座上，所述CPU上设有三个以太网接口，所述通信卡上设有两路隔离的RS485通信总线接口，主控制器和从控制器之间通过一个以太网接口（网口）进行数据交互，主控制器和从控制器分别通过两个以太网接口（网口1、网口2）与监控层进行通信；主控制器和从控制器通过两个RS485通信总线接口（通信口1、通信口2）用于与输入输出层各输入输出模块组的主通信模块和从通信模块进行数据交互。主控制器和从控制器之间采用以太网通过光纤进行连接，用于冗余控制器之间数据交互，到达冗余同步，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序，所述主控制器用于控制输入输出层的各IO模块,所述从控制器实时监控主控制器，同时接收到来自主控制器的同步数据。主控制器和从控制器的驱动程序互相独立，同时运行，以备控制系统的无扰切换，大大提高了控制器和I/O模块通信的实时性和可靠性。

所述输入输出层设有多个输入输出模块组（通信组），所述各输入输出模块组内设有多个IO模块、主通信模块（通信口1）和从通信模块（通信口2），主通信模块和从通信模块分别与各个IO模块相连，各主通信模块和从通信模块位于同侧，所述主通信模块和从通信模块相互独立，均采用智能通讯卡。所述主通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述从通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连。所述CPU的两个通信总线接口均为RS485总线接口，所述控制层的主控制器和从控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和通信协议与输入输出层的主通信模块和从通信模块进行数据交互。RS485总线相对于HART和现场总线，因其实施简单方便的特点成为低端市场最主要的组网通信方式，而且现在支持RS485接口的仪表多。所述控制层的主控制器和从控制器分别通过输入输出模块组的各主通信模块和从通信模块与该输入输出模块组中各I/O模块进行信息交互。输入输出层中各输入输出模块组的主通信模块均串联在控制层的主控制器和从控制器上，输入输出层种各输入输出模块组的从通信模块均串联在控制层的主控制器和从控制器上。所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块一次通信获取输入输出层中各输入输出模块组的IO数据和IO状态。缩短了通信时间。控制器对下通过两路冗余的RS485总线与I/O模块进行数据通信。正常情况下，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序。但只有主控制器进行输出I/O设备的控制。从控制器不断地监测主控制器状态。如果主控制器出现故障，从控制器立即接管对输出I/O的控制，从而实现对系统的冗余控制。

所述控制层的主控制器和从控制器与主通信模块和从通信模块的Modbus通信协议包括地址、校验地址、功能码、数据和CRC校验。控制器与智能通讯卡之间的通信采用主–从方式，控制器作为主站，智能通讯卡作为从站。控制器向智能通讯卡发送各种命令后，智能通讯卡经过处理，作出相应的回应。通信协议命令格式如下。

地址

校验地址

功能码

数据

CRC校验

地址，1个字节。高半字节表示该输入输出模块组的实际访问地址，即智能通信卡的实际地址；低半字节表示要作用的输入输出模块组的I/O模块实际地址。

功能码，1个字节。包括读I通道值、写O通道值、读参数值、写参数值、读I/O模块状态等等。

数据区数据，8个字节。控制器向下读取输入模块（I）通道时，该区依地址排列为IO通讯组下挂的I/O模块的类型（若某字节的值为0，则表示相应的地址上未有模块或该模块存在问题），由通信卡返回I通道值给控制器。控制器向下写入输出模块（O）通道值，该区依地址排列为IO通讯组下挂的输出模块的通道值。

CRC校验，2个字节。

当控制器向智能通讯卡发出错误的命令，智能通讯卡回应特定的错误帧。错误帧格式如下：

地址

校验地址

功能码

错误码

CRC校验

错误码包括校验码错误、地址错误、I/O模块类型错误、寄存器地址或长度错误、功能码错误、组态参数不匹配等等。

本实用新型的工作原理：

1.主从冗余分配

冗余控制系统中的冗余控制器包括一个主控制器和一个从控制器。主从控制器角色的分配按控制器冗余上电启动两种可能出现的情况进行。

一种是两个系统同时上电；在上电后，两个系统将通过同步通道发送信息来相互检测。如果在一个可配置的时间内一个系统不能检测到另一个系统，那么这个系统会进入独立模式。在常规操作中，另一个系统回复并且在各自的日期和IEC程序的有效性的基础上，两个系统将协商他们的角色（主或从）。协商首先是根据操作站的联机信息进行主从分配，失败之后再根据自定义条件进行分配。如果必要会建立一个从主系统到从系统的IEC程序同步。然后，两个系统将运行此IEC程序。

另一种是一个系统正在运行且另一个系统上电，此情况出现在一个系统掉电并重启的时候。当前，一个系统运行在独立模式且另一个系统上电。已经在运行中的系统成为主系统，上电系统将与主系统程序同步并成为从系统。主系统将在两个任务执行间隙短暂停止，与从系统同步数据。然后，两个系统都执行IEC程序同步。

