CN207020478U - 一种基于硬件冗余的设备监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于硬件冗余的设备监控系统，其包括主PLC、备用PLC、PLC远程冗余I/O模块、前置工业以太网交换机、触摸屏、后置工业以太网交换机、综合管理上位机、控制上位机和至少一个网关，主PLC与备用PLC连接且互为热备份；主PLC、备用PLC和触摸屏接入前置工业以太网交换机，前置工业以太网交换机通过单模光缆连接后置工业以太网交换机；综合管理上位机和控制上位机接入后置工业以太网交换机；主PLC与备用PLC连接PLC远程冗余I/O模块；网关通过现场总线接入PLC远程冗余I/O模块，网关用于通过RS485总线接入隧道现场设备，本实用新型能够在具备硬冗余的前提下降低工程造价、共享硬件资源。

Description

一种基于硬件冗余的设备监控系统

技术领域

本实用新型涉及隧道监控技术领域，特别是涉及一种基于硬件冗余的设备监控系统。

背景技术

在隧道监控领域，基于PLC的监控系统大多数是采用日本OMRON的 CS1D型PLC且主要针对公路隧道，其特点是PLC系统作为公路隧道综合监控系统之中的一个子系统，采用分布式结构，公路一个区段对应1套 CS1D型PLC系统，每个子系统功能是：1、收集某个区段检测设备检测的信息，一般为CO检测器、能见度检测器和车辆检测器等检测的信息；2、通风控制：根据CO浓度、交通量等情况对风机进行控制，如控制风机投运的台数、风机运转方向、运行时间等；3、照明控制：根据检测到的洞内外光强数据、白天黑夜等情况控制隧道内的照明系统，调节入口及洞内的照明；4、变电站监测：对隧道变电站的电源运行状态和故障状态进行监测。

而公路隧道综合监控系统从上到下为三层网络结构：管理信息网、设备控制网、现场设备网，并采用集中管理、分散控制策略。其中PLC 子系统为公路隧道综合监控系统提供底层的现场设备信息，与视频管理子系统、信息发布子系统、火灾报警子系统等共同构成设备控制层，每个子系统均有自身现场设备网，各个子系统给处于管理信息网层的隧道综合管理平台交互数据，由公路隧道综合监控系统记录历史数据及生成紧急事件干预应急指挥策略，生成数据及事件的报表以及跟市政公共管理机构(交通局、消防站等)交互实时或历史信息。

目前的公路隧道综合监控系统存在不足和缺陷：

1、采用了日本OMRON的成套控制技术，不需另行开发，但必须在每一个分布控制的区段配置一整套包含冗余CPU、电源、网络组件和I/O 卡的PLC系统，导致整个PLC现场网络层设备硬件多和造价高。对于公路隧道每个区段在I/O设备繁多的情况下用PLC整套系统还能接受，但实际上每个区段I/O设备量并不大(少于256通道)，因此配置整套PLC 系统价格高，工程经济性差。

2、日本OMRON的公路隧道综合监控系统配套了定制的公路隧道专用监控软件，但正因为是公路隧道专用监控软件，在实现简单化配置应用的同时失去了系统开放性及灵活性，而且同样从工程的角度而言，虽然不用自行开发软件了，但对子系统的接口约定采用标准接口和协议，灵活性不强；其次，该公路隧道专用监控软件售价高，不能实现工程经济性；最后，该公路隧道专用监控软件是针对公路隧道开发，而公路隧道和下穿隧道的机电设备监控重点是完全不同的，如果不进行相关配置和二次开发也不适用于下穿隧道。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于硬件冗余的设备监控系统，能够在具备硬冗余的前提下降低工程造价、共享硬件资源。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于硬件冗余的设备监控系统，包括主PLC、备用PLC、PLC远程冗余 I/O模块、前置工业以太网交换机、触摸屏、后置工业以太网交换机、综合管理上位机、控制上位机和至少一个网关；所述主PLC与所述备用 PLC连接且互为热备份；所述主PLC、所述备用PLC和所述触摸屏接入所述前置工业以太网交换机，所述前置工业以太网交换机通过单模光缆连接所述后置工业以太网交换机；所述综合管理上位机和所述控制上位机接入所述后置工业以太网交换机；所述主PLC与所述备用PLC均连接所述PLC远程冗余I/O模块；所述网关通过现场总线接入所述PLC远程冗余I/O模块，且所述网关用于通过RS485总线接入隧道现场设备。

其中，所述主PLC和所述备用PLC安装于同一个机架内且通过冗余光纤连接。

其中，所述主PLC包括主电源和主CPU。

其中，所述备用PLC包括备用电源和备用CPU，所述主CPU和所述备用CPU通过冗余光纤连接。

其中，所述设备监控系统还包括中继器，所述网关通过现场总线连接所述中继器，所述中继器通过现场总线接入所述PLC远程冗余I/O模块。

其中，所述设备监控系统还包括现场I/O卡件，所述中继器通过现场总线连接所述现场I/O卡件，所述现场I/O卡件连接所述PLC远程冗余I/O模块。

其中，所述主PLC、所述备用PLC、所述前置工业以太网交换机、所述触摸屏、所述后置工业以太网交换机、所述综合管理上位机和所述控制上位机之间均采用超五类网线连接。

本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型通过将主PLC和备用PLC互为热备份，主PLC和备用PLC与PLC远程冗余 I/O模块连接，PLC远程冗余I/O模块可以接入数量、种类庞大的隧道现场设备，因此只需要配置两套PLC系统即可实现分布式控制，从而能够在具备硬冗余的前提下降低工程造价、共享硬件资源。

附图说明

图1是本实用新型实施例基于硬件冗余的设备监控系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例基于硬件冗余的设备监控系统的网络拓扑示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1和图2，本实用新型实施例的基于硬件冗余的设备监控系统包括主PLC1、备用PLC2、PLC远程冗余I/O模块3、前置工业以太网交换机4、触摸屏5、后置工业以太网交换机6、综合管理上位机7、控制上位机8和至少一个网关9。需要说明的是，本实用新型提供的基于硬件冗余的设备监控系统，可以用于下穿隧道，但也可用于其它隧道，例如公路隧道、铁路隧道、地铁隧道等。

主PLC1与备用PLC2连接且互为热备份。主PLC1和备用PLC2可以安装于同一个机架内且通过冗余光纤100连接。具体而言，主PLC1包括主电源11和主CPU12，备用PLC2包括备用电源21和备用CPU22，主 CPU12和备用CPU22通过冗余光纤100连接。由于主PLC1与备用PLC2互为热备份，在主PLC1处于正常工作状态时，备用PLC2处于低功耗模式。

主PLC1、备用PLC2和触摸屏5接入前置工业以太网交换机4，前置工业以太网交换机4通过单模光缆200连接后置工业以太网交换机6。综合管理上位机7和控制上位机8接入后置工业以太网交换机6。

主PLC1与备用PLC2均连接PLC远程冗余I/O模块3，网关9通过现场总线300接入PLC远程冗余I/O模块3，且网关9用于通过RS485 总线400接入隧道现场设备，隧道现场设备包括变压器、高低压柜、发电机工况监测设备、限速标志灯、门架标志灯、车辆检测器等。网关9的数量可以根据需要选择，例如网关9为两个，分别设于下穿隧道的入口和出口。PLC远程冗余I/O模块3包括但不限于冗余现场总线通讯、抽水泵、照明、通风、光照度检测仪、火灾报警气体检测等信号采集和控制卡，每种信号采集和控制卡为两套，形成硬件冗余。

考虑到网关9与PLC远程冗余I/O模块3之间的距离较远，在本实施例中，基于硬件冗余的设备监控系统还包括中继器10，网关9通过现场总线300连接中继器10，中继器10通过现场总线300接入PLC远程冗余I/O模块3。

由于PLC远程冗余I/O模块3包含的信号采集和控制卡为两套，因此，需要将网关9传输的数据分为两路接入两套信号采集和控制卡中，在本实施例中，基于硬件冗余的设备监控系统还包括现场I/O卡件101，中继器10通过现场总线300连接现场I/O卡件101，现场I/O卡件101 连接PLC远程冗余I/O模块3。

为了提高传输速率，本实施例中，主PLC1、备用PLC2、前置工业以太网交换机4、触摸屏5、后置工业以太网交换机6、综合管理上位机 7和控制上位机8之间均采用超五类网线500连接。