2.I/O模块的配置

根据工业控制的实际需求，监控层的上位机配置软件配置通讯卡、IO卡的相关参数后生成IO配置文件，并下载IO配置文件到控制器。控制器读取IO配置文件后，根据IO配置文件为每个IO分配各自的储存空间，该空间与每个IO通道的数据对应，监控层的组态软件自动对每个IO通道关联变量，并且同时分配变量地址，以PLC的地址进行数值、参数读写。

组态软件以PLC地址进行IO模块的组态并将组态程序下载到控制器，控制器运行时则会加载组态内容。控制器在执行组态程序之前，先读取I模块的数据，即系统会先从该模块的存储区域中读取该模块的数据，并将其保存在对应的通道变量中，之后将其转换成工程值放在该变量的另外一个参数中，最后将通道变量中的两个值（原始值和工程值）写入对应的PLC地址中。在组态程序执行完之后，系统会先取出O模块每个通道对应的变量值中对应的PLC地址中的值，将其赋值给变量中的参数-工程值。之后将其转换成变量的原始值并将原始值保存在对应的PLC地址中，同时将其放入O模块的缓存区域将数据写下去。（原始值是指控制器与IO模块通信直接交互使用的IO通道值，是未经任何处理的。工程值是指控制器按照工程配置处理后的IO通道值，用于控制器与上位机软件通信交互的IO通道值）。

如此，控制器及时地更新PLC地址中的I模块的通道值，并将PLC地址中O模块对应的通道值写入输出模块对应的通道中。

3.冗余I/O 485通信机制

主、从控制器的通信卡上有两路RS485通信，系统启动阶段通过诊断获取两路RS485通信状态。如果主控制器上两路RS485均能正常通信。主控制器则选择其中一路RS485作为通信链路，另一路RS485作为诊断链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上一路RS485能正常通信，另一路RS485不能正常通信。主控制器以能正常通信的那路RS485作为通信链路；从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上两路RS485均不能正常通信，且从控制器上RS485能正常通信，则主从控制器进行切换。

4.控制器IO数据冗余同步

控制器主要用于对控制系统的数据采集和处理控制以及与操作站之间的数据传送和交换，并根据操作站发送的控制指令进行I/O模块的控制输出。

如图1所示，主从控制器之间通过快速同步通道对IO通信数据进行冗余同步。在同步点，主控制器和从控制器都等待来自对方的触发信息，触发信息由达到同步点的主控制器率先发送。当从控制器达到同步点后接收到来自主控制器的同步数据，从控制器就回应信息给主控制器。如果从控制器达到同步点后没有收到来自主控制器的同步数据，从控制器就检测自身角色是否已经切换，假如角色并未切换而又没收到来自主控制器的同步数据，从控制器则报错以报告工程人员冗余同步出错，并提示冗余切换。当主控制器达到同步点并发送同步数据给从控制器后，如果没有收到来自从控制器回应的同步信息，主控制器则记录错误并正常通信，因为冗余控制系统中过程控制并不因从控制器而停止控制。本实用新型根据从控制器接收到主控制器的状态信息加上分析自身的状态之后主动决策是否触发主从控制器的冗余切换。这样不但减少了主从同步数据量而提高同步速度，而且减少主控制器的负担，让主控制器只专注于过程控制从而缩短控制周期。

Claims (6)

1.一种控制器、I/O 通信总线和通信模块冗余的控制系统，包括监控层、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从控制器，所述主控制器和从控制器之间通过以太网进行冗余同步，主控制器和从控制器同步刷新输入数据、执行程序，所述主控制器用于控制输入输出层的各IO模块,所述从控制器实时监控主控制器，同时接收到来自主控制器的同步数据；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、主通信模块和从通信模块，主通信模块和从通信模块分别与各个IO模块相连，所述主通信模块和从通信模块相互独立，所述主通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述从通信模块通过两条相互冗余的RS485总线分别与主控制器和从控制器相连，所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块与输入输出层的各输入输出模块组进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，其特征在于：所述控制层的主控制器和从控制器均由电源、CPU、通信卡和底座构成，所述电源、CPU、通信卡通过接插件固定于底座上，所述CPU上设有三个以太网接口，所述通信卡上设有两路隔离的RS485通信总线接口，主控制器和从控制器之间通过以太网进行数据交互，主控制器和从控制器分别通过以太网与监控层进行通信；主控制器和从控制器通过RS485通信总线接口与输入输出层各输入输出模块组的主通信模块和从通信模块进行数据交互。

3.根据权利要求1或2所述的控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，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。

4.根据权利要求1或2所述的控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，其特征在于：所述控制层的主控制器和从控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和通信协议与输入输出层的主通信模块和从通信模块进行数据交互。

5.根据权利要求1或2所述的控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，其特征在于：所述控制层的主控制器和从控制器与主通信模块和从通信模块的通信协议包括地址、校验地址、功能码、数据和CRC校验。

6.根据权利要求1或2所述的控制器、I/O通信总线和通信模块冗余的控制系统，其特征在于：所述控制层的主控制器和从控制器分别通过主通信模块和从通信模块一次通信获取输入输出层中各输入输出模块组的IO数据和IO状态。