下面将举例对本实用新型实施例的基于硬件冗余的设备监控系统进行说明，在该实例中，主PLC1和备用PLC2采用西门子S7-400H型PLC，主CPU11和备用CPU21选用S7-400H型PLC系统中相对较低端配置的 CPU412-5H，其完全能满足隧道监控系统控制的冗余可靠性和安全性及控制功能需求，PLC远程冗余I/O模块3选用冗余ET200M有源背板总线系统，其能够保证系统可靠性。基于硬件冗余的设备监控系统外接的检测和执行机构设备，采用标准开关量和标准模拟量型式的所有信号，如下穿隧道照明开关回路断路器合闸、过载等，接触器线圈驱动等开关量或排水泵压力变送器、泵房H₂S气体浓度检测、隧道亮度照度仪、泵轴承温度贴片热电阻等标准模拟量信号都通过PLC远程冗余I/O模块3来配置相应的开关量、模拟量及热电阻模板等直接采集信号及输出驱动控制信号；网关9采用RS485转换DP的网关，以使现场采用串行通讯MODBUS 协议的仪表和其它一些子系统。如电力变压器温度瓦斯仪表、柴油发电机系统参数、高低压开关柜电参数、车辆检测、火灾报警系统控制器等则可以接入PLC远程冗余I/O模块3中，实现相关信号的检测和控制。按隧道控制规格书的控制要求编写控制程序下载到主PLC1和备用PLC2 中。

所有的外部检测信号通过以上各种方式汇聚输入采集后，根据程序的信号处理逻辑及阈值判断处理等和预先编制的控制联锁输出相关的信号驱动相关的外设及显示或报警等。基于硬件冗余的设备监控系统通过前置工业以太网交换机4和后置工业以太网交换机6接入触摸屏5、综合管理上位机7、控制上位机8，触摸屏5主要安装在箱变侧，综合管理上位机7作为后台中心，控制上位机8作为工程师或操作员操作站，在触摸屏5和控制上位机8中也按隧道控制规格书的控制要求有关的界面要求编制程序及下载，实现就地和远程通过人机界面操作及监视控制设备监控系统。在人机界面程序中，子系统功能区划若干子菜单画面，含照明、通风排水泵、火灾报警气体监测、交通信息、高低压柜及发电系统等监控界面。

该基于硬件冗余的设备监控系统的优点在于给隧道机电监控提供了不同硬件及软件优先级的控制，保留了传统的硬线逻辑控制方便维护和检修，即使出现控制设备故障的异常也完全不影响机电系统的运行。在控制系统激活使能情况下，提供不同的控制及界面通道，并在设计中互为独立各不影响，可以在箱变侧用就地触摸屏5来控制，也可以在远程管理房用控制上位机8来控制，确保了优先级关系，保证了唯一的输出源。这样就具备相当大的可靠性及灵活性。

本实用新型实施例的基于硬件冗余的设备监控系统将主PLC和备用 PLC互为热备份，主PLC和备用PLC与PLC远程冗余I/O模块连接，PLC 远程冗余I/O模块可以接入数量、种类庞大的隧道现场设备，因此只需要配置两套PLC系统即可实现分布式控制，从而能够在具备硬冗余的前提下降低工程造价、共享硬件资源。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，包括主PLC、备用PLC、PLC远程冗余I/O模块、前置工业以太网交换机、触摸屏、后置工业以太网交换机、综合管理上位机、控制上位机和至少一个网关，

所述主PLC与所述备用PLC连接且互为热备份；

所述主PLC、所述备用PLC和所述触摸屏接入所述前置工业以太网交换机，所述前置工业以太网交换机通过单模光缆连接所述后置工业以太网交换机；

所述综合管理上位机和所述控制上位机接入所述后置工业以太网交换机；

所述主PLC与所述备用PLC均连接所述PLC远程冗余I/O模块；

所述网关通过现场总线接入所述PLC远程冗余I/O模块，且所述网关用于通过RS485总线接入隧道现场设备。

2.根据权利要求1所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述主PLC和所述备用PLC安装于同一个机架内且通过冗余光纤连接。

3.根据权利要求2所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述主PLC包括主电源和主CPU。

4.根据权利要求3所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述备用PLC包括备用电源和备用CPU，所述主CPU和所述备用CPU通过冗余光纤连接。

5.根据权利要求1所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述设备监控系统还包括中继器，所述网关通过现场总线连接所述中继器，所述中继器通过现场总线接入所述PLC远程冗余I/O模块。

6.根据权利要求5所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述设备监控系统还包括现场I/O卡件，所述中继器通过现场总线连接所述现场I/O卡件，所述现场I/O卡件连接所述PLC远程冗余I/O模块。

7.根据权利要求1所述的基于硬件冗余的设备监控系统，其特征在于，所述主PLC、所述备用PLC、所述前置工业以太网交换机、所述触摸屏、所述后置工业以太网交换机、所述综合管理上位机和所述控制上位机之间均采用超五类网线连接。